全貞花， 任海波， 趙耀華,2， 王林成， 石峻璋

(1.北京工業(yè)大學(xué)綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室， 北京 100124；2.淄博博一新能源科技發(fā)展有限公司， 山東 淄博 255000)

隨著煤炭、石油等不可再生能源總量的急劇下降，能源危機已經(jīng)成為一個全球性的問題. 同時傳統(tǒng)能源對環(huán)境產(chǎn)生很多負(fù)面的影響，如二氧化碳排放、空氣污染等. 對于建筑行業(yè)的能源消耗與碳排放主要分為2個方面：建筑運行消耗化石能源所產(chǎn)生的碳排放與建筑建造相關(guān)的碳排放. 根據(jù)《2020年中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告》，建筑運行能耗總量為10億t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國能耗的22%. 同時，建筑運行的化石能源消耗相關(guān)的碳排放為21 t CO2. 在建筑建造方面，中國民用建筑建造能耗為5.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國能耗的11%，同時我國民用建筑建造相關(guān)的碳排放總量約為18億t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]. 由此可以看出，對于我國提出的碳達峰與碳中和的目標(biāo)，建筑行業(yè)建造的消耗與能源系統(tǒng)能耗的降低對于雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)尤為重要. 因此，可再生能源的利用對于減少化石能源的消耗，降低碳排放具有重要意義.

太陽能作為常見的可再生能源之一，近年來得到廣泛利用. 同時由于光伏組件價格的持續(xù)降低，更加擴大了太陽能的利用范圍. 光伏光熱建筑一體化(building integrated photovoltaic-thermal,BIPVT)技術(shù)可以很好地將太陽能與建筑相結(jié)合，利用BIPVT組件作為建筑墻體結(jié)構(gòu)的一部分，不僅可以高效利用組件產(chǎn)生的電能與熱能，還可以減少建筑圍護結(jié)構(gòu)建材的消耗，是非常有應(yīng)用前景的低碳節(jié)能技術(shù)[2].

對于BIPVT建筑，供能系統(tǒng)也是重要的組成部分. 通常BIPVT組件收集的熱量還不能完全滿足建筑室內(nèi)熱環(huán)境的需求，尤其對于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，BIPVT組件的出口水溫較低，不滿足供熱或者生活熱水的需求，另外，在嚴(yán)寒地區(qū)單獨使用熱泵系統(tǒng)往往會出現(xiàn)熱泵運行不穩(wěn)定和效率較低等問題[3]，而在BIPVT建筑中，將光伏光熱與熱泵技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補和多種可再生能源高效利用，目前受到行業(yè)的關(guān)注和普遍研究. Chen等[4]將光伏光熱組件與地源熱泵相結(jié)合，構(gòu)成多能互補供能系統(tǒng). 該系統(tǒng)相比單獨的地源熱泵系統(tǒng)一次能源利用率提高了173%，效率提高了7.9%. Emmi等[5]通過TRNSYS軟件對多能互補的光伏光熱熱泵系統(tǒng)進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)相比單獨的空氣源熱泵系統(tǒng)能源效率提高16%～25%. Sommerfeldt等[6]同樣也提出與地源熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)，通過TRNSYS的模擬發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在保證相同季節(jié)性能系數(shù)的前提下，相比單獨地源熱泵系統(tǒng)，埋管深度減少18%. 有了獨立PVT組件與熱泵系統(tǒng)結(jié)合成功應(yīng)用的實例，BIPVT組件與熱泵系統(tǒng)結(jié)合也逐漸得到廣泛的應(yīng)用. Araz等[7]研究水源熱泵和BIPVT組件相結(jié)合的系統(tǒng)的特性，結(jié)果表明，熱泵和整體供能系統(tǒng)的效率分別可達到72.23%和64.98%. Martin-Escudero等[8]通過實驗和模擬對BIPVT組件與空氣源熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)進行分析，結(jié)果表明，相比單獨空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提高空氣源熱泵供暖的時間，季節(jié)性能系數(shù)可以提高14.8%，同時光伏發(fā)電可以滿足系統(tǒng)70%的用電. Bigaila等[9]建立空氣源熱泵與光伏系統(tǒng)聯(lián)合運行的數(shù)學(xué)模型，通過光伏發(fā)電滿足系統(tǒng)部分用電需求，結(jié)果表明，該系統(tǒng)外界電力需求減少14.5%. Fiorentini等[10]將相變材料應(yīng)用于光伏光熱組件中，同時分析了這種結(jié)構(gòu)在零能耗建筑中的應(yīng)用效果，并對系統(tǒng)運行參數(shù)進行優(yōu)化. Yin等[11]將水冷光伏光熱系統(tǒng)應(yīng)用于建筑屋頂，采用相變材料貯存熱量并通過地暖輻射進行采暖，有效保證了夏季光伏電池的高效發(fā)電，同時減少了房間的冷負(fù)荷；此外，在寒冷季節(jié)系統(tǒng)可以快速清除屋頂積雪. 還有學(xué)者對BIPVT建筑與常規(guī)建筑的空調(diào)能耗做了對比，研究發(fā)現(xiàn)，在夏季，相對于常規(guī)建筑墻體，BIPVT建筑可以有效降低空調(diào)能耗，減少了11.12 kW·h/m2的空調(diào)用電量[12-13]. 上述研究表明，將光伏光熱組件與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合可以顯著提升熱泵效率，降低空調(diào)能耗. 但目前光伏光熱組件與建筑墻體結(jié)合時，大多數(shù)都是直接貼敷于建筑墻體外表面，并沒有直接減少建材的消耗.

趙耀華等[14-15]研發(fā)具有高效導(dǎo)熱性能的微熱管陣列(micro heat pipe array, MHPA)并將其應(yīng)用于光伏組件實現(xiàn)了光伏光熱綜合利用. 在入口溫度20 ℃時，太陽能綜合利用效率達到70%[16]. 以微熱管陣列為基礎(chǔ)的光伏光熱組件同樣可以與熱泵系統(tǒng)結(jié)合組成太陽能- 空氣能多能互補供能系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)的實驗研究，結(jié)果表明，可以充分利用低品位能源，減少能耗[17]. 文獻[18]對基于MHPA的光伏幕墻進行實驗研究，結(jié)果表明基于MHPA光伏幕墻可以降低組件溫度，有效提高發(fā)電效率.

以上述研究為基礎(chǔ)，本文研發(fā)了基于微熱管陣列的BIPVT組件(MHPA-BIPVT)，將其作為墻體圍護結(jié)構(gòu)的一部分，從根本上減少建材的消耗，并應(yīng)用于實際建筑當(dāng)中. 并將MHPA-BIPVT組件與雙源熱泵(空氣源、水源)相結(jié)合，構(gòu)建了BIPVT建筑供能系統(tǒng). 該系統(tǒng)將BIPVT組件收集的熱量作為水源熱泵的低溫?zé)嵩?，實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)高性能運行，再以空氣能作為輔助能源，通過太陽能與空氣能多能互補高效利用滿足建筑多功能需求，實現(xiàn)全年供電，冬季太陽能輔助供暖，全年為生活熱水預(yù)熱等功能. 本文通過對BIPVT建筑供能系統(tǒng)在不同氣候條件下的節(jié)能特性進行分析，評價BIPVT建筑供能系統(tǒng)的性能及其適用性，可以為BIPVT建筑的應(yīng)用及推廣提供一定的理論依據(jù).

1 BIPVT建筑及其供能系統(tǒng)

1.1 BIPVT組件及建筑

將平板微熱管陣列應(yīng)用于碲化鎘與單晶硅光伏光熱組件的散熱，通過水冷的形式將太陽能組件光伏產(chǎn)生的廢熱進行高效利用. 南墻與屋頂BIPVT組件結(jié)構(gòu)形式如圖1、2所示. 其中碲化鎘電池峰值功率為100 W，單晶硅電池峰值功率為305 W. 基于上述MHPA-BIPVT組件，搭建了BIPVT建筑，如圖3所示. 該建筑共有2個房間，ROOM A和ROOM B. 其中ROOM A房間為本文的研究對象，ROOM A房間空調(diào)面積為25 m2，其建筑一體化組件參數(shù)與設(shè)置見表1.

1—玻璃蓋板； 2—熱熔膠； 3—碲化鎘電池； 4—雙面含氟背板； 5—微熱管陣列； 6—扁水管集熱器； 7—保溫層. 圖1 微熱管陣列碲化鎘水冷BIPVT組件示意圖Fig.1 Water-cooling CdTe BIPVT module

1—玻璃蓋板； 2—熱熔膠； 3—單晶硅電池； 4—雙面含氟背板； 5—微熱管陣列； 6—扁水管集熱器； 7—保溫層. 圖2 微熱管陣列單晶硅水冷BIPVT組件示意圖Fig.2 Water-cooling single-crystal silicon BIPVT module

圖3 BIPVT近零能耗建筑Fig.3 BIPVT nearly zero energy building

表1 建筑一體化組件參數(shù)與設(shè)置

1.2 BIPVT建筑供能系統(tǒng)及仿真模型

為滿足建筑供暖、制冷和生活熱水的需求，采用空氣源與太陽能光伏光熱水源的雙源熱泵為建筑供能. 系統(tǒng)原理圖如圖4所示. 供能系統(tǒng)在冬季主要有2種供暖模式，分別為空氣源熱泵與水源熱泵模式. 當(dāng)太陽輻照較高時，將BIPVT組件收集的熱量作為水源熱泵的低溫?zé)嵩? 當(dāng)集熱量較低，集熱水箱溫度不滿足水源熱泵取熱需求時，切換為空氣源熱泵模式. 夏季采用空氣源熱泵為室內(nèi)進行供冷，當(dāng)太陽能集熱供給生活熱水溫度達到要求時，啟動空氣散熱器同步進行光伏組件散熱. 過渡季無供暖和制冷需求時，利用太陽能集熱為生活熱水預(yù)熱. 系統(tǒng)主要運行模式與控制方案如下：

1)冬季太陽能集熱+熱泵水源模式制熱. 閥門1、2、3、4、5、6、9、10打開，其余閥門關(guān)閉. 集熱泵、末端循環(huán)泵和低溫?zé)嵩磦?cè)循環(huán)水泵開啟.

2)冬季太陽能集熱+熱泵空氣源模式制熱. 閥門1、2、9、10打開，其余閥門關(guān)閉. 集熱泵與末端循環(huán)泵開啟，其余水泵關(guān)閉.

3)夏季太陽能集熱無散熱+熱泵空氣源模式制冷. 閥門1、2、9、10打開，其余閥門關(guān)閉. 集熱泵與末端循環(huán)泵開啟，其余水泵關(guān)閉.

4)夏季太陽能集熱+空氣散熱器散熱+熱泵空氣源模式制冷. 閥門1、2、3、4、7、8、9、10打開，其余閥門關(guān)閉. 集熱泵、末端循環(huán)泵和低溫?zé)嵩磦?cè)循環(huán)水泵開啟.

5)夏季太陽能無集熱+夏季空氣源模式制冷. 閥門9、10 開啟，其余閥門關(guān)閉. 末端循環(huán)泵開啟，其余水泵關(guān)閉.

6)過渡季太陽能集熱. 閥門1、2打開，其余閥門關(guān)閉. 集熱泵開啟. 生活熱水根據(jù)需求進行供應(yīng).

圖4 太陽能- 空氣能多能互補供能系統(tǒng)Fig.4 Solar-air energy multi-energy complementary energy supply system

通過TRNSYS瞬時模擬軟件對供能系統(tǒng)進行建模. 系統(tǒng)模型如圖5所示.

圖5 供能系統(tǒng)模型Fig.5 Energy supply system simulation model

系統(tǒng)模型主要用到的模塊如下.

1) BIPVT組件模型

采用TRNSYS中Type 563模塊，在對BIPVT墻體進行建模時，將BIPVT組件背板溫度作為剩余墻體圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度的邊界條件. 其中組件發(fā)電模型采用經(jīng)驗公式，發(fā)電效率計算公式為

η=ηn(1+ET(TP-Tr))

(1)

式中：ηn為在標(biāo)準(zhǔn)條件測試下組件的發(fā)電效率；ET為溫度衰減系數(shù)；Tp為電池溫度；Tr為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的參考溫度.

2) 熱泵模型

對熱泵系統(tǒng)進行建模時，由于TRNSYS中原有的雙源熱泵模型只存在制熱的工況，因此建立單獨的空氣源與水源熱泵模型代替雙源熱泵模型，之后通過相應(yīng)的控制策略進行切換. 其中，空氣源熱泵額定制熱量為8 kW，額定電功率為2.5 kW；額定制冷為7.2 kW，額定電功率為2.6 kW. 水源熱泵額定制熱量為8 kW，額定電功率為2.5 kW.

3) 集熱水箱模型

集熱水箱中共有2個換熱盤管，其中一個連接至水源熱泵蒸發(fā)器側(cè)，一個用于生活熱水預(yù)熱. 水箱中存在溫度分層設(shè)置，設(shè)置3個等溫節(jié)點.

模型各個工況切換通過邏輯控制模塊實現(xiàn).

系統(tǒng)中主要的控制策略如下.

1) 季節(jié)控制：根據(jù)建筑的冷熱負(fù)荷時間段的分布，將全年不同的月份分為供暖、制冷和過渡季階段.

2) 空氣源模式與水源模式切換控制：為滿足水源熱泵的運行條件，保證水源熱泵低溫?zé)嵩礈囟鹊男枨?，需要對熱泵切換控制策略進行設(shè)定，根據(jù)實際運行條件，熱泵制熱運行模式與控制策略如下.

① 系統(tǒng)初始運行時，當(dāng)水溫高于15 ℃時啟動水源模式，除此之外啟動空氣源模式.

② 當(dāng)系統(tǒng)在水源模式下連續(xù)運行時，若水溫處于5～15 ℃則仍保持水源模式運行，直到水溫降低至5 ℃時，切換為空氣源模式.

③ 當(dāng)系統(tǒng)在空氣源模式下連續(xù)運行時，若水溫由于集熱升高至5～15 ℃，此時仍保持空氣源模式運行，直至水溫升高至15 ℃時切換為水源模式.

3) 集熱水泵啟?？刂疲築IPVT組件在集熱時，當(dāng)太陽輻照較低時，會存在集熱量小于向外界環(huán)境散熱量的情況. 因此，為保證集熱效率需要對集熱進行啟?？刂? 當(dāng)BIPVT組件出口溫度比水箱溫度高出5 ℃時，集熱水泵啟動，低于2 ℃時，集熱水泵停止.

4) 生活熱水溫度控制：生活熱水經(jīng)過集熱水箱預(yù)熱之后，溫度往往不能滿足溫度需求. 因此，需要對生活熱水進行二次加熱，加熱溫度維持在50 ℃. 同時生活熱水的需求量根據(jù)人員在室率與人均用水量計算得出一天中不同時刻生活熱水的需求量，如圖6所示.

圖6 生活熱水需求量Fig.6 Flow of domestic hot water

1.3 模型驗證

為驗證模型可靠性，對系統(tǒng)運行參數(shù)進行模擬與實驗對比，主要包括BIPVT組件的進出口溫度、背板溫度、南墻內(nèi)壁面溫度、水箱溫度、集熱量、集熱效率、發(fā)電量和發(fā)電效率. 其中進出口溫度、背板溫度、南墻內(nèi)壁面溫度主要驗證BIPVT組件的傳熱過程的適用性. 水箱溫度主要驗證水箱模型的準(zhǔn)確性. 集熱量、集熱效率、發(fā)電量和發(fā)電效率主要驗證BIPVT組件集熱和發(fā)電計算模型的準(zhǔn)確性.

進行誤差分析時采用均方根誤差(WR)和平均絕對百分比誤差(WM)進行評價.均方根誤差表示模擬計算值與實驗值之間的離散程度，其值越小越準(zhǔn)確.其表達式為

(2)

式中：N為數(shù)據(jù)個數(shù)；Ot為實驗值；Pt為模擬值.

平均百分比誤差表示預(yù)測結(jié)果較真實結(jié)果平均偏離值，其表達式為

(3)

誤差分析如表2所示，由圖7～12可以看出，組件進出水溫度實驗與模擬吻合較好，趨勢保持一致，背板溫度和內(nèi)壁面溫度由于實際墻體存在鋼結(jié)構(gòu)，而模擬時暫時忽略了這一點，導(dǎo)致傳熱系數(shù)有一定偏差. 對于水箱溫度，模擬時設(shè)定水箱與環(huán)境之間為絕熱，但由于實際水箱與環(huán)境存在對流散熱，同時，隨著水箱溫度的升高，散熱量也升高，因此在12:00之后，模擬與實測的溫差逐漸變大. 對于集熱量與熱效率，由于實際組件管道中流體為防凍液，其物性參數(shù)隨著溫度的變化而變化，因此實際集熱量有一定波動，但總趨勢模擬與實測保持一致. 對于發(fā)電功率與電效率，由于電效率受到背板溫度的影響導(dǎo)致模擬與實驗值存在一定偏差，但同樣總趨勢實驗與模擬值保持一致.

圖7 BIPVT組件進出水溫度驗證Fig.7 Verification of inlet and outlet water temperatures of BIPVT model

圖8 背板溫度、內(nèi)壁面溫度和水箱溫度驗證Fig.8 Verification of BIPVT module backplane temperature, tank temperature and inner wall temperature

圖9 集熱量驗證Fig.9 Verification of heat collection

圖10 熱效率驗證Fig.9 Verification of thermal efficiency

圖11 發(fā)電功率驗證Fig.11 Verification of generation power

圖12 電效率驗證Fig.12 Verification of electrical efficiency

同時由表2、3可以看出，上述參數(shù)模擬結(jié)果均方根誤差值較小，表明模擬與實驗值離散程度較小. 平均百分比誤差基本都在10%以內(nèi)，在誤差允許范圍之內(nèi)，因此可認(rèn)為本模型具有較好的準(zhǔn)確度與可靠性.

表2 均方根誤差分析Table 2 Root mean square error analysis

表3 平均百分比誤差分析Table 3 Average percentage error analysis

2 節(jié)能特性分析方法

2.1 BIPVT建筑節(jié)能特性評價指標(biāo)

本文根據(jù)GB/T 51350—2019 《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的能耗指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)對BIPVT建筑能耗情況進行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)如表4所示.

從表4中可以看出，對于近零能耗建筑的評價標(biāo)準(zhǔn)主要從建筑綜合節(jié)能率、建筑本體節(jié)能率2個方面來計算.

建筑能耗綜合值計算公式為

(4)

式中：E為建筑能耗綜合值，kW·h/(m2·a)；EE為不含可再生能源發(fā)電的建筑能耗綜合值，kW·h/(m2·a)；A為建筑面積，m2；fi為i類型能源的能源換算系數(shù)，本文僅涉及電力類型的能源，該值為2.6；Er,i為年本體產(chǎn)生的i類型可再生能源發(fā)電量，kW·h；Erd,i為年周邊產(chǎn)生的i類型可再生能源發(fā)電量，kW·h.

不含可再生能源發(fā)電的建筑能耗綜合值計算公式為

(5)

式中：Eh為年供能系統(tǒng)能源消耗，kW·h；Ec為年供冷系統(tǒng)能源消耗，kW·h；El為年照明系統(tǒng)能源消耗，kW·h；Ew為年生活熱水系統(tǒng)能源消耗，kW·h；Ee為年電梯系統(tǒng)能源消耗，kW·h.

在計算建筑本體節(jié)能率時，設(shè)計建筑的建筑能耗綜合值不應(yīng)包括可再生能源發(fā)電量，計算公式為

表4 近零能耗公共建筑能效指標(biāo)Table 4 Energy efficiency index of near zero energy public buildings

(6)

式中：ηe為建筑本體節(jié)能率；EE為設(shè)計建筑不含可再生能源發(fā)電的建筑能耗綜合值，kW·h/m2；ER為基準(zhǔn)建筑的建筑能耗綜合值，kW·h/m2.

建筑綜合節(jié)能率計算公式為

(7)

式中：ηp為建筑綜合節(jié)能率；ED為設(shè)計建筑的建筑能耗綜合值，kW·h/m2.

從評價指標(biāo)中可以看出，分析節(jié)能特性必須要有參考建筑，因此本文將BIPVT建筑與參考建筑性能進行對比，2種墻體結(jié)構(gòu)如圖13所示，參考建筑墻體總厚度與BIPVT組件保溫層厚度相同，總傳熱系數(shù)為0.279 W/(m2·K)，滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).

圖13 2種圍護結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Sketch map of two enclosure structures

2.2 不同氣候條件下BIPVT建筑節(jié)能特性分析方法

對于在不同氣候條件下的新型BIPVT建筑進行節(jié)能特性分析，關(guān)鍵在于選取合適的地點. 本文同時考慮了氣候分區(qū)和太陽能資源分區(qū). 在相同氣候分區(qū)下，選擇1、2個不同太陽能資源分區(qū)的地點. 具體地點選擇如表5所示.

表5 不同氣候分區(qū)地點選擇

3 不同氣候分區(qū)下BIPVT建筑供能系統(tǒng)能耗特性

對于建筑能耗特性的分析主要考慮兩方面. 一方面是太陽能貢獻率，它主要體現(xiàn)了冬季太陽能收集的熱量作為水源熱泵低溫?zé)嵩磿r建筑的累積熱負(fù)荷占冬季總累積熱負(fù)荷的比例，可以反映出太陽能在冬季供暖的利用率；另一方面是BIPVT建筑發(fā)電量與用電量的對比，可以直觀體現(xiàn)出BIPVT建筑的節(jié)能特性. 根據(jù)第2.2節(jié)中選取的城市地區(qū)進行BIPVT建筑供能系統(tǒng)能耗分析.

3.1 太陽能貢獻率

圖14為各地區(qū)采暖季太陽能貢獻率的變化. 在嚴(yán)寒地區(qū)，由于冬季室外平均溫度較低，熱負(fù)荷較大. 而水箱集熱量由于環(huán)境溫度較低的原因集熱量有限，因此在主要采暖的月份，負(fù)荷大部分由空氣能提供. 整個采暖期太陽能對負(fù)荷的平均貢獻率為38.8%.

圖14 不同地區(qū)平均太陽能貢獻率Fig.14 Average solar contribution of different regions

在寒冷地區(qū)的北京，由于冬季室外溫度較哈爾濱地區(qū)較高，輻照度與哈爾濱地區(qū)基本一致，因此冬季太陽能對負(fù)荷的平均貢獻率有提升，為58.0%. 而拉薩地區(qū)雖同樣處于寒冷地區(qū)，然而冬季輻照遠(yuǎn)高于北京地區(qū)，因此采暖期大部分負(fù)荷由太陽能提供. 太陽能平均貢獻率為74.0%. 對于夏熱冬冷地區(qū)，太陽能對負(fù)荷的貢獻率與嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的變化規(guī)律基本一致，平均貢獻率為61.0%，與北京地區(qū)基本相同.

在夏熱冬暖地區(qū)，由于冬季熱負(fù)荷較小，集熱水箱收集的熱量足以滿足水源熱泵的低溫?zé)嵩?，因此，太陽能貢獻率為96.7%. 對于溫和地區(qū)，太陽能貢獻率受輻照度影響較大. 太陽輻照度較低的貴陽地區(qū)，由于水箱收集的熱量較小，冬季大部分負(fù)荷由空氣能提供，太陽能平均貢獻率為42.7%. 而對于太陽輻照度較高的昆明地區(qū)，冬季熱負(fù)荷與貴陽基本一致，但太陽能貢獻率在每個月份能達到90.0%以上，平均貢獻率為98.0%.

3.2 發(fā)電量與用電量

圖15為不同地區(qū)發(fā)電量占用電量的比例. 多數(shù)情況下發(fā)電量占用電量的比例為先增加，然后降低，再增加，最后逐漸降低. 主要原因為冬季剛開始為熱負(fù)荷最大的階段，用電量為最大值，此時發(fā)電量占用電量的比例較小，隨著熱負(fù)荷的降低，比例逐漸增加，之后為過渡季節(jié)，一般發(fā)電量可以完全滿足用電，中間階段為冷負(fù)荷的最大值，用電量增加，此時發(fā)電量與用電量的比值再次降低，同樣隨著冷負(fù)荷的降低，耗電量減少，比例逐漸增大. 最后冬季熱負(fù)荷逐漸增加，耗電量增加，比例又再次逐漸降低. 從上圖也可以看出嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)的北京、夏熱冬冷地區(qū)和溫和地區(qū)的貴陽都滿足上述規(guī)律.

圖15 不同地區(qū)平均發(fā)電量占用電量的比例Fig.15 Ratio of electricity generation to electricity consumption in different regions

對于拉薩地區(qū)，由于全年都為熱負(fù)荷，熱負(fù)荷在5—10月份時較低，此時發(fā)電量可完全滿足用電量. 發(fā)電量與用電量的比值變化趨勢與負(fù)荷變化趨勢一致. 對于夏熱冬暖地區(qū)，由于全年熱負(fù)荷較小，在采暖期發(fā)電量都可滿足用電量的要求. 而非采暖期較長，導(dǎo)致空氣源熱泵使用頻率增加，耗電量較大，比值降低. 比值的變化趨勢正好與拉薩地區(qū)相反. 對于昆明地區(qū)，由于溫和地區(qū)的全年的冷熱負(fù)荷都處于中間水平，而全年太陽輻照度水平較高，因此在每個月發(fā)電量都可滿足用電量的要求.

4 不同氣候分區(qū)下BIPVT建筑節(jié)能與減排量特性分析

4.1 節(jié)能特性

根據(jù)第2.1節(jié)中評價指標(biāo)的計算方法，對各氣候區(qū)下BIPVT建筑與供能系統(tǒng)的模擬，分別得出建筑綜合節(jié)能率與建筑本體節(jié)能率，最終對是否為近零能耗建筑做出評價. 各地區(qū)匯總?cè)绫?所示.

表6 各地區(qū)能效指標(biāo)與建筑類型匯總

在嚴(yán)寒地區(qū)，太陽輻照度都相對較高，室外環(huán)境平均溫度較低，全年大部分時間處于熱負(fù)荷的階段，出現(xiàn)冷負(fù)荷的時間相對較短. 雖然全年熱負(fù)荷較大，但太陽能輻照度較大會使集熱水箱水溫長時間滿足低溫?zé)嵩此疁氐囊?，因此使得全年熱泵系統(tǒng)整體性能系數(shù)(coefficient of performence,COP)較高，同時BIPVT組件發(fā)電量也會增大，因此仍可達到近零能耗建筑的標(biāo)準(zhǔn).

在寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)，冷熱負(fù)荷在全年出現(xiàn)的時間較為均勻，相對于嚴(yán)寒地區(qū)熱負(fù)荷較小，同時在這2個氣候區(qū)內(nèi)，大部分地區(qū)處于太陽能資源可利用類型之上，同樣具有達到近零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)的條件.

在夏熱冬暖地區(qū)，建筑全年負(fù)荷大部分為冷負(fù)荷，同時夏季南墻太陽輻照度較低，熱量并沒有大量地散發(fā)到室內(nèi)，因此，建筑可以處于近零能耗水平. 由圖可以看出，昆明地區(qū)全年輻照度都處于較高水平，同時由于溫和地區(qū)性質(zhì)，夏季冷負(fù)荷很小，冬季熱量可由背板一部分向室內(nèi)傳遞，導(dǎo)致全年能耗較低，可以達到零能耗水平.

4.2 減排量

BIPVT建筑及其供能系統(tǒng)在滿足建筑室內(nèi)熱環(huán)境需求的同時還可以滿足部分用電需求，減少一定量的碳排放. 根據(jù)2020年我國6 000 kW及以上的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為305.5 g/(kW·h)，計算各個氣候分區(qū)的BIPVT建筑節(jié)能減排量如表7所示.

表7 各地區(qū)典型城市BIPVT建筑節(jié)能減排量

5 結(jié)論

將微熱管陣列應(yīng)用于BIPVT組件，提出并建立一種BIPVT建筑和多能互補供能系統(tǒng)，對不同氣候條件下BIPVT建筑供能系統(tǒng)的節(jié)能特性進行了分析，主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：

1) 建立了MHPA-BIPVT建筑供能系統(tǒng)仿真模型，模擬系統(tǒng)運行參數(shù)，并與實測數(shù)據(jù)進行對比. 采用均方根誤差和平均絕對百分比誤差進行評價. 誤差在允許范圍之內(nèi)，驗證了建筑模型的準(zhǔn)確性.

2) 選取7個典型城市對BIPVT建筑供能系統(tǒng)的運行情況進行模擬分析. 太陽能對負(fù)荷的貢獻率最高的地區(qū)為昆明和廣州，分別為 98.0%和97.3%. 嚴(yán)寒地區(qū)的哈爾濱和溫和地區(qū)的貴陽太陽能對負(fù)荷的貢獻率較低，分別為56.2%和60.2%. 全年發(fā)電量占建筑用電量的比例大多數(shù)地區(qū)都可達到70%左右，其中昆明地區(qū)可達到100%.

3) 對各地區(qū)的建筑綜合節(jié)能率和建筑本體節(jié)能率進行模擬與分析，各地區(qū)應(yīng)用MHPA-BIPVT供能系統(tǒng)的建筑都可以達到近零能耗的水平，其中昆明地區(qū)可達到零能耗的水平. 各地區(qū)減排量的計算結(jié)果表明基于微熱管陣列的BIPVT建筑具有良好的節(jié)能減排收益，是值得推廣應(yīng)用的新型綠色建筑形式.