光伏墻尺寸優(yōu)化設計與綜合能源效益分析.pdf

1、隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，各類建筑保有量不斷增加，同時隨著居民生活水平的不斷提高，我國每年建筑能源消耗也在不斷增長。在能源供給日益緊張、環(huán)境問題日益突出的今天，在建筑中大力推廣太陽能相關(guān)技術(shù)的應用，將是規(guī)?；瘧每稍偕茉唇档徒ㄖ谐Ｒ?guī)能源消耗的重要途徑之一。尤其以光伏發(fā)電技術(shù)在建筑中的應用存在諸多優(yōu)點，通過合理的設計將光伏組件與建筑圍護結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不但節(jié)省了外飾層材料、美化建筑外觀，同時可以發(fā)電來減少建筑對外部常規(guī)能源的消耗，更可以起

2、到隔熱保溫的作用，降低室內(nèi)空調(diào)負荷，改善室內(nèi)熱環(huán)境，從而進一步降低建筑能耗等。然而，當前我國相關(guān)技術(shù)的發(fā)展在研究與應用上仍然存在一系列問題。
　　本文首先基于搜集的近年來我國光伏建筑應用相關(guān)項目的信息，進行統(tǒng)計分析，指出當前應用中存在的問題與不足;采用相應的預測方法對未來光伏建筑應用發(fā)展進行中長期預測，并提出了相應的實施路徑。分析結(jié)果表明，當前我國光伏建筑應用主要集中于公共建筑中，且由于一味的關(guān)注光伏組件的發(fā)電效率，局限于安裝在有

3、限的建筑屋頂或坡面上。對于未來光伏發(fā)電技術(shù)在建筑中的大規(guī)模應用，最為突出的將是空間問題，由此結(jié)合現(xiàn)狀提出兩條建議:1）縱向上，通過合理的安裝方式，充分利用建筑各方向上的立面空間;2）橫向上，在合適的區(qū)域結(jié)合既有建筑圍護結(jié)構(gòu)改造，在公共建筑和居住建筑中同步進行推廣。
　　在技術(shù)上，對于光伏組件安裝在屋頂或坡屋面上，已有大量研究，有諸多的方法與經(jīng)驗可取。而對于安裝在建筑立面上，由于之前固有的“發(fā)電效率至上”原則，使得這一方式并不被看好

4、，相關(guān)研究也相對較少，且主要集中在低緯度地區(qū)，均停留于通過實驗或計算模擬的方法論證光伏組件在建筑中應用可降低夏季建筑冷負荷，降低建筑空調(diào)能耗;而對于冬季，相關(guān)研究則主要集中在另一種新型墻體——結(jié)合光伏發(fā)電的特隆布墻(PV-Trombe Wall)，由于其特制的墻體結(jié)構(gòu)及材料特點，使得其具有一定的保溫蓄熱效果，但對于普通墻體加裝光伏組件后的熱性能研究則相對較少，更沒有針對此類墻體在設計時需要考慮的結(jié)構(gòu)形式、各部分間的幾何尺寸等方面的研究，

5、以及結(jié)合我國不同城市的不同氣象條件和墻體自身圍護結(jié)構(gòu)特點的適宜性研究。由此，本文首先通過實驗的方法，在香港搭建真實尺寸的實驗小屋，對建筑外立面以三種不同的形式加裝光伏組件（即:光伏組件與墻體間帶有空氣層且上下開口與外界大氣相連通、空氣層封閉和無空氣層）時的熱性能與普通墻體進行對比測試，對各部分間的溫度及各類墻體熱流進行對比分析。并采用一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型（對中間帶有空氣層的兩類光伏墻，采用了多個控制單元在垂直方向上進行了修正），對香港、長

6、沙和北京在夏季和冬季不同的室外溫度和太陽輻照條件下東、南和西三個方向上采用各類光伏墻和普通墻時的得熱量或熱損失進行了數(shù)值計算，而后通過輻射時間系數(shù)(Radiant TimeFactors，RTF)簡單的計算出各種情形下各類墻體對室內(nèi)產(chǎn)生的冷、熱負荷大小，而后通過對比分析得出最利于降低室內(nèi)負荷的應用方式，即，在理想的條件下:夏季，以通風散熱為目的，采用空氣層開口的光伏墻;冬季，以保溫隔熱為目的，采用空氣層封閉的光伏墻，由此全年可很好的降低

7、室內(nèi)冷熱負荷。但在折中的情況下，類似于香港的南方地區(qū)應當偏重于夏季的通風散熱目的，采用空氣層開口的光伏墻形式;對于類似于北京的北方地區(qū)，則應當偏重于冬季的保溫隔熱目的，采用空氣層封閉的光伏墻形式;而對于中間的夏熱冬冷地區(qū)或過渡地區(qū)，應根據(jù)墻體表面冬、夏季所能獲得的太陽輻照情況、室外環(huán)境溫度及自身圍護結(jié)構(gòu)熱工性能等參數(shù)來綜合考慮是以通風散熱為目的還是以保溫隔熱為目的，從而確定光伏墻中空氣層是開口還是封閉。
　　而后針對光伏墻在夏季以

8、通風散熱為目的時，借助FLUENT流體動力學計算軟件，對于光伏墻中組件與墻體間的距離，以及組件與組件間的距離進行了優(yōu)化設計?？紤]到光伏墻最佳的散熱方式并不是當前大多數(shù)相似研究中所采用的空氣層僅上下開口，之間存在特定且唯一的流道的形式，本研究以三維模型的方式，對于光伏組件掛裝于墻體外立面時上下左右均存在開口的“節(jié)點開放(Open Joint)”的安裝方式，將室外大氣層納入計算域中，并根據(jù)室外風環(huán)境模擬中來流風輪廓線分布對不同高度的風速進行

9、假設，以更接近真實的條件下，對光伏組件內(nèi)外兩側(cè)的空氣在熱壓和風壓的共同作用下的流動進行了模擬仿真，并借助軟件中的太陽輻射熱流計算模型對光伏組件及墻體各表面的溫度場進行了計算，針對各表面間不同的距離對各表面的溫度的影響進行了對比分析，得出當a（組件背面和墻體間的距離與組件垂直方向長度的比）由0.05變?yōu)?.15時，對光伏組件和墻體溫度的降低最為明顯;當b（上下相鄰兩塊組件間在垂直方向上的間隙與組件垂直方向長度的比）由0變?yōu)?.1時，對光伏

10、組件溫度的降低最為明顯;同樣，當c（左右相鄰兩塊組件間在水平方向上的間隙大小與組件橫向?qū)挾鹊谋龋┯?變?yōu)?.1時，對光伏組件溫度的降低最為明顯，而后進一步增大時，溫度變化不再明顯。由此根據(jù)各種組件存在的特定模數(shù)，提出a=0.1～0.15，b=0.1，c=0.1作為設計時的取值參考，對于組件溫度的降低有較為明顯的效果。
　　最后，選取南方某具體光伏墻建筑，結(jié)合現(xiàn)場實測溫度及發(fā)電量數(shù)據(jù)，對其全年空調(diào)能耗和總發(fā)電量進行了模擬計算，其中能

11、耗采用EnergyPlus軟件進行模擬，發(fā)電量則采用桑迪亞模型(Sandia Array Performance Model，SAPM)進行計算，并進行校驗，后對空氣層上下開口、空氣層封閉、節(jié)點開放式和普通墻體等四類墻體分別進行計算并對比分析，得出各類光伏墻由于結(jié)構(gòu)上的差異導致的冷熱負荷差異明顯大于發(fā)電量上的差異。并且各種情況下，發(fā)電量僅占節(jié)約的空調(diào)能耗的10％左右，可見從綜合能源效益的角度來考慮，“發(fā)電效率至上”的原則是不適用的。因此