楊先亮，譚 昊

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，保定 071003)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟和社會的飛速發(fā)展，人們生活水平不斷提高的同時，對能源的需求也在逐漸加大。但與此同時，我國也存在著化石能源短缺且能源利用率較低等問題，而且在化石能源利用過程中，不可避免地會對環(huán)境造成一定污染。近年來，我國建筑行業(yè)的發(fā)展勢頭正盛，截至2018年，我國建筑能耗占全社會總能耗的比例已高達30%[1]，且該比例仍在不斷增大。因此，將可再生能源利用與建筑相結(jié)合將成為緩解建筑能源供應(yīng)壓力，實現(xiàn)建筑自我供電、供熱，達到建筑節(jié)能目的的有效舉措。

太陽能作為一種重要的可再生能源，具有取之不盡、用之不竭、分布廣泛、安全、清潔等優(yōu)勢。由于我國太陽能資源豐富，隨著近年來國內(nèi)太陽能利用技術(shù)的不斷完善，太陽能已具備大力開發(fā)和利用的優(yōu)越條件。為了達到建筑節(jié)能的效果，將光伏組件與建筑相結(jié)合的光伏建筑一體化(BIPV)系統(tǒng)應(yīng)運而生。在BIPV系統(tǒng)中，光伏組件不僅可以作為發(fā)電設(shè)備，還可以充當部分建筑外圍護結(jié)構(gòu)，使其在發(fā)電的同時還能為建筑節(jié)省傳統(tǒng)的建材，因此，BIPV系統(tǒng)在密集的城市建筑群中的應(yīng)用前景廣闊。

有研究表明，在運行過程中，光伏組件工作溫度每升高1 ℃，其光電轉(zhuǎn)換效率將下降0.5%左右[2]，因此光伏組件在發(fā)電的同時，對其進行冷卻變得尤為重要。在標準測試條件(STC)下，晶體硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率僅為12%～17%[3]，而此類光伏組件在實際運行過程中的光電轉(zhuǎn)換效率將會更低。這意味著光伏組件產(chǎn)生的80%以上的能量將會以熱的形式散失，若將這部分熱能直接排入環(huán)境中，勢必造成熱能的嚴重浪費，也會降低對太陽能的利用程度[4-5]。因此通常采用通水的方式來冷卻光伏組件，然后對冷卻過程中得到的熱水加以利用?；诖朔N方式形成了光伏光熱(PV/T)系統(tǒng)，而此種系統(tǒng)與建筑相結(jié)合則出現(xiàn)了早期的光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具有發(fā)電及作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)的功能，還能為建筑提供生活熱水或進行供暖。當前，BIPV/T系統(tǒng)因具有獨特的優(yōu)勢已逐漸受到關(guān)注，國內(nèi)外研究學者們紛紛開展了與其相關(guān)的研究和探索。

由于傳統(tǒng)的BIPV/T系統(tǒng)無法保證光熱轉(zhuǎn)換的連續(xù)進行，有研究學者提出將熱泵技術(shù)與BIPV/T系統(tǒng)相結(jié)合。本文通過對當前國內(nèi)外關(guān)于BIPV/T系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行分析后，針對當前建筑外圍護結(jié)構(gòu)中光伏可利用面積較大卻未被完全利用及陰雨天光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱供應(yīng)不足這一問題，提出了一種將BIPV/T系統(tǒng)與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合的耦合系統(tǒng)，即地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)。首先分析了該耦合系統(tǒng)的運行模式，然后以該耦合系統(tǒng)中單位面積的南向BIPV/T墻體為例，模擬分析了其表面溫度和得熱量。

由于篇幅有限，本文只對南向的BIPV/T墻體進行了模擬，而將地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于建筑的外墻和屋頂后，能更顯著地降低建筑冷熱負荷。

1 BIPV/T系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

早在1991年，Benemann等[6]就提出了光伏建筑一體化(BIPV)的概念，其主體思想是將光伏組件與建筑外圍護結(jié)構(gòu)相結(jié)合作為建筑表面，并利用光伏組件產(chǎn)生的電能為建筑供電，從而實現(xiàn)太陽能利用與建筑利用的一體化。而BIPV/T技術(shù)是在BIPV技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，BIPV/T技術(shù)增加了對光伏組件運行過程中的冷卻和對其產(chǎn)生的多余熱量的利用(即余熱利用)，現(xiàn)已成為各國競相發(fā)展的技術(shù)熱點[7-8]。

1.1 BIPV系統(tǒng)及BIPV/T系統(tǒng)對建筑冷熱負荷影響的研究

BIPV/T系統(tǒng)采用的是在建筑外墻(或屋頂)上集成光伏組件的模式，這種模式改變了原有建筑的普通外圍護結(jié)構(gòu)，使建筑的冷熱負荷發(fā)生了變化。為此，楊洪興等[9]建立了將光伏組件鋪設(shè)在建筑墻體(下文簡稱為“光伏墻體”)的傳熱模型，模擬了一面光伏墻體的得熱量，并與未鋪設(shè)光伏組件的普通墻體的得熱量進行了比較。結(jié)果表明：在夏季，光伏墻體能有效降低由于墻體得熱量升高而引起的空調(diào)冷負荷增加。但該研究并未給出具體的墻體得熱量和空調(diào)冷負荷降低比例。在此研究的基礎(chǔ)上，季杰等[10-13]深入研究了通水模式下的光伏熱水一體墻系統(tǒng)及通風模式下的光伏熱水一體墻系統(tǒng)。結(jié)果表明：在通風模式下，該系統(tǒng)中光伏墻體的得熱量可減少約20%；而在通水模式下，該系統(tǒng)中光伏墻體得熱量的減少量更是達到了50%。Mei等[14]對某光伏幕墻的熱性能進行了研究，建立了該光伏幕墻的動態(tài)熱模型，并根據(jù)所建立的動態(tài)熱模型對該光伏幕墻在不同地區(qū)應(yīng)用時的建筑冷熱負荷進行了估算，由于該系統(tǒng)對空氣的預熱作用，冬季時該系統(tǒng)最多可以節(jié)省12%的供暖能源。

相較于光伏墻體，光伏屋頂有著光伏組件易安裝、可利用面積大、能接收更多太陽輻射等優(yōu)勢，建筑的節(jié)能效果更為顯著。Yang等[15]研究了帶通風流道的光伏屋頂?shù)臒帷㈦娦阅?，研究結(jié)果表明：與普通屋頂相比，帶通風流道的光伏屋頂可使建筑的冷負荷減少達65%。Wang等[16]以天津地區(qū)為例，對帶通風流道、帶封閉通風流道和無通風流道的3種光伏屋頂與傳統(tǒng)屋頂?shù)男阅苓M行了比較。結(jié)果表明：帶通風流道的光伏屋頂具有光伏發(fā)電效率高和建筑冷負荷低的優(yōu)勢，尤其適合在夏季應(yīng)用；而在冬季，配置封閉通風流道的光伏屋頂具有建筑熱負荷低與光伏發(fā)電效率高的優(yōu)勢，是最佳選擇。Shao等[17]設(shè)計了一種新型PV/T屋頂，該屋頂在白天可以起到遮陽和減少表面熱源的作用，而在夜間又能對建筑起到保溫的作用。研究表明：該PV/T屋頂可使屋頂?shù)牡脽崃繙p少39.9%，使建筑冷熱負荷減少38.6%。該研究不僅可為PV/T屋頂?shù)臒峁ぴO(shè)計提供理論支持，而且可為BIPV/T系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供重要參考。

光伏組件與建筑的結(jié)合會對建筑的空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生不可避免的影響。秦紅等[18]針對BIPV建筑中空調(diào)的負荷特點及節(jié)能對策進行了分析，發(fā)現(xiàn)在BIPV系統(tǒng)中，光伏組件作為遮陽構(gòu)件阻擋了太陽直射光線對建筑墻體的照射，降低了墻體的得熱量，使建筑空調(diào)負荷的性質(zhì)和大小發(fā)生了變化，導致原有的建筑空調(diào)負荷計算方法不再適用。為簡化因計算光伏幕墻得熱量而增加的空調(diào)冷負荷計算步驟，朱磊[19]將光伏組件、空氣層、建筑墻體共同視為一面虛擬的“外墻”，即光伏幕墻，推導出了光伏幕墻中建筑墻體外表面處的室外空氣綜合溫度計算方法。Yang等[20]給出了通過光伏墻體來計算建筑冷負荷分量的簡便方法，設(shè)定了新傳熱系數(shù)和等效小時平均室外溫度的定義，且僅需知道這2個參數(shù)便能求解光伏墻體的傳熱過程，從而大幅簡化了建筑冷負荷分量的計算步驟。

綜上所述可知，研究學者們針對建筑冷熱負荷的相關(guān)計算方法的研究并不多，且大多數(shù)都僅是針對光伏墻體或光伏屋頂進行的研究，后續(xù)應(yīng)針對BIPV/T系統(tǒng)的傳熱機理，對其作用于建筑物時對建筑整體的節(jié)能效果進行分析。

1.2 冷卻方式對光伏組件電性能影響的研究

相關(guān)研究表明：光伏組件的電性能會隨著其工作溫度的升高而急劇下降。而對運行中的光伏組件進行工作溫度測量時，常以其背板溫度來表征其工作溫度。趙春江等[21]分析了環(huán)境溫度和太陽輻照度等因素對光伏組件背板溫度及光伏組件電性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：當環(huán)境溫度為40 ℃、太陽輻照度達到1000 W/m2時，光伏組件的背板溫度最高可達到55 ℃，此時，光伏組件的輸出電壓會下降13%，嚴重影響了光伏組件的電性能和使用壽命。因此，通過冷卻方式來降低光伏組件的工作溫度以提高其光電轉(zhuǎn)換效率的方式可能會成為國內(nèi)外學者研究的重點。其中，冷卻方式主要為空氣冷卻方式和水冷卻方式。

在空氣冷卻方式方面，Brinkeworth等[22]、Yang等[23]對背面采用自然通風方式的光伏組件的散熱情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)這種方式可使光伏組件的工作溫度降低20 ℃，使光伏組件的輸出功率提高8.3%；但由于該實驗是在室內(nèi)進行的，因此研究結(jié)果具有一定的局限性。黃護林等[24]研究了不同的通風流道間距和進出口間隙對BIPV系統(tǒng)中光伏組件自然通風冷卻效果的影響，結(jié)果表明：合理的通風設(shè)計能使光伏組件的工作溫度降低近20 ℃，光伏組件的輸出功率可提高約10%。Teo等[25]設(shè)計了一套光伏組件主動式降溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用鼓風機對光伏組件進行強制冷卻，可使光伏組件的工作溫度始終維持在30 ℃左右，其光電轉(zhuǎn)換效率可達到12.5%，而未進行冷卻的光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率僅為8%～9%。

相較于空氣冷卻方式，水冷卻方式具有換熱效果好、冷卻效果穩(wěn)定等優(yōu)勢。Krauter[26]設(shè)計了一種采用水膜層替代傳統(tǒng)光伏組件中玻璃層的方法。該方法為光伏組件降溫的同時，不僅能使整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量提高8%～9%，還能解決光伏組件在自然條件下長期使用時其表面積垢的問題。Wilson[27]介紹了一種應(yīng)用于光伏組件的重力冷卻技術(shù)，該技術(shù)以上游水源的水的壓力作為驅(qū)動力，將水傳送到光伏組件背面，從而對光伏組件進行冷卻，以保持光伏組件工作溫度的恒定。采用該重力冷卻技術(shù)可使光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率提高12.8%；雖然采用該技術(shù)的光伏冷卻系統(tǒng)不需要使用循環(huán)泵，但容易受到外界諸多不確定因素的影響。陳劍波等[28]對一種利用水對光伏組件表面進行降溫的冷卻方式進行了研究，并以光伏組件背板溫度作為其實際工作溫度建立了傳熱理論模型，實驗結(jié)果表明：該冷卻系統(tǒng)的最佳噴淋流量為0.9 m3/h，且水的噴淋溫度越低，光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率越高。

此外，隨著相關(guān)冷卻技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，研究學者們的研究不僅局限于空氣冷卻、水冷卻等傳統(tǒng)冷卻方式，輻射冷卻、蒸發(fā)冷卻、相變材料冷卻等冷卻方式也已逐漸進入研究人員的視野，成為新的研究方向。

1.3 BIPV系統(tǒng)及BIPV/T系統(tǒng)對余熱利用影響的研究

近年來，針對BIPV/T系統(tǒng)對光伏組件電性能影響的研究已趨于成熟，研究學者們開始逐步考慮在提高此類系統(tǒng)供電能力的同時加強其對光伏發(fā)電時產(chǎn)生的余熱的利用。

經(jīng)研究表明：BIPV/T系統(tǒng)比獨立的PV/T系統(tǒng)和獨立的太陽能集熱器具有更高的整體輸出功率[29-31]。Kalogirou等[32]對PV/T系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用進行了研究，提出可以將收集到的系統(tǒng)余熱用于住宅的冬季取暖，也可以用于加熱自來水后作為生活熱水供給家庭使用，同時還可以將余熱應(yīng)用于其他的工業(yè)或農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，如產(chǎn)品的烘干等。Pantic等[33]提出了一種采用空氣作為傳熱介質(zhì)的大型BIPV/T系統(tǒng)的建設(shè)方案，室外空氣流經(jīng)屋頂上安裝的光伏組件的背板后被加熱，然后這些熱空氣被氣泵帶入屋內(nèi)。這些熱空氣有3種利用方式：通過換熱器被貯水箱中的水吸收利用、排入室內(nèi)以加熱室內(nèi)空氣，以及貯存在地下的巖石層中。吳婷[34]研究了水冷型PV/T圍護結(jié)構(gòu)的傳熱特性，明確了在冬季和夏季時水冷型PV/T圍護結(jié)構(gòu)中冷卻水的最大進口溫度。該研究以北京地區(qū)為例，在滿足基本生活熱水需求的條件下，該地區(qū)冬季和夏季時水冷型PV/T圍護結(jié)構(gòu)中冷卻水的最大進口溫度分別為35 ℃和45 ℃。馮國會等[35]對一種耦合了空氣源熱泵系統(tǒng)的光伏幕墻的余熱利用潛力進行了分析，分析結(jié)果表明：該光伏幕墻中單位面積光伏組件的全年太陽能得熱量為48.1 kWh，因此余熱利用的潛能巨大。

上述文獻的研究結(jié)果均表明，BIPV/T系統(tǒng)能起到很好的建筑節(jié)能效果，并對提高建筑的熱電綜合利用效率具有積極作用。但現(xiàn)有的BIPV/T系統(tǒng)在陰雨天時仍會出現(xiàn)由于熱效率下降而引起的余熱不足等問題。

2 一種地源熱泵－BIPV/T耦合系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 地源熱泵－PV/T系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

基于傳統(tǒng)PV/T系統(tǒng)存在太陽能利用的間歇性，無法保證能量轉(zhuǎn)換連續(xù)進行的特點，國內(nèi)外研究學者萌生了將熱泵技術(shù)與PV/T系統(tǒng)相結(jié)合的想法，并對此進行了大量研究。

早在1997年，Ito等[36]就對安裝有光伏組件的太陽能熱泵(SAHP)系統(tǒng)進行了實驗研究，但研究僅針對光伏組件對SAHP系統(tǒng)中熱泵的性能的影響，而未考慮對SAHP整個系統(tǒng)在發(fā)電效率、熱電綜合效率等方面的影響。隨后，Bertram等[37]將一種無玻璃蓋板的PV/T集熱器與地源熱泵相結(jié)合，以PV/T集熱器作為附加熱源，并以德國某一棟別墅建筑為實例，運用TRNSYS軟件對該耦合系統(tǒng)進行系統(tǒng)仿真，以未進行冷卻的常規(guī)光伏組件作為參考，確定了無玻璃蓋板的PV/T集熱器與地源熱泵結(jié)合系統(tǒng)每年的額外發(fā)電量為4%。結(jié)果表明：以PV/T集熱器作為附加熱源不僅能提高該耦合系統(tǒng)的光伏發(fā)電效率，還能提升其中熱泵系統(tǒng)的性能。隨后，Xia等[38]提出了一種基于太陽能光伏集熱器-地源熱泵(GSHP-PV/T)系統(tǒng)模型的優(yōu)化控制策略，并以仿真的用于住宅的GSHP-PV/T系統(tǒng)為例，對其自適應(yīng)模型和優(yōu)化控制策略的性能進行了評價，最終得出結(jié)論：在整個冷卻、加熱和過渡期間，該優(yōu)化控制策略分別能使GSHP-PV/T系統(tǒng)的發(fā)電量增加4.4%、6.2%和5.1%。

王杰等[39]提出了一種PV/T與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，并分析了其工作原理。該系統(tǒng)在降低了光伏組件背板溫度的同時，不僅提高了PV/T與地源熱泵結(jié)合系統(tǒng)的熱能利用率，而且解決了太陽輻射量不足時單獨運行PV/T系統(tǒng)會出現(xiàn)的熱水供應(yīng)不足的問題。馬曉豐[40]、毛杭倩媛[41]和李洋等[42]都提出了將PV/T系統(tǒng)和地源熱泵技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于采暖及供電領(lǐng)域。根據(jù)不同時期太陽輻射強度的不同，此類耦合系統(tǒng)有不同的運行工況：在非采暖季，該耦合系統(tǒng)會將冷卻光伏組件之后的熱水與地埋管進行換熱，并將光伏發(fā)電時產(chǎn)生的余熱轉(zhuǎn)移至土壤儲存；在采暖季，該耦合系統(tǒng)則通過地源熱泵從土壤中取熱，為用戶供暖。此類耦合系統(tǒng)緩解了北方農(nóng)村偏遠地區(qū)用電及采暖困難的問題，為建筑的供電及采暖提供了新途徑，但該類耦合系統(tǒng)在采暖季并未對光伏組件進行冷卻處理。

綜上所述，地源熱泵-PV/T系統(tǒng)應(yīng)用于獨立建筑或農(nóng)村偏遠地區(qū)有其獨特優(yōu)勢，PV/T系統(tǒng)對光伏、光熱的利用緩解了建筑對用電和供暖的需求，而地源熱泵作為輔助加熱系統(tǒng)，能提高整個地源熱泵-PV/T系統(tǒng)的熱效率，以保證整個系統(tǒng)可以連續(xù)穩(wěn)定地運行。但當前地源熱泵-PV/T系統(tǒng)大都是將PV/T組件置于建筑屋面，導致建筑外墻的空間被浪費，因此，研究學者今后針對地源熱泵-PV/T系統(tǒng)的研究將致力于建筑外墻的有效利用。

2.2 地源熱泵－BIPV/T耦合系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1 地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)的運行原理

針對上述建筑外表面面積不能被有效利用及陰雨天光伏余熱不足的問題，本文提出了一種地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)，主要應(yīng)用于冬季熱負荷較大而夏季冷負荷較小的我國北方寒冷地區(qū)。該耦合系統(tǒng)是將PV/T組件緊密粘連在建筑的外墻和屋頂以形成BIPV/T組件，應(yīng)盡可能多的鋪設(shè)BIPV/T組件以便于最大程度地利用太陽能。該耦合系統(tǒng)主要由光伏組件、太陽能集熱器、集熱水箱、集水器、分水器、地埋管、地源熱泵機組、蓄熱水箱、水泵、閥門、溫度傳感器和用戶這幾部分構(gòu)成。

地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)的工序原理圖如圖1所示。

圖1 地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)的工序原理圖Fig.1 Process schematic diagram of ground source heat pump-BIPV/T coupling system

地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)由光伏光熱發(fā)電集熱系統(tǒng)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)、地源熱泵供暖系統(tǒng)這3大部分組成；其中，地源熱泵供暖系統(tǒng)由地埋管換熱部分、地源熱泵機組和蓄熱水箱組成；光伏光熱發(fā)電集熱系統(tǒng)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)均為常年運行，地源熱泵供暖系統(tǒng)主要在采暖季運行。該耦合系統(tǒng)設(shè)有多個閥門和水泵，是通過調(diào)節(jié)閥門和水泵的開閉狀態(tài)來實現(xiàn)對地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)運行模式的切換。

地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)在采暖季和非采暖季有不同的運行模式，以適應(yīng)不同季節(jié)的用戶需求。

在非采暖季(每年4～10月)時，由于太陽輻射量較大，PV/T組件(即圖1中的光伏組件和太陽能集熱器結(jié)合的部分)收集到的光伏余熱會很充足，該熱量既可向土壤補充熱量，又可向用戶供給生活熱水。此時，圖1中水泵10～12和閥門16～18、20開啟，其余水泵和閥門全部關(guān)閉；集熱水箱中的熱水循環(huán)流動，主要通過該熱水與地埋管之間進行換熱將熱量轉(zhuǎn)移至土壤儲存，余下部分供給用戶使用。

在采暖季(每年11～次年3月)時，水泵10～11和閥門16～17開啟，熱水供應(yīng)系統(tǒng)在整個采暖季連續(xù)運行，源源不斷向用戶提供熱水。而在地源熱泵供暖系統(tǒng)中，在用電低谷時段，一邊給用戶供暖，一邊向蓄熱水箱蓄熱；在用電高峰時段地源熱泵機組不工作，利用蓄熱水箱儲存的熱量直接為用戶供暖，從而可利用峰谷電價的差值來節(jié)省電費。因此，地源熱泵供暖系統(tǒng)有蓄熱模式、放熱模式和直接供暖模式這3種運行方式，具體運行情況如下。

1)蓄熱模式：在采暖季的用電低谷時段，利用低谷電價，地源熱泵機組一邊給用戶供暖，一邊將從土壤中取出的熱量蓄存在蓄熱水箱中。此時水泵13～14和閥門21～29、32～34開啟，其余水泵和閥門全部關(guān)閉。

2)放熱模式：在采暖季的用電高峰時段，為避開高峰電價，地源熱泵機組不工作，將用電低谷時段蓄存在蓄熱水箱中的熱量提取出來直接為用戶供暖。此時水泵15和閥門30～31、34開啟，其余水泵和閥門全部關(guān)閉。

3)直接供暖模式：在采暖季的用電平峰時段，以地埋管中的熱量單獨作為熱源，通過地源熱泵機組向用戶供暖。此時水泵13～15和閥門21～27、32～34開啟，其余水泵和閥門全部關(guān)閉。

2.2.2 地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)墻體的安裝原理

本文提出的地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)中，PV/T組件與建筑外墻結(jié)合后形成BIPV/T組件，不同構(gòu)件之間的整合方式如圖2所示。

圖2 地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)中BIPV/T組件的示意圖Fig.2 Schematic diagram of BIPV/T module in ground source heat pump-BIPV/T coupling system

同理，PV/T組件與建筑屋頂也可根據(jù)此種整合方式進行結(jié)合。該整合方式能提供更多的有效太陽能可利用面積，使建筑外表的表面積得到充分利用。這樣可在不額外占用土地的同時，使單位建筑面積可以鋪設(shè)更多的BIPV/T組件，以滿足建筑對電能和熱能的需求。

2.2.3 地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)中墻體的性能分析以張家口某一棟建筑為例，各選取夏季和冬季中的某一天對該建筑的南墻分別采用普通墻體和采用地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)時BIPV/T墻體的外表面溫度和得熱量進行了模擬。BIPV/T墻體外表面為圖2中墻體與保溫材料接觸的部分，普通墻體外表面為墻體與大氣接觸的部分。在夏季、冬季時BIPV/T墻體和普通墻體的外表面溫度變化情況如圖3所示。

圖3 夏季時2種墻體外表面的溫度變化情況Fig.3 Situation of temperature changes of two kinds of external surface of walls in summer

圖4 冬季時2種墻體外表面的溫度變化情況Fig.4 Situation of temperature changes of two kinds of external surface of walls in winter

由于墻體外表面的溫度受環(huán)境溫度和太陽輻射的共同影響，因此在1天內(nèi)這2種墻體外表面的溫度曲線均基本呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。但如圖3所示，在夏季時，白天BIPV/T墻體的外表面溫度明顯低于普通墻體的外表面溫度，這是由于地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)會對光伏組件進行通水冷卻。在圖4中，由于BIPV/T墻體中附加保溫材料的作用，使冬季時BIPV/T墻體的外表面溫度始終高于普通墻體的外表面溫度。

相應(yīng)的，通過模擬可以得到BIPV/T墻體和普通墻體外表面的得熱量情況，具體變化如圖5、圖6所示。

圖5 夏季時2種墻體外表面的得熱量變化情況Fig.5 Heat gain changes of two kinds of external surface of walls in summer

圖6 冬季時2種墻體外表面的得熱量變化情況Fig.6 Heat gain changes of two kinds of external surface of walls in winter

由圖5、圖6可以看出，BIPV/T墻體外表面的得熱量基本呈先上升、后下降的趨勢(夏季時曲線較平穩(wěn)是由于耦合系統(tǒng)對光伏組件進行通水冷卻導致的)，該變化趨勢與BIPV/T墻體外表面的溫度變化趨勢相似。在夏季時，BIPV/T墻體外表面1天的總得熱量為-0.026 kWh/m2，普通墻體外表面1天的總得熱量為0.001 kWh/m2，相較于普通墻體，BIPV/T墻體外表面的有效得熱量減少了0.027 kWh/m2，因此采用BIPV/T墻體時可減少空調(diào)的使用量。而在冬季時，BIPV/T墻體外表面和普通墻體外表面1天的總得熱量分別為-0.143 kWh/m2和-0.240 kWh/m2，則BIPV/T墻體外表面的得熱量比普通墻體外表面的得熱量增加了0.097 kWh/m2，說明BIPV/T墻體的保溫性好，可減少地源熱泵的使用量。

上述結(jié)論也證實了地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)中BIPV/T墻體具有顯著的節(jié)能效果。

3 展望

地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)能有效降低建筑冷熱負荷，且在光伏發(fā)電的同時還可有效利用光伏余熱，有助于使實現(xiàn)建筑對能源的自給自足，在我國北方寒冷地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。而針對地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)，研究學者今后需加強對以下幾方面的研究。

1)當前，研究學者們對BIPV/T系統(tǒng)中建筑冷熱負荷計算方法的研究還較少。但由于PV/T組件的存在增大了建筑外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱熱阻，進而對建筑冷熱負荷產(chǎn)生了影響，使原有的建筑冷熱負荷計算方法已不再適用。因此，應(yīng)根據(jù)BIPV/T圍護結(jié)構(gòu)具體的構(gòu)造方式建立全新的傳熱模型，找到一種通用的冷熱負荷計算方法，并確立BIPV/T圍護結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)。

2)將地源熱泵-BIPV/T系統(tǒng)應(yīng)用到各類建筑中，根據(jù)建筑使用功能的不同，有針對性的對回收的光伏余熱加以利用。

3)地源熱泵-BIPV/T系統(tǒng)是集發(fā)電和供熱為一體的系統(tǒng)，這種光伏、光熱、建筑與其他技術(shù)相結(jié)合的模式值得推廣和研究。后期研究人員可根據(jù)建筑對電能和熱能需求程度的不同，將BIPV/T技術(shù)與空調(diào)系統(tǒng)等耦合，對運行模式進行優(yōu)化，并致力于耦合系統(tǒng)的熱效率、電效率乃至熱電綜合效率的提高。

4 結(jié)論

本文從建筑冷熱負荷、光伏組件電性能和余熱利用這3個層面對當前BIPV/T系統(tǒng)的影響的研究進行了綜述分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種地源熱泵-BIPV/T耦合系統(tǒng)。該耦合系統(tǒng)可將夏季時光伏發(fā)電時產(chǎn)生的充足的余熱用于冬季采暖，這樣既可以降低光伏組件的工作溫度，又可以提高整個耦合系統(tǒng)的熱電綜合效率。