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        通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻應(yīng)用綜述

        2017-03-13 02:20:54劉凱王柵江清陽
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2016年24期
        關(guān)鍵詞:光伏節(jié)能通風(fēng)

        劉凱++王柵++江清陽

        摘 要:隨著我國城市化水平和人們對生活質(zhì)量要求的不斷提高,建筑能耗在未來總能耗中所占比例將繼續(xù)增加。在我國建筑能耗占社會總能耗的30%以上,而其中由于門窗引起的建筑能耗占建筑總負(fù)荷的60%以上,因此門窗不僅是建筑行業(yè)的重要組成部分,也是貫徹國家建筑節(jié)能政策的攻關(guān)重點(diǎn)。現(xiàn)如今在建筑美化方面玻璃幕墻更是使用頻繁,加大了建筑能耗損失。為實(shí)現(xiàn)建筑美化與節(jié)能一體化,筆者提出一種通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻,將太陽能光伏產(chǎn)業(yè)與雙層玻璃幕墻結(jié)合,利用通風(fēng)換熱、調(diào)節(jié)氣流組織達(dá)到節(jié)能的效果。

        關(guān)鍵詞:雙層玻璃幕墻 光伏 通風(fēng) 節(jié)能

        中圖分類號:TU11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)08(c)-0012-03

        根據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測,到21世紀(jì)50年代,全球直接利用太陽能的比例將會發(fā)展到世界能源結(jié)構(gòu)中13%~15%,成為未來的主要能源之一。太陽能作為一種清潔、高效和永不衰竭的新能源,為充分利用投射于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的太陽能資源,將太陽能光伏與玻璃幕墻相結(jié)合的太陽能光伏幕墻的概念也已提出,并在歐美地區(qū)已有不少的應(yīng)用工程項(xiàng)目,尤其是在德國。國內(nèi)如北京的部分奧運(yùn)場館,深圳、上海等某些示范建筑也采用了太陽能光伏幕墻設(shè)計(jì)。

        光伏幕墻可原地發(fā)電、原地使用,杜絕了由一般化石燃料發(fā)電所帶來的嚴(yán)重空氣污染。它集合了光伏發(fā)電技術(shù)和幕墻技術(shù),因此太陽能光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合成為了住宅建筑中的一個(gè)最新亮點(diǎn),代表了建筑光伏一體化技術(shù)的最新發(fā)展方向(圖1)。

        1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

        國際上對于雙層玻璃幕墻的性能研究已有不少報(bào)道,德國的Till Pasquay等對德國三幢雙層玻璃幕墻建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹,比利時(shí)的Andre De Herd等通過TAS軟件主要研究了風(fēng)向?qū)﹄p層玻璃幕墻傳熱和通風(fēng)性能的影響;Ikbal Centier等人用TAS和CFD軟件對單層玻璃幕墻和雙層玻璃幕墻的能耗、熱舒適性和水汽凝結(jié)情況進(jìn)行了對比研究;瑞士的Henrich Manz通過CFD模擬和模型實(shí)驗(yàn)測試了自然通風(fēng)條件下雙層玻璃幕墻系統(tǒng)的傳熱問題;但是將太陽能光伏電池與雙層玻璃幕墻結(jié)合起來研究的并不多見,有加拿大的Andreas K.Athienitis和Remi Charron對單層單元式雙層玻璃幕墻與太陽電池一體化結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了一些理論研究和分析。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的裴剛等結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了單層光伏窗、雙層光伏窗和通風(fēng)雙層光伏窗3種結(jié)構(gòu)的光伏窗對建筑得熱、建筑采光和光電轉(zhuǎn)換的不同影響。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的何偉等提出了空冷型雙層光伏窗的概念,在合肥地區(qū)以辦公建筑為研究對象對其進(jìn)行了性能研究,并與普通光伏窗和中空型雙層光伏窗進(jìn)行了對比分析。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的張永煦加工了可逆空冷型雙層光伏窗,并在夏季氣候條件下進(jìn)行了空冷型雙層光伏窗和單層光伏窗的性能對比實(shí)驗(yàn)。香港城市大學(xué)的周天泰對非晶硅透光性光伏玻璃在香港某辦公樓外窗中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究。

        已有的研究表明,雙層玻璃幕墻的性能受到很多因素的影響,如周邊環(huán)境參數(shù),幕墻的物理尺寸大小,幕墻各個(gè)組成部分的熱物理性質(zhì)、光學(xué)參數(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)等,而已有的研究主要針對較透明的幕墻結(jié)構(gòu),基本上沒有考慮玻璃幕墻高吸收率的影響,而光伏電池的存在,使通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻的透過率、吸收率等光學(xué)特性完全不同于傳統(tǒng)的雙層玻璃幕墻,光伏幕墻的存在形成了對空氣腔體的兩側(cè)非對稱加熱,強(qiáng)化了雙層玻璃幕墻空氣空腔的熱效應(yīng),空氣腔體流道內(nèi)空氣壓力場、速度場和溫度場的分布將隨著太陽輻射強(qiáng)度、光伏電池覆蓋率等參數(shù)發(fā)生變化,已有的研究并不能給與通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻性能分析提供足夠的信息。

        2 通風(fēng)型光伏雙層玻璃幕墻原理

        太陽能光伏幕墻雖然能夠利用投射到窗面上的太陽輻射,減少太陽輻射直接進(jìn)入室內(nèi),但商業(yè)光伏幕墻的成本較高,轉(zhuǎn)換效率只有10%~15%左右,在夏季,剩下的近80%的太陽輻射被轉(zhuǎn)化為熱量使光伏電池的溫度升高,從而降低光伏電池效率的同時(shí),剩余30%以上的熱量以對流換熱和長波輻射的形式進(jìn)入室內(nèi),增加室內(nèi)熱負(fù)荷。另外由于太陽能光伏幕墻溫度的升高導(dǎo)致近幕墻位置的熱舒適度大大降低,而在冬季,玻璃幕墻較大的傳熱系數(shù)又增加了建筑的熱負(fù)荷,從而加大了建筑的運(yùn)行成本和能耗水平。

        為降低太陽能光伏玻璃幕墻增加的室內(nèi)負(fù)荷,提高能源綜合利用效率,降低太陽能光伏玻璃幕墻使用成本,提出設(shè)計(jì)了通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu),見圖2~圖5,光伏電池吸收太陽輻射時(shí)將產(chǎn)生大量余熱,強(qiáng)化了雙層玻璃幕墻空氣空腔的熱效應(yīng),根據(jù)需要在高段引風(fēng)口輔以室外空氣補(bǔ)充或加以風(fēng)機(jī)輔助。在夏季時(shí),使經(jīng)過土壤或水池蒸發(fā)冷卻的室外較冷空氣從幕墻底部開口進(jìn)入太陽能光伏玻璃幕墻和內(nèi)層玻璃形成的通風(fēng)流道(帶孔走道主要是為解決幕墻維護(hù)和層間隔音問題),利用通風(fēng)流道誘導(dǎo)效應(yīng)將建筑背面較冷空氣引入流道,并從通風(fēng)型光伏雙層玻璃幕墻頂部開口流到室外環(huán)境,從而將太陽能光伏玻璃幕墻吸收的熱量帶到室外,減少建筑由太陽輻射引起的空調(diào)冷負(fù)荷,降低光伏電池運(yùn)行溫度,提高光伏電池效率;在冬季時(shí),將通風(fēng)型光伏雙層玻璃幕墻頂部開口關(guān)閉,入口、引風(fēng)口以及室內(nèi)與空氣腔體之間連通開口的開啟關(guān)閉則需要根據(jù)環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度和室內(nèi)需求溫度和通風(fēng)量進(jìn)行綜合考慮,在空氣腔體中形成溫室效應(yīng),相比于普通光伏幕墻,大大降低了傳熱系數(shù),目標(biāo)是保證光伏幕墻的電力輸出效率的同時(shí),降低室內(nèi)熱負(fù)荷,改善建筑室內(nèi)熱舒適性。

        3 與建筑一體化需要解決的問題

        (1)要做好太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化需要解決一系列問題:①光伏幕墻適宜性、當(dāng)?shù)厝晏柲苜Y源和當(dāng)?shù)貧夂驙顩r的調(diào)查。②環(huán)境溫度對太陽能光伏電池的效率有影響,一般來說,溫度越高效率越低。因此,在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū),溫度的影響較低;在炎熱氣候條件下應(yīng)采取一定的措施,使得太陽能電池板的溫度不至于過高。③光伏幕墻作為建筑構(gòu)件,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件,綜合考慮抗風(fēng)、防雨、雪荷載等問題。④光伏組件與玻璃幕墻結(jié)合通常會形成幕墻上的非透明或半透明部分,因此光伏幕墻具有一定遮陽的功能,同時(shí)也降低了玻璃幕墻的透光性能。

        (2)光伏發(fā)電系統(tǒng)要適應(yīng)熱通道的特殊結(jié)構(gòu),保持與原建筑風(fēng)格的一致性。因此要解決組件密封、接線盒隱蔽、粘膠在高溫與臺風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)受力問題;要改善組件的散熱情況、降低電池片溫度,以減少組件效率損失。

        (3)光伏系統(tǒng)、通風(fēng)換氣條件的智能自動(dòng)控制應(yīng)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、智能調(diào)節(jié)風(fēng)口和百葉、光伏發(fā)電等功能。

        4 結(jié)語

        門窗引起的建筑負(fù)荷占建筑總負(fù)荷的60%以上,因此門窗不僅是建筑行業(yè)的重要組成部分,也是貫徹國家建筑節(jié)能政策的攻關(guān)重點(diǎn)。利用投射于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的太陽能資源,將太陽能光伏與玻璃幕墻相結(jié)合的太陽能光伏幕墻的概念也隨之提出。該研究將為提高建筑中太陽能光伏系統(tǒng)的利用效率、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本,最大化降低建筑能耗提供優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,達(dá)到光伏光熱綜合利用最優(yōu)化效果,為城市公共建筑節(jié)能提供有益探索。光伏雙層幕墻融合了熱通道技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù),具有明顯的隔熱、隔音、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),在建筑中意義深遠(yuǎn)。隨著太陽能光伏發(fā)電的推廣,響應(yīng)國家十三五規(guī)劃的能源戰(zhàn)略策略,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,該項(xiàng)目的應(yīng)用具有廣泛的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

        參考文獻(xiàn)

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        [3] Henrich Manz. Total solar energy transmittance of glass double facades with free convection[J].Energy and Buildings,2004,36(2):127-136.

        [4] Abdul-Jabbar N. Knalifa.1998.A study on a passively heated single-zone building using a thermal storage wall[J].Renewable Energy,1998,14(1):29-34.

        [5] 裴剛,季杰,蔣愛國.光伏雙層窗的綜合性能研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2009,30(4):441-444.

        [6] 何偉,張永煦,劉俊躍.空冷型光伏雙層窗在華東地區(qū)的熱性能模擬分析[J].太陽能學(xué)報(bào),2009,30(11):1476-1480.

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