DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1334 文章編號：0254-0096（2023）12-0024-09

摘 要：該文提出一種新型一體化通風光伏屋頂。為優(yōu)化該屋頂結(jié)構(gòu)，建立該光伏屋頂?shù)腃FD模型，并通過實驗驗證模型的準確性?；谠揅FD模型，探究散熱通道高度[H]和組件間距[D]對光伏屋頂溫度分布的影響。結(jié)果表明，增加[H]和[D]強化了光伏屋頂散熱，有效提高了組件發(fā)電效率。綜合考慮散熱效果和結(jié)構(gòu)可靠性等因素，該光伏屋頂?shù)膬?yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為[H=50 mm]，[D=100]mm。進一步采用EnergyPlus模擬該光伏屋頂?shù)膫鳠崽匦院凸夥a(chǎn)能特性。結(jié)果表明，在西安地區(qū)，與普通屋頂相比，新型光伏屋頂夏季得熱量和冬季熱損失分別降低了48.0%和27.1%，全年建筑節(jié)能潛力高達198.0 kWh/m2。

關(guān)鍵詞：光伏；屋頂；節(jié)能；BAPV；BIPV；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；熱電性能

中圖分類號：TM615 """"" 文獻標志碼：A

0 引 言

在屋頂安裝光伏既能減少室內(nèi)得熱，又能發(fā)電，節(jié)能效果顯著［1-3］。根據(jù)安裝方式的不同，光伏屋頂可分為附加式光伏（building attached photovoltaic，BAPV）和一體化光伏（building integrated photovoltaic，BIPV），BAPV是指光伏發(fā)電系統(tǒng)附著于建筑表面，不具備建筑屋頂外圍護結(jié)構(gòu)功能，而BIPV是指光伏發(fā)電系統(tǒng)作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分，既有發(fā)電功能，又具有建筑外圍護結(jié)構(gòu)功能［4-5］。與BAPV相比，BIPV既能節(jié)省建筑材料，有效降低成本，還具有與建筑設(shè)計、施工和安裝同步的特點，因此，一體化光伏系統(tǒng)能與建筑物完美融合，不影響建筑美觀［6］。

光伏屋頂?shù)臒犭娦阅芗捌鋵ㄖ摵傻挠绊懸训玫綇V泛研究。楊洪興等［7］通過數(shù)值模擬的方式研究了通風光伏屋頂?shù)臒犭娦阅埽籅rinkworth等［8］重點研究了屋頂安裝光伏后光伏組件的電性能，并定性分析其對建筑負荷的影響；李曉剛等［9］基于有限元方法分析了在多種太陽輻射和風速的情況下光伏組件對屋頂溫度的影響，并分析了光伏組件對該附加式光伏屋頂?shù)谋馗魺嵝Ч挠绊?；Kapsalis等［10-11］通過TRNSYS模擬研究了附加式光伏屋頂對建筑負荷的影響；任建波等［12］建立3種不同形式光伏屋頂和普通屋頂?shù)囊痪S非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，研究不同屋頂形式對建筑負荷的影響；劉艷峰等［13］通過COMSOL和TRNSYS建立附加式光伏屋頂系統(tǒng)的綜合節(jié)能效率模型，并對系統(tǒng)綜合節(jié)能特性進行分析。

基于以上文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前研究集中在附加式光伏屋頂，針對一體化光伏屋頂?shù)难芯窟€較欠缺。然而，現(xiàn)階段常用的一體化光伏屋頂中光伏組件與屋面完全貼合，組件散熱條件差，且組件的接線盒位于室內(nèi)，存在屋頂系統(tǒng)防火能力差等問題?；诖耍狙芯刻岢鲆环N新型一體化通風光伏屋頂，與現(xiàn)有一體化光伏屋頂相比，該屋頂具有優(yōu)異的散熱性能，且提高了光伏屋頂系統(tǒng)的防火能力。

本文在西安地區(qū)搭建該新型一體化通風光伏屋頂?shù)膶崪y平臺，并對其開展實驗研究。為優(yōu)化該屋頂結(jié)構(gòu)，建立該光伏屋頂?shù)腃FD模型，并通過實驗驗證模型的準確性?；谠揅FD模型，探究散熱通道高度[H]和組件間距[D]對光伏屋頂溫度分布的影響。綜合考慮散熱效果和結(jié)構(gòu)可靠性等因素，分析得到新型光伏屋頂?shù)膬?yōu)化推薦結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外，為探究該屋頂?shù)臒犭娦阅懿⒎治銎涔?jié)能潛力，本文以所搭實測平臺為例，利用EnergyPlus建立模型，通過實測數(shù)據(jù)驗證模型準確性后，利用以上模型模擬該屋頂在西安地區(qū)的傳熱特性和光伏產(chǎn)能特性，并比較該屋頂與普通屋頂在夏季和冬季的熱性能。綜合考慮發(fā)電量和得熱/熱損失減少量（較普通屋頂），分析獲得該新型光伏屋頂?shù)墓?jié)能潛力。

1 實驗平臺

如圖1a和圖1b所示，新型一體化通風光伏屋頂由光伏組件和槽形金屬瓦板（厚度0.6 mm）構(gòu)成，光伏組件兩側(cè)及中間區(qū)域通過結(jié)構(gòu)膠固定于金屬瓦板上，金屬瓦板的一側(cè)鎖邊結(jié)構(gòu)能夠與相鄰金屬瓦板的另一側(cè)鎖邊結(jié)構(gòu)鎖合，同一列光伏組件間距為[D]。通過上述方式組裝形成光伏屋頂后，光伏組件、接線盒及接線盒之間的連線均位于室外，室內(nèi)與光伏組件之間間隔一層金屬瓦板，使得屋頂具有很好的防火性能。此外光伏組件安裝在槽型金屬瓦板上之后，會在光伏組件和金屬瓦板之間形成高度為[H]的散熱通道，從而提高光伏組件散熱能力。太陽組件結(jié)構(gòu)由上至下依次為上層玻璃、上層EVA、光伏電池、下層EVA和下層玻璃。組件的規(guī)格和物性參數(shù)見表1和表2。

如圖2所示，新型光伏屋頂實測平臺位于西安市（北緯34.29°，東經(jīng)108.95°）。該建筑尺寸為6.05 m×3.4 m×2.6 m（長×寬×高）：墻體材料由0.4 mm鋼板+50 mm巖棉+0.4 mm鋼板組成；南側(cè)和北側(cè)各有一尺寸為1.2 m×0.6 m的鋁合金外窗；屋頂為新型光伏屋頂，共8塊組件，其中散熱通道高度[H]為60 mm，組件間距D為100 mm。

實驗平臺測點布置如圖3a所示，分別在點1～4處布置K型熱電偶測量光伏組件背面溫度，記為[T1、T2、T3、T4]。同時，室外安裝了圖3b所示小型氣象站，測量當?shù)乜諝鉁囟萚Ta]、風速[V]和輻照度[G]。實驗中所有傳感器連接至數(shù)據(jù)采集裝置（圖3c），采樣時間間隔為1 min。表3為實驗過程中各儀器的詳細信息。

2 模擬方法

2.1 CFD模型

為研究空氣流道尺寸對散熱的影響，本文在Spaceclaim中建立實驗臺的三維物理模型。計算域如圖4所示，流場域入口邊界與建筑物的距離為[5h]（[h]為建筑物高度），出口邊界與建筑物的距離為[15h]，其他邊界與建筑物的距離為[5h]［14］。

使用ANSYS前處理模塊Fluent Meshing對計算域進行網(wǎng)格劃分。為排除網(wǎng)格密度對計算結(jié)果的影響，本文對比了在相同工況下采用不同網(wǎng)格數(shù)量的組件溫度計算結(jié)果。如表4所示，網(wǎng)格數(shù)量由M1增加到M2，組件平均溫度增加1.5 ℃；網(wǎng)格數(shù)量由M2增加至M3，組件平均溫度變化僅0.1 ℃，可見此時網(wǎng)格數(shù)量的增加對計算結(jié)果影響較小。綜合考慮計算精確度和計算時間，最終選擇M2對計算域進行網(wǎng)格劃分。如圖5所示，全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置為600 mm，采用六面體網(wǎng)格，在建筑周圍h距離的核心區(qū)域采用尺寸為100 mm的高密度網(wǎng)格，并在光伏組件、建筑物壁面等與流體域接觸的重要換熱區(qū)域添加5層邊界層，其中細網(wǎng)格向粗網(wǎng)格過渡的增長率為1.2。

本文采用Fluent軟件進行計算，計算過程中的模型選擇及邊界條件設(shè)置如下：

1）計算域中流體為湍流流動，選用standard k-ε湍流模型；

2）輻射模型選用適用于所有光學厚度場景的離散坐標輻射模型（DO模型），并采用Solar Ray Tracing模型來模擬太陽輻射［15］；

3）流場域入口采用速度入口邊界條件，流場域出口采用壓力出口邊界，所有固體表面采用無滑移邊界，流場域兩側(cè)以及上部采用對稱面邊界條件；

4）采用基于壓力的分離式求解器（Pressure-Based），壓力插值選用Body Force Weighted格式，流場中壓力速度耦合方式采用SIMPLE，梯度插值采用基于單元體的最小二乘法（Least Squares cell Based）插值。

2.2 EnergyPlus模型

本文以實測平臺為例，利用EnergyPlus建立模型，模擬屋頂傳熱特性和光伏產(chǎn)能特性，并進一步分析新型光伏屋頂?shù)墓?jié)能潛力。如圖6所示，建筑模型尺寸和圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)參照實驗測試平臺進行設(shè)置，其中墻面和屋頂設(shè)置為外圍護結(jié)構(gòu)，地板為與房間傳熱的內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)，其余為內(nèi)墻?？照{(diào)類型為理想空調(diào)系統(tǒng)，參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB 50189）［16］，對該建筑全年供熱期（11月份—次年2月份）和供冷期（6—10月份）的空調(diào)系統(tǒng)運行模式進行設(shè)置，其中室內(nèi)空氣溫度、冷風滲透、新風、內(nèi)熱源（室內(nèi)人員、照明系統(tǒng)、室內(nèi)設(shè)備）等參數(shù)的具體設(shè)置如表5所示。散熱通道處設(shè)置氣流網(wǎng)格模塊模擬空氣流動，并采用等效二極管模型（Photovoltaic Performance： Equlvalentone-Diode）計算屋頂光伏發(fā)電量。

3 模型驗證

3.1 CFD模型驗證

圖7a為光伏組件溫度分布云圖，結(jié)果顯示每塊光伏組件a、b、c區(qū)域的溫度均明顯高于其他區(qū)域，這是因為這3個區(qū)域是組件與屋頂?shù)倪B接部位，與屋頂直接接觸，散熱效果差。組件上各測點溫度高低依次為[T4gt;T2gt;T3gt;T1]，結(jié)合圖7b的速度矢量圖分析其原因：1）環(huán)境中的冷空氣通過入口1進入散熱通道對組件冷卻，沿著氣流方向空氣溫度升高，對光伏組件的冷卻作用變?nèi)?，故[T4gt;T2gt;T1]；2）由于部分冷空氣從入口2（相鄰組件間隙處）進入第2塊組件下方散熱通道冷卻光伏組件，故[T3]低于[T2]?？梢?，模型計算結(jié)果合理。

圖8記錄了6月19日09：00—17：00各測點溫度、環(huán)境溫度和輻照度。結(jié)果顯示各測點溫度大小關(guān)系為[T4gt;T2gt;T3gt;T1]，與模擬結(jié)果一致。此外，6月19日11：30，環(huán)境溫度27.1 ℃、風速2.3 m/s、輻照度為860 W/m2，在這一工況條件下模擬的光伏組件背面測點平均溫度為60.6 ℃，與實驗測量值59.8 ℃僅相差0.8 ℃?？梢姡M結(jié)果與測試結(jié)果吻合良好，表明模型準確可靠。

3.2 EnergyPlus模型驗證

本文采用圖9所示的防護熱箱測量該新型光伏屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)，與EnergyPlus模擬的傳熱系數(shù)進行對比從而驗證模型的準確性。熱箱法傳熱系數(shù)的測定基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理，實驗過程中采用溫度控制裝置控制溫度，并通過監(jiān)控數(shù)據(jù)采集裝置來判定是否達到以下穩(wěn)態(tài)條件：1）冷、熱箱中空氣溫度達到設(shè)定值；2）熱箱空氣溫度和表面溫度每小時變化的絕對值不大于0.1 K；3）冷箱空氣溫度和表面溫度每小時變化的絕對值不大于0.3 K；4）溫度不呈單向變化。

試件安裝參照《建筑外門窗保溫性能檢測方法》（GB/T 8484—2020）［17］，如圖9b所示，試件熱側(cè)表面與填充板熱側(cè)表面平齊，填充板采用導熱系數(shù)為0.034 W/（m?K）的50 mm擠塑聚苯乙烯泡沫板。實驗時，開啟電加熱器，維持熱箱空氣溫度為20 ℃，模擬供暖建筑冬季室內(nèi)氣溫條件；開啟制冷機組，維持冷箱空氣溫度為[-18 ℃]，模擬冬季室外氣溫條件。根據(jù)6次穩(wěn)態(tài)條件下記錄的溫度和輸入功率平均值，計算新型光伏屋頂樣品的傳熱系數(shù)為4.96 W/（m2·K）。

EnergyPlus模擬的屋頂傳熱系數(shù)為4.75 W/（m2·K），與熱箱實測值之間的相對誤差為4%，在誤差允許范圍之內(nèi)，從而驗證了EnergyPlus模型的準確性。

4 結(jié)果與分析

4.1 新型光伏屋頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1.1 散熱通道高度對組件溫度影響

為研究光伏組件與金屬屋面之間散熱通道高度對組件散熱效果影響，在室外環(huán)境溫度為29 ℃、風速1.5 m/s、屋頂輻照度852 W/m2的條件下，模擬散熱通道高度[H]分別為40、50、100、200和300 mm時的組件溫度和屋頂溫度。圖10為不同散熱通道高度下組件溫度分布云圖，圖11展示了不同散熱通道高度下組件、屋頂遮陽區(qū)域和屋頂直射區(qū)域的溫度。

由圖10和圖11可知，組件溫度隨著散熱通道高度的增加而下降：散熱通道高度從40 mm增加到300 mm，組件背面平均溫度下降了1.9 ℃，其中散熱通道高度從40 mm增加到50 mm時，散熱效果增強最明顯，隨著散熱通道高度增加，光伏組件散熱效果繼續(xù)增強，但增強的程度逐漸減弱，當H繼續(xù)增加到200 mm時，組件溫度幾乎不再變化?？紤]到屋頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和散熱效果，本文認為[H=50]mm為最佳散熱通道高度。

觀察圖11中屋頂直射區(qū)域與屋頂遮陽區(qū)域的溫度曲線可知，隨著散熱通道高度的增加，屋頂直射區(qū)域和遮陽區(qū)域的溫度均有所下降，這表明散熱通道對光伏組件和金屬屋面的散熱均有積極作用，且散熱通道高度增加，散熱效果增強。對比同一散熱通道高度下的屋頂直射區(qū)域與遮陽區(qū)域，發(fā)現(xiàn)遮陽區(qū)域溫度比直射區(qū)域低4～5 ℃，這是因為屋頂遮陽區(qū)域接收到的來自組件背面的長波輻射小于直射區(qū)域接收的太陽輻射，這表明相比傳統(tǒng)屋頂，新型光伏屋頂可有效減少屋頂?shù)脽幔瑥亩档徒ㄖ湄摵伞?/p>

4.1.2 組件間距對組件溫度影響

圖12給出了不同組件間距下光伏組件溫度、屋頂遮陽區(qū)域和直射區(qū)域的溫度。由圖12可知，組件溫度隨著組件間距[D]的增加而下降，間距[D]從0增加到150 mm，組件平均溫度由63.7 ℃降低到62.0 ℃，這是因為大間距有利于外界冷

空氣進入光伏組件底部的散熱通道，冷卻組件。結(jié)果顯示組件間距在80～100 mm時組件溫度下降速率最快，[D=100 mm]時冷卻效果最好，此時再繼續(xù)增加組件間距，組件溫度只有微弱下降。綜合考慮組件數(shù)量和單塊組件的發(fā)電效率，本文認為[D=100 mm]為最佳組件間距。此外，由圖12可知，隨著組件間距增加，屋頂直射區(qū)域和遮陽區(qū)域均有所下降，且屋頂直射區(qū)域比遮陽區(qū)域的溫度高約5 ℃。

4.2 新型光伏屋頂熱電特性及節(jié)能潛力分析

4.2.1 新型光伏屋頂夏季熱性能分析

為對比新型光伏屋頂和普通屋頂?shù)臒嵝阅埽芯恐心M了西安兩種屋頂?shù)耐獗砻鏈囟群偷脽崃?。圖13a對比了夏季新型光伏屋頂和普通屋頂外表面溫度。在整個夏季，普通屋頂外表面溫度為25.5 ℃，新型光伏屋頂外表面平均溫度為24.5 ℃。在夏季白天，普通屋頂外表面平均溫度為29.6 ℃，而新型光伏屋頂外表面平均溫度為26.8 ℃，表明新型光伏屋頂在光伏組件的遮擋作用下能有效降低屋頂外表面溫度，從而大幅減少其得熱量。在夏季夜間，新型光伏屋頂外表面平均溫度為22.9 ℃，與普通屋頂外表面平均溫度（22.6 ℃）差別不大，說明兩種屋頂在夜間熱性能相差不明顯。

圖13b對比了夏季新型光伏屋頂和普通屋頂?shù)脽崃俊膱D中可看出，兩種屋頂在大部分時間得熱量為正值，屋頂

處于得熱狀態(tài)。普通屋頂?shù)目偟脽崃?4550 Wh/m2，新型光伏屋頂總得熱量為19492 Wh/m2，較普通屋頂下降約43%。在夏季白天供冷時間段，普通屋頂總得熱量為29235 Wh/m2，日均得熱量為241.6 Wh/m2，新型光伏屋頂總得熱量為15164 Wh/m2，日均得熱量為125.3 Wh/m2，較普通屋頂夏季白天總得熱和日均得熱均下降約48.0%?？梢娫谙募?，新型光伏屋頂系統(tǒng)具有較好的熱性能，尤其是在白天，新型光伏屋頂因具有良好的遮陽功能，使得屋頂?shù)脽崃看蠓陆怠?/p>

4.2.2 新型光伏屋頂冬季熱性能分析

圖14a對比了冬季新型光伏屋頂和普通屋頂外表面溫度。在整個冬季，普通屋頂外表面平均溫度為7.1 ℃，而新型光伏屋頂外表面平均溫度為9.1 ℃。冬季白天，普通屋頂外表面平均溫度為10.8 ℃，而新型光伏屋頂外表面平均溫度為12.0 ℃。冬季夜間，普通屋頂外表面平均溫度為4.5 ℃，而新型光伏屋頂外表面平均溫度為7.0 ℃。在冬季，不管是白天還是夜間，新型光伏屋頂外表面溫度均高于普通屋頂，這表明由于光伏組件和金屬屋面間空氣層的存在，新型光伏屋頂具有較好的保溫性能。

圖14b對比了冬季新型光伏屋頂和普通屋頂?shù)脽崃俊膱D14b中可看出，兩種屋頂在大部分時間得熱量為負值，屋頂處于熱損失狀態(tài)。普通屋頂總熱損失量為84104 Wh/m2，新型光伏屋頂總熱損失量為61826 Wh/m2，較普通屋頂下降26.5%。在冬季白天供熱時段，普通屋頂總熱損失為42369 Wh/m2，日均熱損失為353 Wh/m2，而新型光伏屋頂總熱損失為30635 Wh/m2，日均熱損失為255 Wh/m2，較普通屋頂冬季白天總熱損失和日均熱損失均下降約27.7%。這一結(jié)果進一步表明新型光伏屋頂具有較好的保溫性能，能減少屋頂冬季熱損失。

4.2.3 新型光伏屋頂全年發(fā)電性能分析

圖15顯示新型光伏屋頂月輻射量、月發(fā)電量和月平均發(fā)電效率，計算全年總輻射量、全年總發(fā)電量和全年平均發(fā)電效率分別為1049.5 kWh/m2、190.2 kWh/m2和18.13%。在冬季（11月份—次年2月份），屋頂接收的太陽輻射量較小，總輻射量為192 kWh/m2，此時光伏屋頂發(fā)電量和平均發(fā)電效率分別為37 kWh/m2和19.27%；在夏季（6—9月份），屋頂接收的太陽輻射量較大，總輻射量為466.4 kWh/m2，屋頂發(fā)電量增加到81.8 kWh/m2，而光伏平均發(fā)電效率下降到17.53%，這主要是由組件溫度上升引起的。

4.2.4 新型光伏屋頂綜合節(jié)能潛力分析

新型光伏屋頂綜合節(jié)能潛力E通過式（1）計算［18］。

[E=EPV+ΔH1C1+ΔH2C2] （1）

式中：[EPV]——光伏屋頂發(fā)電量，kWh/m2；[ΔH1]——制冷季新型光伏屋頂?shù)脽釡p少量（與普通屋頂相比），kWh/m2；[ΔH2]——供暖季新型光伏屋頂熱損失減少量，kWh/m2；[C1]——制冷季空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)，設(shè)置為3.5；[C2]——供暖季空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)，設(shè)置為3。

如圖16所示，新型光伏屋頂節(jié)能效果明顯，全年綜合節(jié)能潛力為198.0 kWh/m2。其中冬季節(jié)能潛力為39.9 kWh/m2，占全年綜合節(jié)能潛力的20.23%；在夏季，一方面光伏發(fā)電量較大，另一方面組件遮陽對屋頂?shù)脽岬南鳒p作用明顯，節(jié)能潛力高達85.8 kWh/m2，占全年綜合節(jié)能潛力的43.5%；在過渡季，節(jié)能潛力為72.3 kWh/m2，占全年綜合節(jié)能潛力的36.27%。

5 結(jié) 論

本文提出一種新型一體化通風光伏屋頂，并在西安地區(qū)搭建實測平臺開展實驗研究。為優(yōu)化屋頂結(jié)構(gòu)，建立該光伏屋頂?shù)腃FD模型，通過實驗數(shù)據(jù)驗證模型的準確性后，利用以上模型開展光伏屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化研究；進一步地，通過EnergyPlus模擬該屋頂?shù)膫鳠崽匦院凸夥a(chǎn)能特性，并分析獲得其節(jié)能潛力，主要結(jié)論如下：

1）增加散熱通道高度[H]和組件間距[D]有利于光伏屋頂散熱，提高組件發(fā)電性能。綜合考慮散熱效果和結(jié)構(gòu)可靠性等因素，新型光伏屋頂?shù)膬?yōu)化推薦結(jié)構(gòu)參數(shù)為[H=50]mm，[D=100 ]mm。

2）相比于普通屋頂，新型光伏屋頂具有較好的熱性能。在夏季，新型光伏屋頂系統(tǒng)由于組件良好的遮陽功能，屋頂?shù)脽崃肯陆盗?8.0%；在冬季，新型光伏屋頂由于空氣層的存在，具有較好的保溫性能，屋頂熱損失下降了27.1%。

3）新型光伏屋頂單位面積年平均發(fā)電量為190.2 kWh/m2，全年平均發(fā)電效率為18.13%。

4）綜合考慮全年發(fā)電量和得熱/熱損失減少量，新型光伏屋頂?shù)墓?jié)能潛力可達198.0 kWh/m2。

綜上所述，本文提出一種新型一體化通風光伏屋頂結(jié)構(gòu)，得到推薦的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對其熱電性能和節(jié)能潛力進行綜合評估。本研究為該新型一體化通風光伏屋頂在實際工程中的應用提供了理論依據(jù)。

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STRUCTURE OPTIMIZATION AND ENERGY SAVING POTENTIAL INVESTIGATION OF NOVEL INTERGRATED VENTILATED PV ROOF

Peng Jinqing1，Zhang Qiangzhi1，Zhou Cong2，Zhang Song2，Zhang Fengjun3，Luo Yimo1

（1. College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China；

2. Longi Green Energy Technology Co.， Ltd.， Xi’an 710100， China；

3. Center International Group Co.， Ltd.， Beijing 100176， China）

Abstract：A novel integrated ventilated photovoltaic roof was proposed in the paper. To optimize the structure of the roof， a CFD model was established and verified by experiments. With the CFD model， the effect of the heat dissipation channel height H and module spacing D on the temperature distribution of the PV roof were investigated. The results show that the increase of H and D can strengthen the heat dissipation of the PV roof and effectively improve its power generation efficiency. Considering both of the heat dissipation effect and structural reliability， the optimal H and D are calculated to be 50 mm and 100 mm respectively. Furthermore， the heat transfer" and energy generation characteristics of the PV roof were simulated with EnergyPlus. Compared to the conventional roof， its heat gain in summer and heat loss in winter were reduced by 48.0% and 27.1% in Xi’an， and the annual energy saving potential was as high as 198.0 kWh/m2.

Keywords：photovoltaic； roof； energy saving； BAPV； BIPV； structure optimization； thermoelectric properties

收稿日期：2023-08-15

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2022YFB4201002-1）；隆基綠能科技股份有限公司項目（裝配式BIPV產(chǎn)品熱工性能分析H202091370547）

通信作者：羅伊默（1987—），女，博士、教授、博士生導師，主要從事建筑一體化太陽能綜合利用，建筑儲能技術(shù)等方面的研究。

yimoluo@hnu.edu.cn