朱 靜，馬明一，李 丕，程 征，徐春雯

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.青島有住信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266580)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱及熱損失是引起建筑制冷和供暖能耗的主要原因之一[1].由內(nèi)、外層玻璃及通風(fēng)空腔組成的雙層皮幕墻(Double-Skin Fa?ade，DSF)，是一種具有節(jié)能潛力的被動式窗體[2-4].光伏發(fā)電和建筑相結(jié)合而產(chǎn)生的建筑一體化光伏系統(tǒng)具有多種功能與優(yōu)點(diǎn)，將半透明光伏玻璃(Semi-transparent photovoltaic glass，STPV)與DSF耦合得到的半透明光伏雙層皮幕墻(STPV-DSF)是建筑一體化光伏系統(tǒng)的重要形式[5].在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的通風(fēng)式STPV-DSF，能夠有效促進(jìn)熱通道內(nèi)空氣的自然對流，帶走大量太陽輻射熱，有效降低室內(nèi)負(fù)荷和空調(diào)系統(tǒng)能耗[6].

國內(nèi)外學(xué)者對通風(fēng)式STPV-DSF的運(yùn)行特性及節(jié)能效果進(jìn)行了大量研究.王京南等[7]通過建立雙層皮幕墻數(shù)學(xué)模型，以長沙地區(qū)某外循環(huán)式雙層皮幕墻為例，進(jìn)行夏季自然通風(fēng)工況下雙層皮幕墻的熱工性能模擬.陳友明等[8]在已搭建的實驗平臺上，對夏季自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下DSF熱通道內(nèi)的流場和溫度場進(jìn)行對比分析，得出自然通風(fēng)效果較好的4種工況，并利用Fluent模擬和分析自然通風(fēng)下最佳玻璃幕墻空腔間距及遮陽百葉位置.郭猛等[9]基于區(qū)域方法和氣流網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合雙層皮玻璃幕墻機(jī)械通風(fēng)的特點(diǎn)，綜合考慮了通風(fēng)空腔內(nèi)熱壓、風(fēng)壓和橫向交叉氣流的作用，建立了機(jī)械通風(fēng)雙層皮玻璃幕墻的模型.朱麗等[10]模擬在寒冷地區(qū)應(yīng)用透光薄膜光伏幕墻，結(jié)果表明夏季通風(fēng)口單位寬度帶走約72.92 W熱量.文獻(xiàn)[11]將通風(fēng)型STPV-DSF、單層光伏窗以及封閉型STPV-DSF三種類型窗體進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)型STPV-DSF在降低光伏電池運(yùn)行溫度、減少夏季室內(nèi)得熱方面表現(xiàn)最優(yōu).

上述研究成果對光伏雙層皮幕墻的優(yōu)化設(shè)計起到一定的借鑒作用，但現(xiàn)有研究大多是針對夏季工況外循環(huán)通風(fēng)展開[12].冬季STPV-DSF運(yùn)行中能否應(yīng)用自然通風(fēng)，目前尚不清楚.另外，少量文獻(xiàn)對冬季STPV-DSF的節(jié)能效果進(jìn)行了研究，如Chow等[13]發(fā)現(xiàn)光伏雙層皮幕墻可降低冬天熱耗散，同時吸收太陽能產(chǎn)生電能以減少建筑耗能；高峰等[14]針對寒冷地區(qū)冬季雙層光伏窗辦公建筑，利用Energyplus軟件模擬研究了不同運(yùn)行模式下雙層光伏外窗對建筑節(jié)能特性的影響.但冬季STPV-DSF的運(yùn)行效果是否優(yōu)于DSF，并未見報道.本文通過搭建實驗裝置，實測多種通風(fēng)模式下STPV-DSF的運(yùn)行參數(shù)，以研究自然通風(fēng)對窗體傳熱特性的影響，明確冬季應(yīng)用自然通風(fēng)的可行性；并通過與DSF運(yùn)行參數(shù)的對比，分析光伏材料對冬季雙層皮幕墻運(yùn)行特性及節(jié)能效果的影響.

1 研究方法

1.1 實驗裝置

通過建立實驗房進(jìn)行實際測試是探究窗體運(yùn)行特性有效且直觀的方式[15-16].在山東省膠州市(東經(jīng)119°37＇，北緯36°)搭建光伏雙層皮幕墻全尺寸實驗房.該地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域，屬寒冷區(qū)，實驗房尺寸如圖1所示.南向窗體為三個尺寸相同的雙層皮窗戶，從西至東依次為：半透明光伏雙層皮STPV-DSF(τ=40%)(外層皮透過率為τ=40%的碲化鎘光伏玻璃)、雙層皮DSF(τ=90%)(外層皮為τ=90%的普通6 mm玻璃)、半透明光伏雙層皮STPV-DSF(τ=20%)(外層皮透過率為τ=20%碲化鎘光伏玻璃)，內(nèi)外層之間為0.4 m的空腔，內(nèi)層皮均為普通雙層6 mm中空玻璃.三個窗體之間相互獨(dú)立，中間設(shè)絕熱隔板.在內(nèi)外層皮的上、下端設(shè)置尺寸相同的通風(fēng)口(0.6 m×0.6 m).外層皮上、下通風(fēng)口均可向上開啟，開啟角度為30°，內(nèi)層皮上下通風(fēng)口采用向內(nèi)開啟的平開窗.通過改變內(nèi)外通風(fēng)口的開閉組合，可實現(xiàn)不同的運(yùn)行模式，本實驗選取三種不同運(yùn)行模式進(jìn)行測試，具體見表1.

圖1 實驗房尺寸(單位：mm)

表1 運(yùn)行模式設(shè)置

1.2 實驗儀器及測點(diǎn)布置

實驗測點(diǎn)布置見圖2.T為溫度測量，采用頂峰科技20100熱電阻，內(nèi)、外層皮內(nèi)表面沿中間軸線上各均勻布置3個熱電阻，空腔內(nèi)沿中心軸線布置5個熱電阻，伸展在空腔內(nèi)相應(yīng)位置.C和R分別為通過窗體進(jìn)入室內(nèi)的傳導(dǎo)熱流密度和總輻射熱流密度，采用傳導(dǎo)熱流傳感器及輻射熱流傳感器測量，其中傳導(dǎo)熱流傳感器貼附在各系統(tǒng)內(nèi)層皮中間位置處，輻射熱流傳感器由三腳架支撐，放置在靠近各內(nèi)層皮中間位置附近.輻射熱流傳感器感應(yīng)面垂直向外，白天測量透射到室內(nèi)的太陽輻射熱流密度，夜間可測量室內(nèi)向外的輻射熱流損失.

圖2 實驗系統(tǒng)的測點(diǎn)布置

另外，熱流及溫度電信號均連接Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行記錄；PV玻璃發(fā)電功率、電壓、電流由MPPT記錄并上傳到電腦；室外溫濕度、風(fēng)速氣象條件采用DAVIS Vantage Pro2 plus 06162型氣象站進(jìn)行記錄；太陽總輻射及散射輻射強(qiáng)度采用Delta OHM LP PYRA02輻射強(qiáng)度計進(jìn)行測量.實驗儀器規(guī)格及技術(shù)參數(shù)見表2.

表2 實驗儀器規(guī)格及技術(shù)參數(shù)

1.3 評價指標(biāo)

雙層皮幕墻內(nèi)部能量流動及傳熱過程極其復(fù)雜，以STPV-DSF封閉模式為例：外層皮接收到的太陽輻射一部分被玻璃層反射，一部分被太陽能電池層吸收并產(chǎn)生余熱，其余部分進(jìn)入空腔內(nèi)；空腔內(nèi)空氣與外層皮內(nèi)表面及內(nèi)層皮外表面通過自然對流進(jìn)行換熱；內(nèi)層皮得到熱量并通過透射、對流及輻射作用將熱量傳遞到室內(nèi).

本文主要的評價指標(biāo)包括：太陽得熱系數(shù)(Solar Heat Gain Coefficient，SHGC)、內(nèi)外層皮溫度、輻射熱流強(qiáng)度、傳導(dǎo)熱流強(qiáng)度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)U值及發(fā)電功率.SHGC值及U值需要通過以下公式計算得到，其他參數(shù)可由儀器直接測量.

SHGC指通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)成為室內(nèi)得熱量的太陽輻射占投射到圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的太陽輻射的比例，采用公式(1)進(jìn)行計算.

(1)

式中：G1為通過透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)透射到室內(nèi)的太陽輻射，W/m2；G2為太陽輻射被透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收后再傳熱室內(nèi)得熱量，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)通過長波紅外輻射向室內(nèi)輻射的熱量G3及圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室內(nèi)的傳導(dǎo)熱量G4兩部分，W/m2；G5為窗體接收到的總的太陽輻射，W/m2.

其中，G1+G3由輻射熱流傳感器TS-34C測得，G4由傳導(dǎo)熱流傳感器CHS-30測得，G5由輻射強(qiáng)度計Delta OHM LP PYRA02測得.

U指圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)，表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)在單位面積上允許熱量通過的能力.U值可在室內(nèi)外都沒有輻射的夜間測量得到，表征建筑結(jié)構(gòu)的保溫能力.根據(jù)測試條件，按照公式(2)[17]近似計算.

(2)

式中：G6為夜間室內(nèi)向外的輻射熱損失，W/m2；G7為夜間室內(nèi)向外的傳導(dǎo)熱損失，W/m2；ΔT為夜間室內(nèi)空氣溫度與室外空氣溫度之差，K.

其中，G6由輻射熱流傳感器TS-34C測得，G7由傳導(dǎo)熱流傳感器CHS-30測得.

1.4 實驗測試

實驗測試條件選擇室外晴天微風(fēng)時進(jìn)行，選取室外氣象條件及太陽輻射強(qiáng)度接近的晴天工況進(jìn)行比較.確定12月23日、12月27日及1月1日分別作為封閉模式、日間自然通風(fēng)模式及中午自然通風(fēng)模式的典型日，三天內(nèi)天氣狀況接近，太陽輻射日波動曲線及室外空氣溫度日波動曲線基本重合，減小了天氣情況造成的實驗誤差，圖3、圖4分別為典型日太陽輻射日波動曲線及室內(nèi)外空氣溫度日波動曲線.實驗過程中對室外氣象條件、玻璃各表面溫度、空腔及室內(nèi)外溫度、進(jìn)入室內(nèi)的平均輻射熱量與平均傳導(dǎo)熱量等進(jìn)行了測量記錄.

圖3 太陽輻射日波動曲線

圖4 室內(nèi)外空氣溫度波動曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 通風(fēng)模式對冬季STPV-DSF(以τ=20%為例)運(yùn)行特性的影響

2.1.1 STPV-DSF空腔內(nèi)溫度分布

空腔內(nèi)溫度分布是決定冬季自然通風(fēng)效果的重要因素.自然通風(fēng)狀態(tài)下，室外冷空氣從底部進(jìn)入，在空腔內(nèi)被加熱后從頂部進(jìn)入室內(nèi).若進(jìn)入室內(nèi)空氣溫度較高，則有利于室內(nèi)得熱，降低冬季室內(nèi)熱負(fù)荷.

圖5為STPV-DSF在case1時空腔內(nèi)溫度分布圖，由圖可知，各測點(diǎn)溫度及溫度梯度均隨太陽輻射強(qiáng)度增強(qiáng)而增大，12∶00左右達(dá)到峰值，空腔頂部溫度約29.9 ℃，空腔頂部和底部最大溫差為8.9 ℃.

圖5 STPV-DSF case1時空腔溫度分布

圖6為STPV-DSF在case2時空腔內(nèi)溫度分布，由圖可知，最高溫度26.0 ℃，較case1模式下降3.9 ℃，這是由于室外新風(fēng)流經(jīng)空腔時通過對流換熱作用吸收熱量，降低了空腔溫度.若將冬季室內(nèi)設(shè)計溫度設(shè)定為20 ℃，10∶40～14∶00時間段Tca5高于20 ℃，可為室內(nèi)提供高于供暖設(shè)計溫度的新風(fēng)，降低室內(nèi)熱負(fù)荷；其他時間段Tca5低于20 ℃，由于冷風(fēng)滲透可增加室內(nèi)熱負(fù)荷.

圖6 STPV-DSF case2時空腔溫度分布

圖7為STPV-DSF在case3時空腔內(nèi)溫度分布.由圖7可見，12∶00左右Tca5達(dá)到峰值約29 ℃，此時打開外層皮下窗及內(nèi)層皮上窗通風(fēng)，室外冷空氣從底部進(jìn)入，被加熱后在空腔內(nèi)向上移動，空腔上層熱空氣進(jìn)入室內(nèi)形成自然通風(fēng).雖然開窗后由于冷空氣的滲入造成空腔內(nèi)溫度整體降低，但通風(fēng)時間段進(jìn)入室內(nèi)的熱空氣溫度Tca5不低于20 ℃，因此在提供新風(fēng)的同時有利于室內(nèi)得熱.

圖7 STPV-DSF case3時空腔溫度分布

2.1.2 內(nèi)外層皮表面溫度分布

圖8為STPV-DSF三種通風(fēng)模式下的外層皮溫度對比圖.由圖8中可以看出，不同通風(fēng)模式下外層皮溫度變化趨勢一致，均隨著室外輻射強(qiáng)度和溫度的變化而變化，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.其中，case2溫度分布整體低于case1和case3溫度分布，這是由于流經(jīng)空腔的新風(fēng)與外層玻璃進(jìn)行對流換熱，帶走熱量使得外層皮溫度降低；且隨室外輻射強(qiáng)度和溫度的升高，外層皮與室外空氣的溫差逐漸增大，對流換熱作用增強(qiáng)，與case1外層皮溫差逐漸增大，最大溫差可達(dá)5.02 ℃.case3與case1相比，12點(diǎn)之前由于都處于封閉狀態(tài)外層皮溫度分布基本一致，12點(diǎn)開窗后溫度略有下降，最大溫差2.1 ℃左右.

圖8 STPV-DSF三種通風(fēng)模式下的外層皮溫度

圖9為STPV-DSF三種通風(fēng)模式下的內(nèi)層皮溫度對比圖.由圖可見，通風(fēng)模式對內(nèi)層皮溫度的影響并不太大.其中，case3與case1相比，內(nèi)層皮溫度并沒有明顯變化；case2內(nèi)層皮溫度始終最低，但最大溫差不超過2 ℃.分析原因，由于STPV-DSF外層皮光伏材料大量吸收太陽輻射能量，使得日間外層皮溫度迅速升高，正午時分明顯高于內(nèi)層皮溫度，進(jìn)入空腔的冷空氣與外層皮的對流換熱作用更為強(qiáng)烈，因此對內(nèi)層皮溫度的影響不大.由上可以得出，不同通風(fēng)模式下STPV-DSF內(nèi)表面與室內(nèi)的對流換熱量和輻射換熱量相差不大.

圖9 STPV-DSF三種通風(fēng)模式下的內(nèi)層皮溫度

2.1.3 太陽得熱系數(shù)(SHGC)

圖10和圖11為STPV-DSF三種通風(fēng)模式下的傳導(dǎo)熱流密度和輻射熱流密度，由圖可見，傳導(dǎo)熱流密度和輻射熱流密度均隨著室外輻射強(qiáng)度和溫度的變化而變化，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，10∶00～12∶00左右達(dá)到峰值.從數(shù)值來看，三種通風(fēng)模式下的傳導(dǎo)熱流密度和輻射熱流密度基本一致，無明顯差異和規(guī)律.分析原因：(1)傳導(dǎo)熱流密度取決于內(nèi)層皮與室內(nèi)的溫差，室內(nèi)初始溫度相同時，即取決于內(nèi)層皮溫度，由于三種通風(fēng)模式下的內(nèi)層皮溫度差異不大，所以傳導(dǎo)熱流密度也差異很?。?2)輻射熱流密度包括透過窗體進(jìn)入室內(nèi)的直射太陽輻射和內(nèi)層皮向室內(nèi)的輻射兩部分，取決于室外輻射強(qiáng)度及內(nèi)層皮溫度，三種通風(fēng)模式下的室外輻射強(qiáng)度及內(nèi)層皮溫度相近，因此其輻射熱流密度數(shù)值相近.另外，有些時間段的輻射熱流密度及傳導(dǎo)熱流密度出現(xiàn)負(fù)值，說明隨室外輻射強(qiáng)度及室內(nèi)外溫度的變化，此時熱量的傳遞方向由室內(nèi)向室外.

圖10 STPV-DSF三種通風(fēng)模式下的傳導(dǎo)熱流密度

圖11 STPV-DSF三種通風(fēng)模式下的輻射熱流密度

根據(jù)測得的傳導(dǎo)熱流密度和輻射熱流密度的數(shù)值，帶入公式(1)，計算得到SHGC值平均為0.091左右，運(yùn)行模式對SHGC值無明顯影響.

2.1.4 發(fā)電功率

選取封閉模式及日間自然通風(fēng)模式進(jìn)行STPV-DSF冬季發(fā)電性能分析，如圖12所示.光伏組件從7∶00左右開始出現(xiàn)發(fā)電功率，10∶00～11∶30發(fā)電功率達(dá)到最高水平，11∶30后隨太陽輻射強(qiáng)度減弱發(fā)電功率急劇下降，16∶00左右發(fā)電結(jié)束.與前期測量的夏季發(fā)電性能相比，冬季發(fā)電時間明顯縮短，發(fā)電功率明顯下降，這是由于寒冷地區(qū)冬季光照時間短，太陽輻射強(qiáng)度弱，能夠激活光伏組件進(jìn)行發(fā)電的時間更短.實驗測得STPV-DSF封閉模式下日發(fā)電總量約24 W·h，日間自然通風(fēng)模式下日發(fā)電總量約54 W·h，遠(yuǎn)低于該實驗裝置測得的同地區(qū)夏季日發(fā)電總量(約160 W·h).通風(fēng)模式對發(fā)電功率有明顯影響，日間自然通風(fēng)模式下，由于空氣流通強(qiáng)化了換熱，外層皮溫度低于封閉模式，較低的運(yùn)行溫度更有利于提高發(fā)電功率.

圖12 STPV-DSF發(fā)電功率

2.2 冬季STPV-DSF(以τ=20%為例)及DSF傳熱特性對比

夏季STPV-DSF可降低室內(nèi)得熱及空調(diào)冷負(fù)荷，較DSF具有更大的節(jié)能潛力.由于冬季室內(nèi)得熱有利于降低供暖熱負(fù)荷，因此冬季STPV-DSF并不一定為最優(yōu)窗體.冬季影響室內(nèi)熱負(fù)荷的因素主要包括室內(nèi)得熱量、SHGC值、內(nèi)層皮溫度以及窗體的保溫性，以下以封閉模式為例對兩種窗體的性能進(jìn)行對比.

2.2.1 熱流密度及SHGC值對比

圖13為一日內(nèi)STPV-DSF及DSF熱流密度對比圖.

圖13 case1時STPV-DSF及DSF熱流密度

由圖可知，DSF輻射熱流密度峰值及傳導(dǎo)熱流密度峰值分別為133 W/m2、120 W/m2；STPV-DSF熱流密度值大幅度下降，輻射熱流密度峰值為39 W/m2，較DSF降低71%，傳導(dǎo)熱流密度峰值為18 W/m2，較DSF降低85%.這是因為在相同的室外太陽輻射下，STPV-DSF由于外層光伏玻璃大量吸收太陽輻射能量，致使透射進(jìn)入的太陽輻射熱流密度大幅度降低，而到達(dá)內(nèi)層皮的輻射熱流密度降低，致使內(nèi)層皮溫度降低，傳導(dǎo)熱流密度也相應(yīng)減少.根據(jù)測得的DSF傳導(dǎo)熱流密度和輻射熱流密度的數(shù)值，計算得到其SHGC值平均為0.396.已測得STPV-DSF的SHGC值平均為0.091，因此較DSF降低約77%.

2.2.2 內(nèi)外層皮溫度對比

圖14為STPV-DSF及DSF內(nèi)外層皮溫度對比圖.由圖可知，STPV-DSF外層皮溫度明顯高于DSF外層皮溫度，這是因為STPV-DSF外層皮光伏材料大量吸收太陽輻射能量，部分轉(zhuǎn)化為電能，部分被自身吸收使其溫度升高，而DSF外層皮為低吸收率、高透過率的普通玻璃，二者最大溫差可達(dá)15 ℃.而STPV-DSF內(nèi)層皮溫度低于DSF內(nèi)層皮溫度，DSF內(nèi)層皮最高溫度為24.6 ℃，STPV-DSF內(nèi)層皮最高溫度降低3.92 ℃.可見由于STPV-DSF透射進(jìn)入的太陽輻射熱流密度大幅度降低，致使內(nèi)層皮溫度降幅明顯.內(nèi)層皮溫度決定了內(nèi)層皮與室內(nèi)的對流換熱量和輻射換熱量，因此DSF更有利于室內(nèi)得熱.

圖14 case1時兩種窗體的玻璃表面溫度分布

2.2.3 導(dǎo)熱系數(shù)(U)對比

U值測量在夜間無太陽輻射時進(jìn)行，通過測量夜間的室內(nèi)外溫度、室內(nèi)向外的輻射熱損失及傳導(dǎo)熱損失，由公式(2)計算得STPV-DSF及DSF兩種窗體的平均U值分別為0.74 W/(m2·K)、0.81 W/(m2·K)，說明窗體透過率對U值有一定影響，但影響較小.STPV-DSF的U值略低，這是由于夜間室內(nèi)溫度高于室外溫度，室內(nèi)向室外輻射熱量，透過率較低的光伏外層皮阻礙了夜間室內(nèi)向室外的輻射換熱過程，保溫效果更優(yōu).兩種窗體的U值都遠(yuǎn)低于普通中空玻璃的傳熱系數(shù)約3 W/(m2·K)，說明雙層皮結(jié)構(gòu)冬季具有更好的保溫效果.

3 結(jié)論

(1)自然通風(fēng)對外層皮溫度影響較大，日間自然通風(fēng)模式外層皮溫度最低，與封閉模式最大溫差可達(dá)5.02 ℃.三種通風(fēng)模式下內(nèi)層皮溫度、傳導(dǎo)熱流密度和輻射熱流密度差異較小，說明通風(fēng)模式對室內(nèi)得熱量基本無影響.日間自然通風(fēng)模式下空腔最高溫度較封閉模式下降3.9 ℃，且10∶40～14∶00時間段Tca5高于20 ℃；中午自然通風(fēng)時空腔最高溫度基本不變，且通風(fēng)時間段Tca5均高于20 ℃.因此，合理選擇自然通風(fēng)時間可同時為室內(nèi)提供熱量和新風(fēng).另外，日間自然通風(fēng)模式由于外層皮溫度降低更有利于提高發(fā)電功率.綜上，冬季太陽輻射強(qiáng)度較高的正午時間利用自然通風(fēng)可行，有利于提高STPV-DSF的節(jié)能效果.

(2)光伏材料可改善雙層皮幕墻的保溫性能，STPV-DSF較DSF的導(dǎo)熱系數(shù)降低；但冬季室內(nèi)得熱量大幅度降低，封閉模式下STPV-DSF較DSF的輻射熱流密度峰值降低71%，傳導(dǎo)熱流密度峰值降低85%，SHGC值降低77%，內(nèi)層皮最高溫度降低3.92 ℃.由于STPV-DSF夏季具有較顯著的節(jié)能及發(fā)電功能，因此需結(jié)合全年節(jié)能總效果綜合考慮.