何文晶，徐衍新

0 引言

隨著低碳建筑節(jié)能技術(shù)的推廣，建筑一體化光伏光熱（BIPV/T）技術(shù)因其發(fā)電、供暖、供熱等方面的優(yōu)勢，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力[1-2]，成為太陽能建筑雙效能利用的重要應(yīng)用形式之一。它將太陽能光伏光熱組件視為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（屋面及墻面）的一部分應(yīng)用到建筑上，不僅可以改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能，還可憑借其高效的能源利用滿足建筑使用者的多種需求（生活熱水、采暖、用電），降低建筑用能能耗[3]。

在太陽能光伏光熱建筑一體化的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究中，第一類主要是太陽能光伏光熱組件自身的多效能源利用和轉(zhuǎn)化效率的研究。例如，趙軍[4]在天津地區(qū)對一種空冷型非晶硅光伏光熱太陽能組件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在自然通風(fēng)條件下，其光電效率為4.56%、綜合效率為38.1%；在固定風(fēng)速強(qiáng)制通風(fēng)條件下，光電效率為4.61%、綜合效率為44.9%。Wajs 等[5]通過實(shí)驗(yàn)研究的方法對不同BIPVT 系統(tǒng)的空腔深度和體積流量進(jìn)行對比分析，當(dāng)體積流量為4m3/h、通道深度為25mm、太陽輻射強(qiáng)度為900W/m2的條件下，電池組件工作溫度降低了6.3K，系統(tǒng)有效溫升最大為23.4K，綜合利用效率最大值為32%。王兆萌等[6]通過實(shí)測和模擬的方式研究了風(fēng)冷式BIPVT 組件性能，其中實(shí)驗(yàn)測試環(huán)節(jié)結(jié)果顯示，在夏季典型氣象條件下BIPVT 組件日平均光電效率為4.52%，平均光熱效率為48.02%，總發(fā)電量為0.74kW·h，總集熱量為28.33MJ。第二類研究主要是探討B(tài)IPVT 綜合利用特點(diǎn)。Vats 等[7]通過對比評估的方法研究了不同電池模塊組成的BIPVT 系統(tǒng)的應(yīng)用場景，結(jié)果顯示：HIT 電池模塊適合于產(chǎn)生電力，而a-SI 電池模塊適合于空間加熱。Ahmed-Dahmane[8]針對不同介質(zhì)循環(huán)下BIPVT 建筑立面應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對該復(fù)合BIPVT 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空氣作為循環(huán)介質(zhì)可以有效降低光伏電池組件工作溫度。

1 實(shí)驗(yàn)建筑院落全貌

2 實(shí)驗(yàn)建筑平面

3 光伏光熱組件照片

4 光伏光熱組件構(gòu)造示意

5 雙效能太陽能實(shí)驗(yàn)平臺運(yùn)行示意

基于當(dāng)前的研究，雙效能源利用中的光伏光熱技術(shù)越來越成熟，但是建筑一體化具體實(shí)施應(yīng)用的相關(guān)性能數(shù)據(jù)不足，且多集中在固定強(qiáng)制通風(fēng)風(fēng)速下進(jìn)行不同環(huán)境變量的實(shí)驗(yàn)，以及探討不同光伏組件類型的強(qiáng)制通風(fēng)下光電光熱性能，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源高效利用的實(shí)踐較少。

1 雙效能太陽能實(shí)驗(yàn)建筑設(shè)計(jì)

1.1 雙效能實(shí)驗(yàn)建筑搭建

實(shí)驗(yàn)建筑位于山東省朱家林國家級田園綜合體一戶宅院東側(cè)，作為新建建筑獨(dú)立建造，采光環(huán)境優(yōu)越，東側(cè)、南側(cè)和西側(cè)不存在完全封閉的陰影區(qū)（圖1），有利于開展太陽能建筑的應(yīng)用研究。

該建筑坐北朝南縱向布置，為充分利用太陽能，并與當(dāng)?shù)亟ㄖ蜗蠛魬?yīng)，設(shè)計(jì)了3 個(gè)平行且相同的南向30°單坡屋頂，每個(gè)坡屋頂面積為3.77m2，前后基本不產(chǎn)生遮擋，因此可以提供3 處獨(dú)立的雙效能太陽能系統(tǒng)安裝平面，且形成了11.31m2太陽能系統(tǒng)安裝面積與86.6m3室內(nèi)空間的量化對應(yīng)關(guān)系，有利于開展太陽能界面性能實(shí)測研究。實(shí)驗(yàn)建筑面寬4470mm、進(jìn)深7050mm（圖2），實(shí)驗(yàn)房南側(cè)空間上部對應(yīng)的兩個(gè)坡屋頂安裝太陽能光伏集熱器，該部分形成本研究中的雙效能太陽能實(shí)驗(yàn)建筑單元，即兩處3.77m2、0.52m3的雙效能太陽能系統(tǒng)對應(yīng)27.10m2、74.5m3展廳提供能源供給。

實(shí)驗(yàn)建筑采用內(nèi)外雙保溫免拆模板的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)在0.3～0.33W/（m2·K）之間，該熱工性能達(dá)到了節(jié)能居住建筑對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的要求。

1.2 雙效能太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能光伏光熱組件由多晶硅PV 面板、帶進(jìn)出風(fēng)口的空腔流道和酚醛保溫板組成，是相對獨(dú)立的集熱板形式（圖3）。其中多晶硅光伏面板接收太陽輻射由光生伏打效應(yīng)產(chǎn)生電能，光電作用外的太陽輻射能量變成熱量存儲在組件中，由位于進(jìn)出口的風(fēng)機(jī)帶動(dòng)空腔流道空氣流動(dòng)，與光伏組件背板及背面空腔強(qiáng)迫對流換熱，熱量轉(zhuǎn)移至流動(dòng)的空氣中，如此往復(fù)循環(huán)將太陽能光伏光熱組件中的熱量帶走，降低光伏組件背板溫度，提高發(fā)電效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)冬季建筑用熱的需求。完成上述過程的多晶硅PV 面板額定峰值發(fā)電功率為630W，平面面積為3.77m2。在多晶硅PV 面板背部，空腔流道腔壁上設(shè)置40mm 厚的保溫酚醛板，構(gòu)成長×寬×厚尺寸為1320mm×2920mm×100mm 的空腔流道，體積為0.52m3，進(jìn)出風(fēng)口的尺寸為Φ100mm（圖4）。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)

雙效能太陽能實(shí)驗(yàn)建筑測試，采用內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種模式進(jìn)行對比：內(nèi)循環(huán)模式，強(qiáng)化了太陽能建筑一體化的設(shè)計(jì)思路，組件進(jìn)出風(fēng)口均直接與室內(nèi)相連，采用機(jī)械通風(fēng)方式進(jìn)行空氣循環(huán)，如圖5 中A 流線所示；外循環(huán)模式，強(qiáng)化新風(fēng)預(yù)熱作用，進(jìn)風(fēng)口與室外環(huán)境相通，同樣采用機(jī)械通風(fēng)的方式進(jìn)行空氣循環(huán)，如圖5 中B 流線所示。

設(shè)計(jì)了太陽能光伏光熱組件的性能測試系統(tǒng)，以及相關(guān)測試傳感器的測點(diǎn)分布如圖6 所示。光電光熱性能數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行，包括風(fēng)道進(jìn)出口的溫度傳感器及風(fēng)速傳感器，PV 組件上下壁面的溫度傳感器，以及收集環(huán)境氣象參數(shù)的太陽輻照儀，所有數(shù)據(jù)儲存在電腦中且可讀取。監(jiān)測裝置詳情如表1 所示。

為提升太陽能光伏光熱組件在雙效能利用過程中的高效性，以及滿足建筑室內(nèi)的實(shí)際使用需求，在空氣流道的進(jìn)出風(fēng)口處設(shè)置了一種溫度控制單元，依托信控物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)定不同的溫度值作為空氣循環(huán)的啟動(dòng)閾值[9]（圖7）。鑒于本實(shí)驗(yàn)采用的多晶硅光伏組件，實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)閾值設(shè)定為18℃，即光伏光熱組件空腔出風(fēng)口處的溫度達(dá)到18℃，空氣循環(huán)系統(tǒng)開啟，且出風(fēng)口溫度每升高1℃空氣循環(huán)系統(tǒng)擋位升高1檔，共計(jì)10 檔（最高體積流量7.65m3/min），為冬季室內(nèi)輸送熱風(fēng)滿足室內(nèi)采暖需求的同時(shí)，還可保證光伏板在一個(gè)相對較低且穩(wěn)定的溫度下高性能工作，滿足建筑用電需求。

表1 BIPVT 組件性能監(jiān)測裝置參數(shù)表

6 BIPVT組件監(jiān)測系統(tǒng)及測點(diǎn)布置示意

7 溫度控制單元組成示意

8 30°方向太陽輻射強(qiáng)度與環(huán)境溫度

9 內(nèi)循環(huán)模式下光電效率與光熱效率

10 內(nèi)循環(huán)模式下總利用效率與進(jìn)出風(fēng)口 溫升值

2 雙效能太陽能系統(tǒng)冬季性能測試分析

2.1 測試環(huán)境與條件

鑒于雙效能太陽能系統(tǒng)的供能特點(diǎn)和冬季室內(nèi)環(huán)境的用能需求，為研究系統(tǒng)全年中最低性能選取最冷月的氣象日開展實(shí)測。選取2022 年1 月11 日、12 日、17 日、19 日進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，4 天實(shí)驗(yàn)日對應(yīng)4 種工況，11-12 日工況為外循環(huán)模式，其余工況為內(nèi)循環(huán)模式，且4 個(gè)工況日均為單處雙效能太陽能系統(tǒng)運(yùn)行。

對各工況日分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)時(shí)間統(tǒng)一為6:00-18:00 區(qū)間。其中根據(jù)1 月17 日太陽輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化情況（圖8）可得，30°方向太陽輻射強(qiáng)度平均值為321.5W/m2，自9:00 左右太陽輻射強(qiáng)度由0W/m2逐漸升高，13:00 左右太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到當(dāng)日最高點(diǎn)812W/m2，自13:00 開始至17:00 左右太陽輻射強(qiáng)度逐漸降低至0W/m2，其中9:19、10:59、12:00、14:00、15:00、15:59 出現(xiàn)了較為明顯的峰值數(shù)據(jù)，同時(shí)在9:30、11:15、12:39、14:30、15:30 左右太陽輻射強(qiáng)度出現(xiàn)較為明顯的谷值數(shù)據(jù)，但驟降變化情況均在20min 以內(nèi)，上述情況與輕微多云天氣的出現(xiàn)有關(guān)；自9:00-17:00 左右，環(huán)境溫度均在0-4℃之間，平均值為2.15℃，波動(dòng)小較且穩(wěn)定。

2.2 系統(tǒng)冬季性能分析

以1 月17 日實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，測試時(shí)間內(nèi)所有數(shù)據(jù)均每分鐘采集一次。其瞬時(shí)光電光熱效率如圖9 所示，9:00-15:00 之間，空氣循環(huán)系統(tǒng)開始工作，其中11:00-14:00 之間，光熱效率一直維持在30%以上，最高可達(dá)80%；光電效率在13:00 之前，總體趨勢隨著太陽輻照度升高而增大，中間出現(xiàn)光電效率較為明顯峰值的時(shí)刻與太陽輻照度出現(xiàn)峰值的時(shí)刻吻合，13:00之后，光電效率受較高背板溫度影響，先于太陽輻射強(qiáng)度的降低產(chǎn)生了下降趨勢。由此可見，光電效率和光熱效率的主要影響因素是太陽輻射強(qiáng)度，其次背板溫度對其影響也很顯著，當(dāng)太陽輻照度數(shù)值較低時(shí)，太陽輻照度是主要影響因素，背板溫度的影響可以忽略；當(dāng)太陽輻照度數(shù)值較高時(shí)，太陽輻照度依舊是主要影響因素，但是背板溫度的影響顯著。

在測試時(shí)間內(nèi)平均光電效率為17.6%，平均光熱效率為42.43%，總集熱量為18.92MJ，總發(fā)電量為2.21kW·h?？偫眯嗜鐖D10 所示，測試時(shí)間內(nèi)平均總利用效率為60.03%，運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)進(jìn)出風(fēng)口溫升的平均值為16.25℃，最高溫升為22.5℃。

表3 不同工況日性能參數(shù)表

對其余典型氣象日在相同實(shí)驗(yàn)時(shí)間下的光電光熱性能進(jìn)行對比分析，得出不同實(shí)驗(yàn)日氣象條件測試結(jié)果如表3 所示。將工況1 與工況2 進(jìn)行對比分析，空氣循環(huán)系統(tǒng)的啟動(dòng)溫度閾值由15℃變?yōu)?8℃，平均光電效率增加了1.3%，平均光熱效率增加了15.12%，平均總利用效率增加了16.42%，總體來說，在外循環(huán)模式不同啟動(dòng)閾值下，光電光熱雙效能利用的性能對比變化明顯。將工況3 和工況4 進(jìn)行對比分析，在內(nèi)循環(huán)模式下，平均光電效率均在17.5%左右，平均光熱效率在40%以上，平均綜合利用效率達(dá)到了60%以上。對比外循環(huán)模式與內(nèi)循環(huán)模式的工況日發(fā)現(xiàn)，內(nèi)循環(huán)因進(jìn)風(fēng)口溫度較高，在相同啟動(dòng)溫度閾值下，空氣循環(huán)工作時(shí)間更長，有效集熱更充分。

對比分析各日的發(fā)電量和集熱量發(fā)現(xiàn)：工況1 總產(chǎn)能（電和熱）3.72kW·h，產(chǎn)電和集熱的比值關(guān)系為1.79:1；工況2 總產(chǎn)能（電和熱）7.56kW·h，產(chǎn)電和集熱的比值關(guān)系為1:2.15；工況3總產(chǎn)能（電和熱）7.47kW·h，產(chǎn)電和集熱的比值關(guān)系為1:2.38；工況4 總產(chǎn)能（電和熱）7.68kW·h，產(chǎn)電和集熱的比值關(guān)系為1:2.53。

3 太陽能實(shí)驗(yàn)建筑冬季性能分析

3.1 雙效太陽能系統(tǒng)未運(yùn)行下建筑能耗模擬

雙效太陽能系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)，分析研究以DB 軟件模擬能耗為主。由于能量的消耗主要用于室內(nèi)的空調(diào)、照明、電器等，因此在進(jìn)行冬季建筑能耗模擬之前，應(yīng)首先依據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范和建筑熱工性能計(jì)算空調(diào)負(fù)荷以確定空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備容量大小，以及其他用能設(shè)備的選型，DB 軟件中實(shí)驗(yàn)建筑模型如圖11 所示。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造如表4 所示，墻體、屋頂均為保溫結(jié)構(gòu)一體化的夾心保溫免拆模板做法，地面為保溫雙防潮構(gòu)造處理，窗戶選用斷橋鋁窗框與Low-E 雙層中空玻璃（6mm+12mm+6mm）。

根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ26-2018）中對冬季采暖溫度的規(guī)定，及上述內(nèi)循環(huán)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的室內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)，各典型氣象日的室內(nèi)干球溫度日平均值為15℃。為探討雙效太陽能系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)對冬季建筑能耗的影響，進(jìn)行如下設(shè)置：室內(nèi)采暖溫度設(shè)置為18℃，最低不低于15℃，室內(nèi)濕度范圍為30%-80%；人員在室率、照明使用率、設(shè)備使用率按照起居室要求進(jìn)行設(shè)定，時(shí)段安排設(shè)為24h；室內(nèi)人員服裝熱阻分男女兩種情況，取平均值為1.1Clo；空調(diào)系統(tǒng)采用熱泵熱風(fēng)機(jī)；照明設(shè)置按5W/m2的功率密度標(biāo)準(zhǔn)，取LED 燈。

能耗模擬結(jié)果如表5 所示。冬季各月的采暖能耗顯著影響總能耗的整體數(shù)值，占據(jù)主導(dǎo)因素，房間能耗、照明能耗等的數(shù)值都比較小。1 月總能耗406.74kW·h，采暖能耗344.93kW·h，占比84.8%，高于12 月的83.5%，低于2 月份的85.7%。因此，室內(nèi)外環(huán)境溫差越大，采暖能耗越高。

3.2 雙效能系統(tǒng)運(yùn)行下建筑能耗變化分析

如圖12，在雙效能系統(tǒng)運(yùn)行后，單個(gè)坡屋頂?shù)奶柲芙ㄖ砥?shù)為3.77m2的光伏表皮、0.52m3的集熱空腔體積可同時(shí)提供電量和熱量，服務(wù)于下部體積為74.5m3、平面面積為27.10m2的展廳空間，其產(chǎn)能量以雙效能太陽能系統(tǒng)內(nèi)、外循環(huán)模式下的實(shí)測性能數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算。將所測氣象日中工況1～工況4 的產(chǎn)能量，對比雙效能系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)建筑能耗模擬數(shù)值得出能耗節(jié)約量，以1 月17 日（能耗1）和1 月19 日（能耗2）工況為例，雙效能系統(tǒng)介入前后耗能與供能對比情況如下圖13 所示。

11 實(shí)驗(yàn)建筑模型示意

表4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

表5 冬季建筑能耗模擬值

12 實(shí)驗(yàn)建筑冬季工況示意

13 雙效能系統(tǒng)介入前后耗能與供能對比

綜上所述，在單個(gè)雙效能太陽能系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)模式運(yùn)行下，承接太陽輻射0.52m3的集熱空腔體積，對應(yīng)組件所固定坡屋面處下部的74.5m3展廳，在冬季最冷月1 月份時(shí)，可降低建筑能耗值42%左右，其中用電能耗可以完全被抵消，此外10kW·h 左右的電量可以儲存起來，或可用于其他采暖設(shè)備供電；采暖能耗部分可以被抵消33%左右。

4 結(jié)論

通過對雙效能太陽能系統(tǒng)進(jìn)行冬季實(shí)驗(yàn)與模擬研究，結(jié)論如下：內(nèi)循環(huán)相比于外循環(huán)模式更具優(yōu)勢，不僅體現(xiàn)在出風(fēng)口溫度以及進(jìn)出風(fēng)口的溫差有效提升上，平均光電效率也保持了較高水平，因此在實(shí)際應(yīng)用中，太陽能建筑應(yīng)采用內(nèi)循環(huán)的空氣循環(huán)系統(tǒng)。通過模擬典型氣象日條件下的實(shí)驗(yàn)建筑，得出雙效能太陽能系統(tǒng)在運(yùn)行前后典型氣象日所在月的總能耗降低了42%左右，其中采暖能耗降低33%左右。

總結(jié)來看，具有雙效能太陽能系統(tǒng)的太陽能實(shí)驗(yàn)建筑設(shè)計(jì)，其體現(xiàn)的雙效能利用以及單元模塊化的設(shè)計(jì)思路具有廣闊的節(jié)能減排前景，可針對存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差，以及散點(diǎn)式清潔能源利用不合理等現(xiàn)狀問題，發(fā)揮其復(fù)合型高效性的優(yōu)勢；可結(jié)合預(yù)制裝配式建筑的模塊化空間單元，實(shí)現(xiàn)與雙效能太陽能系統(tǒng)單元的協(xié)同設(shè)計(jì)，發(fā)揮其單元模塊化的應(yīng)用潛力?！?/p>