秦繼恒 史珂 秦文軍 湯洋

國(guó)家能源集團(tuán)綠色能源與建筑研究中心

0 引言

1986 年，世界能源組織最先提出光伏建筑一體化的概念，即BIPV(Building Integrated photovoltaic）。它利用光伏發(fā)電組件代替建筑物的某一構(gòu)件，將建筑，發(fā)電和美學(xué)有機(jī)結(jié)合，將光伏整列布設(shè)在建筑物外表面，從而產(chǎn)生電力[1]。該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：直接對(duì)負(fù)載供電，降低了電網(wǎng)架設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，避免了由電網(wǎng)傳輸帶來(lái)的電力損耗。避免了放置光電陣板額外占用的空間?？梢允∪ソㄖo(hù)結(jié)構(gòu)的部分費(fèi)用。與建筑結(jié)構(gòu)合二為一，可以省去單獨(dú)為光電設(shè)備提供的支撐結(jié)構(gòu)等。由于光伏建筑一體化建筑具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，并且隨著光伏組件發(fā)電效率的提高及成本的降低，目前，北京、天津、上海、重慶等 31 地均發(fā)布與BIPV 未來(lái) 3～5 年相關(guān)政策，其中 13 地明確建設(shè)BIPV 建筑是有補(bǔ)貼的，隨著政策的落實(shí)，BIPV 建筑會(huì)迎來(lái)一個(gè)高速發(fā)展期。

BIPV 建筑在發(fā)電的同時(shí)光伏組件的溫度會(huì)升高，而光伏電池的效率會(huì)隨電池溫度的提高而降低[2]。BIPV 建筑的散熱方式可以分為開(kāi)縫、自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)等三種形式，本文利用 EnergyPlus 和 Fluent 兩種軟件對(duì)這三種散熱形式對(duì)BIPV 建筑采暖能耗、制冷能耗、發(fā)電量的影響做了詳細(xì)的模擬分析，為 BIPV 建筑在散熱方式的設(shè)計(jì)及選擇提供參考。

1 工程案例介紹

BIPV 控制中心位于北京市昌平區(qū)未來(lái)科學(xué)城國(guó)家能源集團(tuán)科技創(chuàng)新園區(qū)內(nèi)，占地面積 735.1 m2，建筑面積1222.2 m2，建筑高度（含女兒墻）8 .81 m（不含光伏塔）。在建筑東、西、南三個(gè)朝向設(shè)置光伏幕墻、并在屋面安裝光伏板，充分利用太陽(yáng)能為建筑供能，共安裝尺寸為600 mm 塔）。在建筑東的CIGS 薄膜光伏組件865 塊（不含光伏塔）。與此同時(shí)，為降低光伏組件運(yùn)行溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率。既在建筑底部和頂部安裝了電動(dòng)百葉實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，又在光伏幕墻后設(shè)置機(jī)械通風(fēng)通道，可用機(jī)械通風(fēng)的方式帶走光伏余熱。同時(shí)將光伏組件的余熱加以利用，一部分通過(guò)新風(fēng)機(jī)組直接送到室內(nèi)實(shí)現(xiàn)余熱直接利用，另一部分送到多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)和熱泵熱水機(jī)組室外機(jī)的吸熱側(cè)，用以提升多聯(lián)機(jī)/熱水機(jī)組的性能，實(shí)現(xiàn)光伏余熱間接利用。采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)作為建筑的冷熱源，控制中心實(shí)景見(jiàn)圖1。

圖1 BIPV 控制中心實(shí)景圖

2 模擬分析介紹

2.1 模擬方法及流程

該項(xiàng)目主要采用能耗模擬軟件 Energy-plus 與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件 Fluent 耦合模擬方法，對(duì)光伏幕墻取熱的節(jié)能特性進(jìn)行分析。如圖 2 所示，采用Energyplus 與Fluent 相耦合的方法進(jìn)行模擬分折。其中，由于 Energyplus 在模擬氣流組織換熱方面具有一定的局限性，為了提高模擬結(jié)果的可靠性，通過(guò)選取典型工況下Energyplus 的模擬結(jié)果作為Fluent 軟件的模擬邊界條件，采用有限體積法模擬分析機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)空氣的溫度變化以及取熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。

圖2 模擬方法流程示意圖

2.2 模擬工作內(nèi)容

本文模擬工作主要包括如下部分：

1）建立常規(guī)幕墻建筑物理模型，模擬全年動(dòng)態(tài)建筑冷、熱負(fù)荷及采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)能耗。

2）建立密閉空腔的光伏幕墻建筑物理模型，模擬全年動(dòng)態(tài)建筑冷、熱負(fù)荷，光伏發(fā)電量及多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)能耗。

3）建立帶通風(fēng)流道的空腔光伏幕墻建筑物理模型，并分別模擬自然通風(fēng)及機(jī)械通風(fēng)工況下全年動(dòng)態(tài)建筑冷、熱負(fù)荷，光伏發(fā)電量以及采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)能耗。

4）對(duì)不同模擬工況下的模擬結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。

5）對(duì)帶空腔光伏幕墻建筑的空氣流道設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化模擬。

2.3 模塊及模塊設(shè)置

本文比較建筑外墻無(wú)光伏板、有光伏板自然通風(fēng)、有光伏板速度分別為 0.5 m/s、1 m/s 的機(jī)械通風(fēng) 4 種工況下的建筑能耗與光伏發(fā)電量，主要用到了以下的模塊。

1）傳熱模塊：基于熱平衡的求解，使得每次計(jì)算都能對(duì)建筑內(nèi)表面和外表面的輻射和對(duì)流進(jìn)行精確計(jì)算，且屋頂、墻體和樓板等導(dǎo)熱過(guò)程時(shí)采用的是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程。其中，室外與室內(nèi)熱平衡控制示意圖如圖3、4 所示，室外與室內(nèi)熱平衡公式具體如式（1）與式（2）所示。

圖3 室外熱平衡控制圖

圖4 室內(nèi)熱平衡控制圖

式中：qasol為吸收的直接和漫射太陽(yáng)（短波）輻射熱流；q LWR為與空氣和周?chē)h(huán)境的凈長(zhǎng)波輻射熱量交換；q conv為與外界空氣的對(duì)流交換；qko為傳導(dǎo)到墻壁的熱通量。q LWX為區(qū)域表面之間的凈長(zhǎng)波輻射交換通量。q SW為到表面的凈短波輻射通量；為來(lái)自qLWS為區(qū)域內(nèi)部設(shè)備的長(zhǎng)波輻射通量；q ki為通過(guò)墻壁的導(dǎo)熱通量；qsol為被表面吸收的透射太陽(yáng)輻射通量；qcon為區(qū)域空氣的對(duì)流換熱量。

2）能耗模塊：采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建筑全年動(dòng)態(tài)能耗計(jì)算。

3）自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)模塊：在 EnergyPlus 中通風(fēng)有兩種方式，對(duì)于機(jī)械通風(fēng)式幕墻利用EnergyPluszi自帶 Airflow-window 計(jì)算模塊模擬不同氣流流向的雙層幕墻建筑傳熱特性，同時(shí)可通過(guò)定義流量與時(shí)間來(lái)控制空腔中氣流流量。對(duì)于自然通風(fēng)系統(tǒng)，空腔被作為一個(gè)獨(dú)立的分區(qū)與室內(nèi)區(qū)域相鄰，即在建立通風(fēng)系統(tǒng)建筑時(shí)需要建立兩個(gè)區(qū)域，對(duì)空腔中自然通風(fēng)采用與EnergyPlus 鏈接的氣流網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行模擬計(jì)算。

氣流網(wǎng)絡(luò)模型將空腔與室內(nèi)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行由風(fēng)壓和熱壓造成的氣流流動(dòng)和傳熱問(wèn)題。其在對(duì)區(qū)域內(nèi)相互聯(lián)系的兩節(jié)點(diǎn)間的壓力分布與其氣流組織計(jì)算如下：

式中：ΔP為節(jié)點(diǎn)n和m之間的壓力差，P a；Ps n，Ps m為節(jié)點(diǎn)n和m處的靜壓，P a；Vn和V m為節(jié)點(diǎn)n和m處的空氣流速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；z n和z m為節(jié)點(diǎn)n和m的高度，m 。

在考慮室外風(fēng)壓后，式（3）可寫(xiě)為式（4）

Pn和Pm為n和m處的全壓；Ps為密度差和高度差引起的壓力差，P a；Pw為風(fēng)壓引起的壓力差，P a。

對(duì)于機(jī)械通風(fēng)來(lái)說(shuō)，采用式（5）與式（6）計(jì)算：

式中：Tg ap為空腔平均溫度，K ；hgap為玻璃與空腔空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2· / K)。

4）光伏模塊：采用 Energyplus 中的 Sandia 光伏陣列模擬模型，而建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷則采用 heat transfer模型模擬。

根據(jù)建筑幾何參數(shù)信息，建立建筑與光伏幕墻幾何模型，如圖 5 所示，部分設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1：

圖5 建筑及光伏幕墻幾何模型圖

表1 建筑熱工參數(shù)設(shè)置

2.4 Fluent 模擬設(shè)置

1）邊界條件設(shè)置

空腔截面示意圖如圖6 所示，左側(cè)固體部分為墻體，右側(cè)流體部分為空腔，墻體內(nèi)壁面設(shè)置為定壁溫邊界，冬季壁溫 20 ℃，夏季壁溫 24 ℃，墻體外壁面設(shè)置為流固耦合邊界，空腔下部為流體入口，采用速度入口邊界，上部為流體出口，采用自由出流邊界?？諝馇挥覀?cè)為PV 板，設(shè)置定熱流邊界，其余壁面則采用絕熱邊界。

圖6 空腔截面示意圖

2）模擬算法

本文的模擬控制方程求解均采用雙精度的隱性計(jì)算器，速度和壓力的耦合計(jì)算采用SIMPLE 算法，壓力離散方式采用 Body-Force Weighted，k方程，ε方程和速度方程中的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)離散格式。松弛因子按照軟件的默認(rèn)設(shè)置，除能量方程和輻射方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10-6外，其余各方程的殘差收斂值均設(shè)置為10-3。

3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)幾何模型及邊界條件的輸入及設(shè)置，模擬得到不同散熱方式下建筑能耗見(jiàn)表2 所示：采暖和制冷能耗均為全年能耗，發(fā)電量為BIPV 建筑（包含屋面上的光伏板）全年發(fā)電量，而凈能耗為建筑總能耗與光伏系統(tǒng)發(fā)電量的差值。

表2 不同散熱方式下建筑能耗模擬結(jié)果匯總

根據(jù) BIPV 控制中心運(yùn)行半年多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：晴天時(shí)建筑發(fā)電量約為260 kWh，和模擬結(jié)果比較吻合。初冬和初夏時(shí)光伏系統(tǒng)發(fā)電量滿(mǎn)足多聯(lián)機(jī)用電需求，和模擬結(jié)果也比較吻合，說(shuō)明幾何模型及邊界條件的輸入及設(shè)置是合理的。

從表 2 可知：在建筑發(fā)電量方面，隨著風(fēng)速的增大，發(fā)電量也不斷增大，與密閉形式相比，開(kāi)縫、自然通風(fēng)、0.5 m/s、1 m/s 的機(jī)械通風(fēng)全年發(fā)電量分別增加了2.08%、5.85%、6.63%、8.58%，開(kāi)縫方式散熱性能差，發(fā)電量提升也最小。與玻璃幕墻建筑相比，B IPV 建筑在密閉、開(kāi)縫、自然通風(fēng)、0.5 m/s 與1 m/s 機(jī)械通風(fēng)、冬季密閉 +夏季自然通風(fēng)狀態(tài)下全年能耗分別降低了27.7%、25.6%、23.8%、21.6%、20.5%與 29.2%，對(duì)于BIPV 建筑，冬季密閉+夏季自然通風(fēng)全年能耗降低最多，能耗最低，因此對(duì)于設(shè)置自然通風(fēng)措施的 BIPV建筑，采取合理運(yùn)行措施，可以達(dá)到降低建筑能耗的目的。

從建筑凈能耗看，冬季密閉 +夏季自然通風(fēng)的運(yùn)行模式最優(yōu)，其次是全年自然通風(fēng)模式，由于空調(diào)系統(tǒng)只在工作時(shí)間運(yùn)行，BIPV 建筑在供自身采暖與制冷系統(tǒng)消耗后仍有富裕電量，可供照明及辦公設(shè)備使用。

4 結(jié)論及建議

1）本文采用 EnergyPlus 和 Fluent 軟件耦合模擬的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)BIPV 建筑采暖能耗，制冷能耗及年發(fā)電量的模擬分析，且模擬結(jié)果和建筑實(shí)際能耗數(shù)據(jù)比較吻合。

2）冬季密閉 +夏季自然通風(fēng)運(yùn)行模式建筑全年能耗最低，機(jī)械通風(fēng) 1 m/s 全年能耗最高，開(kāi)縫、自然通風(fēng)散熱方式位于兩者之間。機(jī)械通風(fēng)1 m/s 是光伏系統(tǒng)發(fā)電量最大，密閉光伏墻體的發(fā)電量最小，說(shuō)明光伏組件溫升對(duì)發(fā)電量的影響較大。

3）冬季密閉+夏季自然通風(fēng)建筑凈能耗最低，夏季自然通風(fēng)在提高發(fā)電量方面收益明顯，在有條件的情況下，BIPV 建筑建議設(shè)置自然通風(fēng)措施。

4）BIPV 建筑與玻璃幕墻建筑和普通外墻建筑相比，BIPV 不僅是能源的消耗者，也是能源的生產(chǎn)者，其凈能耗為負(fù)值，隨著B(niǎo)IPV 建筑造價(jià)的降低及補(bǔ)貼政策的出臺(tái)，BIPV 建筑會(huì)越來(lái)越具有經(jīng)濟(jì)性。