王 君，王矗垚，季 杰

BIPV/T技術(shù)在新徽派民居中的應(yīng)用探索*

王 君，王矗垚，季 杰?

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 熱科學(xué)和能源工程系，合肥 230027）

針對新徽派民居中存在的建筑能耗大、熱舒適性差及室內(nèi)空氣品質(zhì)低等問題，探索在保持建筑典型特點的前提下，將太陽能光伏光熱建筑一體化（BIPV/T）新技術(shù)和新方法在新徽派民居中綜合運用。文章主要基于作者團(tuán)隊最新的研究，探討了兼顧“黛瓦”的光伏瓦技術(shù)、兼顧“粉壁”的集熱?除甲醛多效墻體技術(shù)、兼顧“馬頭墻”的通風(fēng)?除菌殺毒多效太陽能煙囪技術(shù)、兼顧“青磚”的光伏裝飾技術(shù)、兼顧“門樓”的平板型PV/T技術(shù)、兼顧“花格窗”的碲化鎘光伏通風(fēng)窗技術(shù)在新徽派民居中應(yīng)用的可行性。通過一典型案例設(shè)計，基于Energyplus軟件對其全年發(fā)電量、熱水、室溫、房間冷熱負(fù)荷及通風(fēng)性能進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明，BIPV/T技術(shù)可以在發(fā)電的同時降低空調(diào)負(fù)荷、改善室內(nèi)環(huán)境，節(jié)能效果顯著。

太陽能光伏光熱建筑一體化（BIPV/T）；新徽派民居；建筑節(jié)能；室內(nèi)環(huán)境

0 引 言

眾所周知，建筑是太陽能利用的最佳載體，太陽能光伏光熱與建筑結(jié)合能夠極大程度地降低建筑能耗和改善室內(nèi)環(huán)境，是未來太陽能大面積推廣應(yīng)用的主要途徑。

太陽能光伏光熱建筑一體化（building integrated photovoltaic thermal, BIPV/T）技術(shù)自提出以來就成為國內(nèi)外研究的熱點問題之一，MAGHRABIE等[1]首先對BIPV/T系統(tǒng)的原理、應(yīng)用及現(xiàn)狀做了梳理；YU等[2]介紹了基于立面的7種BIPV/T系統(tǒng)的設(shè)計，得出其光電光熱性能對建筑采暖和制冷有著較大影響；BUONOMANO等[3]對應(yīng)用于住宅屋頂和立面的BIPV/T系統(tǒng)用TRNSYS模擬，得出冬季和夏季建筑被動式能源效應(yīng)，并進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化；IBRAHIM等[4]提出了一種由高效多晶硅光伏組件和螺旋流吸熱層組成的BIPV/T系統(tǒng)安裝在建筑向陽面，實驗表明系統(tǒng)一次節(jié)能效率達(dá)73%～81%；WAJS等[5]介紹了一種空氣冷卻型光伏瓦屋頂?shù)腂IPV/T系統(tǒng)，實驗得出可使屋蓋層溫度下降最大達(dá)6.3 K，總效率為32%；RAJORIA等[6]針對安裝在屋頂上的BIPV/T系統(tǒng)，對光伏瓦和半透明光伏陣列的電熱特性進(jìn)行對比，得出熱負(fù)荷與換氣次數(shù)的關(guān)系；MONGHASEMI等[7]提出了太陽能煙囪與土壤?空氣熱交換器耦合系統(tǒng)，能同時具備夏季制冷和冬季采暖功能，并對其進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。近年來一些新技術(shù)、新材料、新裝置應(yīng)運而生，不僅提高了太陽能利用效率，且具有多種功能。JI等[8-9]提出了一種多功能太陽能Trombe墻系統(tǒng)，能全年發(fā)電的同時，在夏季制熱水、增強(qiáng)通風(fēng)并在冬季采暖、除甲醛；HE等[10-11]提出了一種百葉型Trombe墻，研究了不同百葉角度對建筑能耗的影響，結(jié)果顯示其比傳統(tǒng)Trombe墻更節(jié)能；YU等[12-13]提出了一種具備集熱與除甲醛功能的Trombe墻系統(tǒng)，能在全年發(fā)電的同時凈化空氣，為室內(nèi)營造健康環(huán)境；HU等[14]提出了一種適用于屋頂?shù)耐咝涂諝饧療崞?，能在夏季制熱水并在冬季采暖；WANG等[15-16]提出了一種半透明碲化鎘電池的光伏通風(fēng)窗系統(tǒng)，可以在全年發(fā)電與采光的同時，具備夏季通風(fēng)和冬季采暖多功能。這些新進(jìn)展，拓展了太陽能建筑一體化研究和應(yīng)用的新途徑，進(jìn)一步實現(xiàn)了全年的太陽能高效利用。

新徽派民居作為地域建筑的杰出代表，在保留傳統(tǒng)建筑“粉壁黛瓦馬頭墻，青磚門樓花格窗”的典型特點的同時，進(jìn)行了一系列適宜當(dāng)代人使用的設(shè)計，但依舊存在夏熱冬冷造成建筑能耗持續(xù)升高，室內(nèi)潮濕封閉不利于人體健康等問題[17]。然而，當(dāng)下太陽能在新徽派民居中的應(yīng)用最多的只有傳統(tǒng)的獨立式真空管熱水器和平板集熱器，嚴(yán)重破壞建筑風(fēng)貌，且功能單一[2]。

因此，探討B(tài)IPV/T技術(shù)在影響深遠(yuǎn)的新徽派民居中的應(yīng)用，是降低建筑能耗、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要途徑，為實現(xiàn)太陽能建筑大規(guī)模應(yīng)用及創(chuàng)造健康舒適的室內(nèi)環(huán)境提供新的思路。

1 適宜新徽派民居的太陽能技術(shù)探索

隨著研究的不斷深入，BIPV/T系統(tǒng)憑借高可靠、低成本、多功能、高效率的特性將會大量運用在建筑中。新徽派民居具有鮮明的建筑風(fēng)格，如何在太陽能建筑一體化應(yīng)用中兼顧“粉壁”“黛瓦”“馬頭墻”“青磚”“門樓”“花格窗”的特點是值得探索的問題。在保持建筑典型特點的前提下，探討適宜新徽派民居的BIPV/T技術(shù)，主要包括以下幾個方面。

1.1 兼顧“黛瓦”的光伏瓦技術(shù)

光伏瓦技術(shù)主要是利用薄膜太陽能電池的柔性可彎曲、質(zhì)量輕、弱光性好、顏色可調(diào)、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點，將幾微米厚的柔性薄膜太陽能發(fā)電芯片封裝在曲面玻璃與高分子復(fù)合材料中，具有美觀、防水、隔熱的特點。比較典型的是我國漢能公司研發(fā)的銅銦鎵硒（copper indium gallium diselenide, CIGS）漢瓦[18]，將其與新徽派民居屋頂小青瓦形狀相結(jié)合，可形成新一代高轉(zhuǎn)化率光伏瓦屋面，最大程度上保留了徽派民居“黛瓦”的特征（如圖1）。然而，漢瓦只是具備發(fā)電功能，且曲面電池的性能隨入射角度變化有較大的差異，進(jìn)一步研究光伏瓦曲率、間距對光電性能的影響以及光伏光熱綜合利用極為必要。

1.2 兼顧“粉壁”的集熱?除甲醛多效墻體系統(tǒng)

集熱?除甲醛多效墻體系統(tǒng)是與建筑南墻一體化的集熱系統(tǒng)，不僅能降低室內(nèi)冷熱負(fù)荷，而且兼具產(chǎn)熱水、被動采暖、催化甲醛的多重功能[12,19]。結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次為玻璃蓋板、空氣夾層、背面涂有熱催化材料MnO-CeO2的肋管吸熱板、空氣流道、隔熱層、上下通風(fēng)口及可開啟絕熱塊、墻體，如圖2[20]。其中，熱催化甲醛是利用催化劑的氧化還原原理，當(dāng)催化劑達(dá)到啟動溫度時，晶格氧會揮發(fā)出來將甲醛降解為二氧化碳和水，空氣中的氧氣將補(bǔ)充到缺失的晶格氧，完成氧化還原[21]。系統(tǒng)在非采暖季，采用制熱水模式，關(guān)閉上下通風(fēng)口并開啟水閥，集熱器吸收太陽能制備熱水，同時減少了夏季由太陽輻射形成的室內(nèi)得熱，降低空調(diào)冷負(fù)荷；在采暖季，采用熱空氣被動采暖模式，將水閥關(guān)閉并打開上下通風(fēng)口，利用“熱虹吸效應(yīng)”實現(xiàn)被動采暖，降低了熱負(fù)荷，同時甲醛被熱催化降解，按功能需求實現(xiàn)了太陽能的全年利用[22]。此外，外層蓋板可采用白色鋼化玻璃，有效避免黑色選擇性涂層對白色墻壁的影響，保留了徽派民居“粉壁”的基本特征。

圖2 兼顧“粉壁”的集熱?除甲醛多效墻體系統(tǒng)：（a）熱水模式構(gòu)造圖；（b）熱空氣模式構(gòu)造圖；（c）外觀效果圖[20]

1.3 與“馬頭墻”一體化的通風(fēng)?除菌殺毒太陽能煙囪系統(tǒng)

通風(fēng)?除菌殺毒太陽能煙囪系統(tǒng)，是利用太陽能空氣集熱和熱除菌殺毒原理構(gòu)建，利用馬頭墻的高度優(yōu)勢，不僅可以增加室內(nèi)換氣次數(shù)以改善通風(fēng)效果，還可以實現(xiàn)除濕、降溫、排除有害氣體的多重功能。結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次為玻璃蓋板、空氣夾層、吸熱板、空氣流道及出風(fēng)口、隔熱層、進(jìn)風(fēng)口及墻體[23]（如圖3）。其中，熱除菌殺毒是利用細(xì)菌和病毒在高溫下失活的原理，主要與溫度和停留時間相關(guān)，停留時間越長，所需的失活溫度越低。Gauss-Eyring模型可以用來描述細(xì)菌熱失活率與溫度和停留時間的關(guān)系，而病毒在一定溫度下的失活過程可由一級動力學(xué)模型描述，其速率常數(shù)隨溫度的變化由阿倫尼烏斯公式給出[24]。當(dāng)集熱器吸收太陽能加熱空氣，在“煙囪效應(yīng)”的抽吸作用下實現(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)換氣，空氣中以氣溶膠形式存在的病菌暴露在高溫環(huán)境下迅速失活，并且溫度越高，失活速率越快[25]。此外，外層玻璃蓋板可以采用白色鋼化玻璃，與新徽派民居西側(cè)“馬頭墻”一體化，保持了原有建筑特征。

圖3 與“馬頭墻”一體化的通風(fēng)?除菌殺毒太陽能煙囪系統(tǒng)：（a）構(gòu)造圖；（b）外觀效果圖[23]

1.4 兼顧“青磚”的光伏組件技術(shù)

青磚型光伏組件技術(shù)，是采用特制的磚石玻璃外殼，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)青磚高度相似的外表，由我國英利能源科技集團(tuán)研發(fā)[26]。這種光伏組件將高效光伏硅電池封裝在雙層納米光學(xué)膜結(jié)構(gòu)材料之中，具有強(qiáng)度高、自重輕、耐腐蝕、易清潔、保溫隔熱性能優(yōu)良的優(yōu)點，不僅可以利用太陽能發(fā)電以降低常規(guī)建筑能耗，而且可以直接替代傳統(tǒng)青磚貼面，與建筑相和諧（如圖4）。新徽派民居延續(xù)了傳統(tǒng)建筑的黑白灰色調(diào)，外立面裝飾處如檐口、腰線、門窗外邊框、局部墻體等仍采用“青磚”構(gòu)造，光伏青磚組件可以因地制宜地替代南向青磚，保持與建筑的高度統(tǒng)一。

圖4 兼顧“青磚”的光伏裝飾技術(shù)：（a）構(gòu)造圖；（b）外觀效果圖[26]

1.5 兼顧“門樓”的平板型PV/T熱水系統(tǒng)

平板型PV/T熱水系統(tǒng)，是將光伏電池與太陽能平板吸熱板結(jié)合，在發(fā)電的同時制備熱水，達(dá)到能量梯級利用的目的，綜合效率更高且一機(jī)多能。結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次為玻璃蓋板、空氣夾層、帶有光伏的吸熱板、肋管流道、絕熱材料、背面蓋板以及相應(yīng)的連接管道、蓄熱水箱等組成，采用自然對流實現(xiàn)水的循環(huán)（如圖5）[27-29]。由于徽派民居對門樓十分重視，素有“千金門樓四兩屋”之稱，可將平板型PV/T系統(tǒng)傾斜放置在雨篷上，使之接收更多的太陽輻射從而光電光熱轉(zhuǎn)化率更高，同時很好地保留了新徽派民居“門樓”的重要特征。

1.6 兼顧“花格窗”的碲化鎘光伏通風(fēng)窗系統(tǒng)

碲化鎘（cadmium telluride, CdTe）光伏電池具有溫度系數(shù)低、弱光性好、高溫電性能更穩(wěn)定的特點，可按需設(shè)計成半透過電池，特別適宜建筑窗戶和幕墻的使用。采用碲化鎘光伏通風(fēng)窗不僅能利用窗戶發(fā)電，且能在夏季大大降低直接進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射，減少空調(diào)負(fù)荷和室內(nèi)眩光[15-16]，同時也解決了單層玻璃窗保溫隔熱性能較差、功能單一的問題。結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次為光伏玻璃及外側(cè)通風(fēng)口、空氣流道、單層玻璃及內(nèi)側(cè)通風(fēng)口（如圖6）[15-16]。在冬季，打開內(nèi)側(cè)通風(fēng)口并關(guān)閉外側(cè)通風(fēng)口，電池發(fā)電的同時流道內(nèi)空氣被加熱，在熱虹吸作用下實現(xiàn)室內(nèi)被動供暖，同時降低了電池溫度以增加其電效率；在夏季，將內(nèi)側(cè)通風(fēng)口關(guān)閉并打開外側(cè)通風(fēng)口，流道內(nèi)空氣與室外空氣形成外循環(huán)，光伏玻璃產(chǎn)生的余熱被帶到室外，在提高光伏電力輸出的同時，降低了室內(nèi)得熱。我國浙江龍焱公司已研發(fā)出圖案式碲化鎘玻璃窗[30]，通過激光切割技術(shù)得到需要的電池圖案，可生動地描繪出傳統(tǒng)木雕或格柵的形狀，再現(xiàn)了徽派民居“花格窗”的特征。

圖6 兼顧“花格窗”的碲化鎘（CdTe）光伏通風(fēng)窗系統(tǒng)：（a）構(gòu)造圖；（b）外觀效果圖；（c）實物圖[15-16]

2 新徽派民居BIPV/T方案設(shè)計

本文以一棟坐北朝南的新徽派民居為研究對象，在保持建筑典型特點的前提下，結(jié)合太陽能光伏光熱新技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)行太陽能光伏光熱建筑一體化方案設(shè)計（如圖7）。

2.1 建筑概況

建筑位于安徽省黃山市屯溪區(qū)，118.33°E，29.72°N，總建筑面積182.25 m2，為兩層半雙坡屋頂?shù)莫毩⑹阶≌u混結(jié)構(gòu)。民居面闊8.1 m，進(jìn)深8.7 m，層高3.3 m，屋頂起坡30°，東西山墻采用略高于屋面的馬頭山墻，高10.5 m。共有8個分區(qū)（如圖8）。

由于建筑處于夏熱冬冷地區(qū)，根據(jù)規(guī)范[31-32]墻體采用200 mm厚承重黏土多孔磚，外墻設(shè)有50 mm厚保溫材料模塑聚苯乙烯泡沫塑料；室內(nèi)墻體為100 mm厚輕質(zhì)隔墻；屋頂及樓地面均采用100 mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖7 建筑效果圖

圖8 各層平面圖

2.2 太陽能建筑一體化設(shè)計

基于經(jīng)濟(jì)性和電熱需求，考慮到屯溪地區(qū)東西向太陽輻射強(qiáng)度較低、日照時間較短，方案主要考慮在南向圍護(hù)結(jié)構(gòu)上采用BIPV/T新技術(shù)和西墻上采用太陽能煙囪技術(shù)，相關(guān)參數(shù)見表1。

建筑南向屋頂采用光伏黛瓦技術(shù)，直接覆蓋在南向坡屋面上，為避免馬頭墻對屋頂?shù)恼趽?，降低馬頭墻高度并退讓兩側(cè)山墻0.5 m鋪設(shè)光伏瓦。南向墻體一是采用集熱?除甲醛墻體；二是采用青磚型光伏組件，通過干掛法設(shè)置在外墻面，考慮到早晚可能的遮擋，只設(shè)在房間2和房間5部分南墻面；南向窗戶采用碲化鎘光伏通風(fēng)窗，兼顧“花格窗”虛實相間的特點及獲得更多的采光，利用電池的半透過性設(shè)計成需要的圖案；門樓采用PV/T熱水技術(shù)，傾斜45°設(shè)置在入口雨篷上，以獲得更多太陽輻射；南向平臺護(hù)欄同樣將電池設(shè)計成格柵的形狀，保持了原有建筑的典型特征；在西向馬頭山墻面上，采用通風(fēng)?除菌殺毒太陽能煙囪技術(shù)，對房間1、房間4、房間7室內(nèi)加強(qiáng)通風(fēng)。

表1 BIPV/T方案參數(shù)一覽表

3 能耗預(yù)測及結(jié)果分析

該建筑分別采用了兼顧“粉壁”“黛瓦”“馬頭墻”“青磚”“門樓”“花格窗”六種徽派民居特點的最新BIPV/T技術(shù)，通過Energyplus軟件模擬建筑全年發(fā)電量、室內(nèi)溫度變化、熱水性能、房間冷熱負(fù)荷差異、通風(fēng)換氣次數(shù)等。本次氣象參數(shù)采用中國安徽省黃山市屯溪區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)[33]，結(jié)果預(yù)測分析如下。

3.1 全年發(fā)電量

該建筑在南向屋頂、窗戶、護(hù)欄、門樓等處設(shè)計有多種光伏發(fā)電系統(tǒng)，分別對各系統(tǒng)的全年發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖9所示。

結(jié)果表明，該建筑全年發(fā)電總量5 367.079 kW?h，各發(fā)電系統(tǒng)電量有較大差異，這是由于采用了三種不同的光伏電池即單晶硅電池、銅銦鎵硒電池、碲化鎘電池，其效率不同、面積不同、安裝傾角不同，故發(fā)電比例呈現(xiàn)明顯差異。其中光伏瓦因面積最大且傾斜放置，發(fā)電最多。其次為平板型PV/T門樓，面積雖僅有3.90 m2，但由于采用光電效率最高的單晶硅電池并傾斜放置，依然有較高的發(fā)電比例，同時PV/T門樓還有產(chǎn)熱水功能。再次為光伏窗，由于上下通風(fēng)口不設(shè)光伏電池，窗身碲化鎘電池覆蓋率只有50%，實際發(fā)電面積僅6.76 m2，且垂直放置，發(fā)電量仍占比超過10%。同時，碲化鎘通風(fēng)窗還具有防止夏季過熱、冬季實現(xiàn)被動采暖等多種功能。此外，光伏青磚與格柵實際發(fā)電面積接近，均不足4 m2，考慮到采用了光電轉(zhuǎn)化率最高的單晶硅電池及垂直安裝角度，占比仍然可觀。

圖9 各部位全年發(fā)電量

3.2 全年熱水得熱

建筑全年生活熱水由南墻多效集熱器和門樓平板型PV/T產(chǎn)生。在非采暖季，全部多效集熱墻體和平板型PV/T同時產(chǎn)熱水；在采暖季，一樓和二樓四塊多效集熱墻體關(guān)閉水閥，三樓單塊多效集熱墻體和平板型PV/T同時產(chǎn)熱水。設(shè)定該民居住5人，按照24 h供熱水，每人用水定額為40 L/d[34]，熱水出口水溫分別設(shè)為45℃和60℃，水箱體積為500 L，初始溫度為當(dāng)?shù)刈詠硭疁囟?，?dāng)日水箱內(nèi)剩余熱水量延續(xù)到第二天使用，當(dāng)水溫不足設(shè)計溫度時，采用電能作為熱源或輔助熱源提升溫度。全年熱水性能包括逐月得熱量、熱水負(fù)荷和熱水保證率，預(yù)測結(jié)果如圖10所示。

由模擬結(jié)果可知，逐月平均得熱量均小于熱水負(fù)荷，冬季更加明顯，但全年仍降低了熱水負(fù)荷1170.95 kW?h。這是由于徽州地區(qū)全年多雨、冬季日照較差且熱水溫度設(shè)定為60℃，全年熱水保證率為65%。當(dāng)熱水溫度設(shè)定為出水口溫度45℃時，全年熱水保證率達(dá)到78%，逐月得熱量在冬季差距相對減少，夏季幾乎完全達(dá)到熱水負(fù)荷量，全年共降低熱水負(fù)荷490.15 kW?h。由此可知，系統(tǒng)基本可滿足全年熱水需求工作，并大大降低了常規(guī)能源使用。

圖10 熱水性能圖：（a）45℃全年保證率78%；（b）60℃全年保證率65%

圖11 房間1、2、4、5冬季、夏季有無BIPV/T溫度對比圖

3.3 全年室溫變化

由于BIPV/T不僅能提供高品質(zhì)電力，而且能改善室內(nèi)熱環(huán)境，針對主要南向使用房間分別采用了太陽能多效集熱器和光伏通風(fēng)窗，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能也發(fā)生了相應(yīng)的改變，從而影響了室內(nèi)熱環(huán)境。以房間1、2、4、5為例，在冬季和夏季有無BIPV/T設(shè)計的典型室內(nèi)溫度對比結(jié)果如圖11所示。

模擬結(jié)果表明，在夏季，有BIPV/T的房間溫度比無太陽能裝置的低2℃左右，這是由于照射到南墻的太陽輻射被集熱器大量吸收，制備熱水儲存，照射到南窗的太陽輻射被光伏電池吸收發(fā)電并通過自然對流排除余熱，從而大大減少了室內(nèi)得熱；在冬季，有BIPV/T房間溫度明顯高于無太陽能裝置的對比間溫度，最大溫差可達(dá)5～6℃，這是由于集熱器和光伏通風(fēng)窗同時開啟空氣制熱模式實現(xiàn)被動采暖。由此可知，太陽能多效集熱器和光伏通風(fēng)窗的采用，能很好地改善夏季室內(nèi)過熱和在冬季實現(xiàn)房間被動采暖。當(dāng)然，室內(nèi)熱環(huán)境的改善與太陽能集熱面積、房間體積、空間密閉性緊密相關(guān)，集熱面積越大、房間體積越小、空間密閉性越好其改善效果越好。

3.4 全年冷熱負(fù)荷

作為皖南新徽派民居，按照使用人員的行為習(xí)慣，設(shè)定空調(diào)制熱月份為12月、1月、2月、3月，冬季白天溫度為22℃，夜晚溫度18℃，空調(diào)開啟時間為中午10:30-13:30，17:30至次日7:30；空調(diào)制冷月份為6月、7月、8月、9月，夏季白天溫度為26℃，夜晚28℃，空調(diào)開啟時間為中午10:30-13:30，17:30至次日7:30。以房間1、2、4、5為例，預(yù)測有無BIPV/T設(shè)計的空調(diào)房間冬夏季冷熱負(fù)荷比較如圖12所示。

圖12 房間1、2、4、5有無BIPV/T冷熱負(fù)荷對比圖

由模擬結(jié)果可知，夏季BIPV/T設(shè)計房間共降低冷負(fù)荷766.74 kW?h，占全年空調(diào)負(fù)荷的20.4%，冬季BIPV/T設(shè)計房間共降低熱負(fù)荷559.06 kW?h，占全年空調(diào)負(fù)荷的18.3%，全年節(jié)能總量達(dá)1 325.80 kW?h，占全年空調(diào)總負(fù)荷的38.7%。這表明該案例設(shè)計可以大大降低建筑能耗，但有無BIPV/T設(shè)計的各房間在不同季節(jié)的冷熱負(fù)荷變化差異較大。這是由于各個房間大小、方位、層樓不同，墻體厚度、構(gòu)造、墻上門窗洞口尺寸及BIPV/T設(shè)計參數(shù)不同，此外，日常使用中需考慮風(fēng)滲透、材料保溫隔熱性能等造成的能量流失。

3.5 全年太陽能煙囪通風(fēng)

該民居西向馬頭墻體設(shè)計有太陽能煙囪，可加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)換氣，流道尺寸為0.1 m × 0.7 m × 9.9 m，分別與房間1、4、7相連。以房間1、4為例，全年換氣量和出口溫度的模擬結(jié)果如圖13所示。

根據(jù)規(guī)范[31]，冬季采暖室內(nèi)設(shè)計溫度應(yīng)取18℃，換氣次數(shù)應(yīng)取1.0次/h，夏季空調(diào)制冷室內(nèi)溫度應(yīng)取26℃，換氣次數(shù)應(yīng)取1.0次/h。由模擬結(jié)果可知，房間4換氣次數(shù)基本維持在1～4次/h之間，房間1換氣次數(shù)基本維持在4～14次/h之間，室內(nèi)換氣次數(shù)明顯增加。同時，太陽能煙囪的出口溫度較高，夏季最高可以達(dá)到約80℃，而細(xì)菌和病毒在40℃左右時開始失活，且溫度越高失活速度越快[19]，因此太陽能煙囪的設(shè)計可以幫助排除廢氣、營造健康舒適的室內(nèi)環(huán)境。

4 結(jié) 論

在保持新徽派民居典型特點的前提下，將新型BIPV/T技術(shù)與屋頂、窗戶、墻體等構(gòu)造相結(jié)合，具備發(fā)電、供熱水、采暖、冷卻、除菌、殺毒、除甲醛等多種功能，不僅能夠大大降低建筑能耗，而且能提高室內(nèi)環(huán)境舒適度和健康性，同時外觀上與環(huán)境和諧，更具現(xiàn)代美感，值得進(jìn)一步研究和探索。

首先，在新徽派民居坡屋面中采用光伏瓦技術(shù)，不僅傳承了傳統(tǒng)“黛瓦”的特點，與環(huán)境協(xié)調(diào)性更好，而且是建筑光伏發(fā)電的最佳位置，因為傾斜屋面能使光伏瓦全年產(chǎn)生最多電力。但鑒于東西馬頭墻的遮擋，在設(shè)計時需降低馬頭墻高度并退讓兩側(cè)馬頭墻體一定距離。

其次，在新徽派民居玻璃窗中應(yīng)用碲化鎘光伏通風(fēng)窗技術(shù)，不僅傳承了傳統(tǒng)“花格窗”的特點，且全年發(fā)電，并在夏季大大減少了太陽直射造成的室內(nèi)過熱和負(fù)荷增加，在冬季實現(xiàn)了被動采暖和減少室內(nèi)采暖負(fù)荷，同時，可通過調(diào)整適宜的電池覆蓋率避免眩光，提高了采光舒適性。

再者，在新徽派民居立面采用集熱?除甲醛多效墻體技術(shù)，不僅傳承了傳統(tǒng)“粉壁”的特點，而且在夏季大大減少了墻體傳熱形成的負(fù)荷，同時獲得熱水，在冬季利用Trombe墻原理實現(xiàn)被動采暖，大大提高了太陽能的全年利用率。此外，系統(tǒng)根據(jù)熱催化原理實現(xiàn)了室內(nèi)空氣的凈化，使得新徽派建筑真正成為節(jié)能與健康建筑。

最后，在新徽派民居西山墻采用通風(fēng)?除菌殺毒太陽能煙囪技術(shù)，不僅保留了傳統(tǒng)“馬頭墻”的特點，而且充分利用墻體高度優(yōu)勢產(chǎn)生的“煙囪效應(yīng)”對空氣的抽吸作用，解決了夏季室內(nèi)過熱，同時增加了室內(nèi)通風(fēng)換氣，不斷向房間輸送新鮮空氣，對除菌殺毒是一種可行的解決方案。

本文雖然針對的是新徽派民居的BIPV/T探索，但其中的新原理、新技術(shù)、新方法對于其他地域建筑的太陽能建筑一體化設(shè)計，同樣具有一定的借鑒和參考意義，可促進(jìn)地域建筑的傳承與創(chuàng)新。

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Investigation on the Application of BIPV/T Technology in New Hui-Style Residential Buildings

WANG Jun, WANG Chu-yao, JI Jie

(Department of Thermal Science and Energy Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

Many issues were found in new Hui-style residential buildings such as high energy consumption, poor thermal comfort and low indoor air quality. The present work explored new methodologies of BIPV/T integrated with new Hui-style residential buildings on premise of maintaining the typical characteristics of them. This review provided feasibility study based on new advances achieved by author’s team, including solar tiles combined with ‘Black Tile’, heat-collecting and formaldehyde-removing wall combined with ‘Powder Wall’, ventilate-sterilization and antivirus solar chimney combined with ‘Horsehead Wall’, PV structure combined with ‘Blue Brick’, flat PV/T combined with ‘Gateway’ and cadmium telluride PV ventilator combined with ‘Lattice Window’. A case study referred to a residential building was presented, the annual power generation, hot water, indoor temperature, room cooling/heating load and ventilation of the building were simulated by means of EnergyPlus. Results showed that, while BIPV/T generates electricity, the indoor thermal environment was well improved and energy consumption was effectively saved at the same time.

building integrated photovoltaic thermal (BIPV/T); new Hui-style residential building; building energy efficiency; indoor environment

TK51

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.04.006

2095-560X（2021）04-0300-11

2021-03-17

2021-05-16

國家自然科學(xué)基金項目（51878636）；安徽省重點研發(fā)項目（201904a07020014）

季 杰，E-mail：jijie@ustc.edu.cn

王 君（1991-），女，博士研究生，主要從事地域建筑設(shè)計、太陽能建筑一體化和建筑節(jié)能研究。

季 杰（1963-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事太陽能光電光熱利用、熱泵空調(diào)及建筑節(jié)能等方面的理論與應(yīng)用研究。