秦繼恒 史珂 秦文軍 湯洋

國家能源集團綠色能源與建筑研究中心

0 引言

光伏建筑一體化（BIPV，Building Integrated PV(Photovoltaic)）是一種將太陽能發(fā)電（光伏）產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。光伏組件在接收太陽輻射發(fā)電的同時，大部分光能（80%左右）未能轉(zhuǎn)換為有用能量，且相當(dāng)部分轉(zhuǎn)換為熱能，并使光伏組件溫度升高，光伏組件溫度的升高不但影響光電轉(zhuǎn)換效率，還增加夏季室內(nèi)冷負(fù)荷[1]。如果在光伏組件背面設(shè)置降溫通道，由吸熱介質(zhì)將熱量帶走，就能提高發(fā)電效率[2]，K ern 和Russell[3]提出太陽能光伏光熱綜合利用（PV/Tl）的概念，根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同分為空冷和水冷，水冷的冷卻效果優(yōu)于空氣，但需要一個水道的循環(huán)系統(tǒng)，其裝置比較復(fù)雜，與BIPV 建筑結(jié)合比較困難，本文介紹的建筑采用了空冷型 PV/T 與建筑相結(jié)合，既滿足建筑夏季和過渡季光伏組件的散熱需求，又在冬季把降溫通道（空腔）內(nèi)的熱空氣送到地板下的蓄熱混凝土中，實現(xiàn)光伏余熱的直接熱利用，為BIPV 建筑在光伏余熱直接熱利用系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

1 工程案例介紹

BIPV 控制中心位于北京市昌平區(qū)未來科學(xué)城國家能源集團科技創(chuàng)新園區(qū)內(nèi)，占地面積 750.78 m2，建筑局部二層，建筑高度 8.81 m（光伏塔18.57 m）。在建筑東、西、南三個朝向設(shè)置光伏幕墻、并在屋面安裝光伏板，充分利用太陽能為建筑供能，共安裝尺寸為600 mm× 1200 mm 的CIGS 薄膜光伏組件 1160 塊，控制中心實景圖見圖1。

圖1 BIPV 控制中心實景圖

以BIPV 控制中心南墻為例，介紹空冷型PV/T 的結(jié)構(gòu)組成，南側(cè)外墻（入口除外）為光伏組件（4+0.75EVB+3）+玻璃幕墻（6+12A+6+12A+6）結(jié)構(gòu)，兩者中間為厚度 310 mm 的空腔，共同組成空冷型PV/T 的主體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。在建筑底部和頂部安裝電動百葉，通過電動百葉不同的開關(guān)模式，實現(xiàn)光伏組件夏季和過渡季散熱及冬季保溫的需求[4]。位于BIPV 控制中心二層的光伏余熱利用的蓄熱混凝土系統(tǒng)，把空冷型 PV/T 與排風(fēng)機 RLY-03、蓄熱混凝土相結(jié)合，夏季和過渡季底部和頂部的電動百葉均開啟，空腔熱空氣排到室外達到散熱目的。冬季電動百葉均關(guān)閉，當(dāng)空腔溫度達到設(shè)定值時，R LY-03 開啟，空腔中的熱空氣送至房間地板下的蓄熱混凝土中，和蓄熱混凝土換熱降溫后回到空腔中吸收光伏余熱升溫，蓄熱混凝土白天蓄熱溫度升高，晚上再把白天蓄的熱量緩慢釋放出來，為室內(nèi)供暖，達到全天為室內(nèi)供暖的目的。該系統(tǒng)既降低了光伏組件表面溫度，又利用熱空氣為室內(nèi)全天供暖，節(jié)省了采暖能耗，實現(xiàn)了光伏余熱利用方式的創(chuàng)新。

圖2 空冷型PV/T 組成示意圖

在蓄熱混凝土中設(shè)置送風(fēng)、回風(fēng)靜壓箱分別與送風(fēng)管和回風(fēng)管相連，在靜壓箱中間布置兩層直徑為40 mm 的不銹鋼鋼管用于通風(fēng)，鋼管橫向邊距60 mm，兩層鋼管間距80 mm，每層44 根。蓄熱混凝土厚度為 18cm，性能參數(shù)如下：抗壓強度 ≧30 MPa，導(dǎo)熱系 數(shù)≧2 W/(m·k W)， 密度 ≧2400 kg/m3， 比熱容≧900 J/(kg· ℃)，在蓄熱混凝土中均勻布置9 個溫度傳感器，用于監(jiān)測混凝土平均溫度，該系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 蓄熱混凝土系統(tǒng)原理圖

2 蓄熱混凝土系統(tǒng)性能測試分析

RLY-03 排風(fēng)機額定風(fēng)量700 m3/ h，在2020 年11月 23 日～12月 16 日期間進行了 5 天的測試（2 天30 Hz 運行，3 天40 Hz 運行），晴或晴間多云天氣。太陽輻照度、室外環(huán)境溫度取自光伏塔上安裝的環(huán)境監(jiān)測儀數(shù)據(jù)，風(fēng)量取自送風(fēng)管上畢托管流量閥（妥思品牌）數(shù)據(jù)，送風(fēng)、回風(fēng)溫度分別取自送風(fēng)和回風(fēng)管上安裝的溫度傳感器數(shù)據(jù)，蓄熱混凝土溫度取9 個溫度傳感器的平均值，耗電量及功率的數(shù)據(jù)來自風(fēng)機的功率表。測試時間為11:30～15:30（排風(fēng)機提前 5 分鐘開啟），測試期間（11:30～9:00），5 天的室外平均溫度分別為：2.3 ℃、-0.1 ℃、-0.1 ℃、2.6 ℃、-2.9 ℃，房間空調(diào)在9:00～17:00 時間段開啟運行。

2.1 輻照度的變化趨勢

從圖4 可以看出:太陽輻照度在 12:00 前后達到最大，隨時呈拋物線下降，由于多云的影響，有兩天輻照度曲線有小的波動。5 天11:30～15:30 時間段的平均輻照度分別為：4 15.7 W/m2、397.2W/m2、395.1 W/m2、357.2 W/m2、384.5 W/m2，11月23 日最高，12月8 日最低，后面分析輻照度與送風(fēng)溫度的關(guān)系。

圖4 輻照度變化趨勢

2.2 送風(fēng)溫度變化趨勢

從圖5 可以看出：送風(fēng)溫度在 11:30～15:30 呈先上升后下降的趨勢，1 4:00 左右達到最大，隨后緩慢降低。5 天的送風(fēng)平均溫度分別為：33.2 ℃、32.7 ℃、31.1 ℃、31.0 ℃、31.8 ℃，11.23 日最高，12.10 日最低，這和11.23 日輻照度最高、12.10 日輻照度最低有密切關(guān)系，輻射度高，送風(fēng)溫度也高。1 1.30 日輻照度和12.3日基本相同，但送風(fēng)溫度高1.6 ℃，這是由于環(huán)境溫度比12.3 日高1.6 ℃，說明送風(fēng)溫度的高低和環(huán)境溫度也密切相關(guān)。

圖5 送風(fēng)溫度變化趨勢

2.3 蓄熱混凝土溫度變化趨勢

在RLY03 機組運行蓄熱期間（11:30～15:30），蓄熱混凝土平均溫度以一定的斜率直線上升，機組停機后，再以較小的斜率直線下降，詳見圖6 所示。5 天風(fēng)機的運行頻率分別為：30 Hz、40 Hz、30 Hz、40 Hz、40 Hz?；炷疗鹗紲囟确謩e為：15.2 ℃、16.7 ℃、16.7 ℃、16.1 ℃、14.3 ℃。平均溫升分別為：5.6 ℃、5.8 ℃、4.7 ℃、5.8 ℃、7.3 ℃。5 天混凝土的平均溫升為5.8 ℃，蓄熱效果良好；到第二天早上9:00，混凝土平均溫度仍然高于起始溫度，說明散熱過程比較緩慢。

圖6 混凝土平均溫度變化趨勢

影響蓄熱混凝土溫升的主要因素有三個：風(fēng)機頻率、混凝土初始溫度、輻照度。11.30 日和 12.3 日的輻照度很接近，混凝土初始溫度相同，但30 日的溫升比12.3 日溫升高了 1.1 ℃，說明風(fēng)機頻率高，送風(fēng)量大，溫升也高，以40 Hz 運行的其它兩天溫升也比 30Hz高，符合此規(guī)律。以40 Hz 運行的三天里，12.16 日的輻照度不是最高的，但其溫升最高，與其混凝土起始溫度最低密切相關(guān)，說明起始溫度低，溫升更大，以30 Hz運行的兩天溫升也符合這個規(guī)律。11.30 日和12.10 日風(fēng)機的頻率相同，起始溫度不一樣，但溫升相同，這是由于11.30 日起始溫度高，同時輻照度也高的緣故，說明了輻照度也是影響溫升的一個因素，輻照度高，溫升也大。

2.4 送、回風(fēng)溫差變化趨勢

送風(fēng)和回風(fēng)溫度的溫差及風(fēng)機風(fēng)量決定了風(fēng)機取熱量的大小，也是影響蓄熱量的重要因素，整理了 5天的溫差變化趨勢，見圖7，從圖7 可以看出：4 天的溫差呈逐步降低的趨勢，其余1 天的溫差先升高后逐漸減低。5 天的平均溫差分別為17.0 ℃、15.1 ℃、14.3 ℃、14.1 ℃、15.5 ℃。送回風(fēng)溫差與輻照度密切相關(guān)，1 1.23日輻照度最高，溫差也最大，12.10 日輻照度最低，溫差也最小。

圖7 送、回風(fēng)溫差變化趨勢

2.5 室內(nèi)溫度變化趨勢

整理了5 天室內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)，其變化趨勢見圖8所示，17:00 以前，溫度較為平穩(wěn)，有些小的波動。17:00空調(diào)停機后，溫度有個迅速降低的過程，19:00 后趨勢變得很平緩，早上7:30 以后，隨著陽光的照射，室內(nèi)溫度又開始升高。房間內(nèi)空調(diào)只在9:00～17:00 運行，其它時間依靠混凝土蓄熱量及建筑圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱及隔熱性能，室內(nèi)溫度均保證室內(nèi)溫度在15 ℃以上，蓄熱和加熱效果都較好。

圖8 室內(nèi)溫度變化趨勢

2.6 取熱量、蓄熱量及耗電輸熱比

根據(jù)Q1=1.005×1 .165×(送風(fēng)溫度-環(huán)境溫度)×送風(fēng)量，可計算得到風(fēng)機從空腔熱空氣取的熱量。根據(jù)Q2=c×m×Δt，可計算得到蓄熱系統(tǒng)的蓄熱量，其中c為900 J/(kg·℃)，密度 2400 kg/m3，蓄熱混凝土體積為3 m3。根據(jù)電表統(tǒng)計得到風(fēng)機的耗電量，可以計算得到耗電輸熱比，5 天的計算分析數(shù)據(jù)見表1 所示。從表1可知，風(fēng)機的取熱量在 7.37～10.57 kW·h 之間，耗電輸熱比在 8.85～12.05 之間，是空調(diào)制熱平均 COP（3.0）的3～4 倍，經(jīng)濟性較好。40 Hz 運行時的取熱量明顯大于30 Hz 時的取熱量，同時40 Hz 運行時的蓄熱量也大于30 Hz 時的蓄熱量，但由于工作時間房間溫度比混凝土溫度高，室內(nèi)熱量也往蓄熱混凝土中傳遞，導(dǎo)致有些天的蓄熱量大于取熱量，以30 Hz 運行的兩天這種現(xiàn)象更明顯。

表1 取熱量、蓄熱量及耗電輸熱比計算數(shù)據(jù)

3 結(jié)論及建議

1）實驗測試期間，送、回風(fēng)溫差在 7.5～20.1 ℃之間，9 6%以上的時間在 10 ℃以上，說明光伏組件的發(fā)熱量穩(wěn)定且較大，用風(fēng)機從空腔取熱加以利用也是有意義的?？涨蝗崃吭?.37～11.51 kW · h 之間，約等于1 匹分體空調(diào)3～4 小時的制熱量。蓄熱量在8.46～13.14 kW · h 之間，蓄熱效果良好。

2）蓄熱混凝土的溫升在 4.7～7.3 ℃之間，平均溫升為5.8 ℃。蓄熱混凝土溫升和輻照度、風(fēng)機頻率及混凝土初始溫度密切相關(guān)。輻照度高、風(fēng)機運行頻率高、初始溫度低則溫升越大，反之溫升越小。

3）風(fēng)機的耗電輸熱比在8.85～12.05 之間，遠大于空調(diào)制熱平均COP（3.0），可有效節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)耗電量，經(jīng)濟性好，有推廣利用價值。

4）在冬季運行時，為兼顧較好的蓄熱效果及經(jīng)濟性，建議光伏余熱利用的蓄熱混凝土系統(tǒng)運行時間為11:30～15:30，風(fēng)機頻率為 40 HZ，此時送回風(fēng)溫差基本能維持在10 ℃以上。