太阳能建筑双效能界面冬季性能研究——以朱家林实验建筑为例

何文晶，徐衍新

随着低碳建筑节能技术的推广，建筑一体化光伏光热（BIPV/T）技术因其发电、供暖、供热等方面的优势，展现出广阔的应用前景和市场潜力[1-2]，成为太阳能建筑双效能利用的重要应用形式之一。它将太阳能光伏光热组件视为建筑围护结构（屋面及墙面）的一部分应用到建筑上，不仅可以改善建筑围护结构性能，还可凭借其高效的能源利用满足建筑使用者的多种需求（生活热水、采暖、用电），降低建筑用能能耗[3]。

在太阳能光伏光热建筑一体化的设计及应用研究中，第一类主要是太阳能光伏光热组件自身的多效能源利用和转化效率的研究。例如，赵军[4]在天津地区对一种空冷型非晶硅光伏光热太阳能组件进行实验研究，在自然通风条件下，其光电效率为4.56%、综合效率为38.1%；
在固定风速强制通风条件下，光电效率为4.61%、综合效率为44.9%。Wajs 等[5]通过实验研究的方法对不同BIPVT 系统的空腔深度和体积流量进行对比分析，当体积流量为4m³/h、通道深度为25mm、太阳辐射强度为900W/m2的条件下，电池组件工作温度降低了6.3K，系统有效温升最大为23.4K，综合利用效率最大值为32%。王兆萌等[6]通过实测和模拟的方式研究了风冷式BIPVT 组件性能，其中实验测试环节结果显示，在夏季典型气象条件下BIPVT 组件日平均光电效率为4.52%，平均光热效率为48.02%，总发电量为0.74kW·h，总集热量为28.33MJ。第二类研究主要是探讨BIPVT 综合利用特点。Vats 等[7]通过对比评估的方法研究了不同电池模块组成的BIPVT 系统的应用场景，结果显示：HIT 电池模块适合于产生电力，而a-SI 电池模块适合于空间加热。Ahmed-Dahmane[8]针对不同介质循环下BIPVT 建筑立面应用进行了设计，对该复合BIPVT 系统进行实验发现，空气作为循环介质可以有效降低光伏电池组件工作温度。

1 实验建筑院落全貌

2 实验建筑平面

3 光伏光热组件照片

4 光伏光热组件构造示意

5 双效能太阳能实验平台运行示意

基于当前的研究，双效能源利用中的光伏光热技术越来越成熟，但是建筑一体化具体实施应用的相关性能数据不足，且多集中在固定强制通风风速下进行不同环境变量的实验，以及探讨不同光伏组件类型的强制通风下光电光热性能，利用物联网技术实现能源高效利用的实践较少。

1.1 双效能实验建筑搭建

实验建筑位于山东省朱家林国家级田园综合体一户宅院东侧，作为新建建筑独立建造，采光环境优越，东侧、南侧和西侧不存在完全封闭的阴影区（图1），有利于开展太阳能建筑的应用研究。

该建筑坐北朝南纵向布置，为充分利用太阳能，并与当地建筑形象呼应，设计了3 个平行且相同的南向30°单坡屋顶，每个坡屋顶面积为3.77m2，前后基本不产生遮挡，因此可以提供3 处独立的双效能太阳能系统安装平面，且形成了11.31m2太阳能系统安装面积与86.6m3室内空间的量化对应关系，有利于开展太阳能界面性能实测研究。实验建筑面宽4470mm、进深7050mm（图2），实验房南侧空间上部对应的两个坡屋顶安装太阳能光伏集热器，该部分形成本研究中的双效能太阳能实验建筑单元，即两处3.77m2、0.52m3的双效能太阳能系统对应27.10m2、74.5m3展厅提供能源供给。

实验建筑采用内外双保温免拆模板的围护结构设计，围护结构的传热系数在0.3～0.33W/（m2·K）之间，该热工性能达到了节能居住建筑对围护结构的要求。

1.2 双效能太阳能系统设计

太阳能光伏光热组件由多晶硅PV 面板、带进出风口的空腔流道和酚醛保温板组成，是相对独立的集热板形式（图3）。其中多晶硅光伏面板接收太阳辐射由光生伏打效应产生电能，光电作用外的太阳辐射能量变成热量存储在组件中，由位于进出口的风机带动空腔流道空气流动，与光伏组件背板及背面空腔强迫对流换热，热量转移至流动的空气中，如此往复循环将太阳能光伏光热组件中的热量带走，降低光伏组件背板温度，提高发电效率，同时实现冬季建筑用热的需求。完成上述过程的多晶硅PV 面板额定峰值发电功率为630W，平面面积为3.77m2。在多晶硅PV 面板背部，空腔流道腔壁上设置40mm 厚的保温酚醛板，构成长×宽×厚尺寸为1320mm×2920mm×100mm 的空腔流道，体积为0.52m³，进出风口的尺寸为Φ100mm（图4）。

1.3 系统运行设计

双效能太阳能实验建筑测试，采用内循环和外循环两种模式进行对比：内循环模式，强化了太阳能建筑一体化的设计思路，组件进出风口均直接与室内相连，采用机械通风方式进行空气循环，如图5 中A 流线所示；
外循环模式，强化新风预热作用，进风口与室外环境相通，同样采用机械通风的方式进行空气循环，如图5 中B 流线所示。

设计了太阳能光伏光热组件的性能测试系统，以及相关测试传感器的测点分布如图6 所示。光电光热性能数据通过数据采集系统进行，包括风道进出口的温度传感器及风速传感器，PV 组件上下壁面的温度传感器，以及收集环境气象参数的太阳辐照仪，所有数据储存在电脑中且可读取。监测装置详情如表1 所示。

为提升太阳能光伏光热组件在双效能利用过程中的高效性，以及满足建筑室内的实际使用需求，在空气流道的进出风口处设置了一种温度控制单元，依托信控物联网技术设定不同的温度值作为空气循环的启动阈值[9]（图7）。鉴于本实验采用的多晶硅光伏组件，实验启动阈值设定为18℃，即光伏光热组件空腔出风口处的温度达到18℃，空气循环系统开启，且出风口温度每升高1℃空气循环系统挡位升高1档，共计10 档（最高体积流量7.65m3/min），为冬季室内输送热风满足室内采暖需求的同时，还可保证光伏板在一个相对较低且稳定的温度下高性能工作，满足建筑用电需求。

表1 BIPVT 组件性能监测装置参数表

6 BIPVT组件监测系统及测点布置示意

7 温度控制单元组成示意

8 30°方向太阳辐射强度与环境温度

9 内循环模式下光电效率与光热效率

10 内循环模式下总利用效率与进出风口 温升值

2.1 测试环境与条件

鉴于双效能太阳能系统的供能特点和冬季室内环境的用能需求，为研究系统全年中最低性能选取最冷月的气象日开展实测。选取2022 年1 月11 日、12 日、17 日、19 日进行实验测试，4 天实验日对应4 种工况，11-12 日工况为外循环模式，其余工况为内循环模式，且4 个工况日均为单处双效能太阳能系统运行。

对各工况日分别进行实验测试，实验时间统一为6:00-18:00 区间。其中根据1 月17 日太阳辐照强度和环境温度的变化情况（图8）可得，30°方向太阳辐射强度平均值为321.5W/m2，自9:00 左右太阳辐射强度由0W/m2逐渐升高，13:00 左右太阳辐射强度达到当日最高点812W/m2，自13:00 开始至17:00 左右太阳辐射强度逐渐降低至0W/m2，其中9:19、10:59、12:00、14:00、15:00、15:59 出现了较为明显的峰值数据，同时在9:30、11:15、12:39、14:30、15:30 左右太阳辐射强度出现较为明显的谷值数据，但骤降变化情况均在20min 以内，上述情况与轻微多云天气的出现有关；
自9:00-17:00 左右，环境温度均在0-4℃之间，平均值为2.15℃，波动小较且稳定。

2.2 系统冬季性能分析

以1 月17 日实验数据为例进行分析，测试时间内所有数据均每分钟采集一次。其瞬时光电光热效率如图9 所示，9:00-15:00 之间，空气循环系统开始工作，其中11:00-14:00 之间，光热效率一直维持在30%以上，最高可达80%；
光电效率在13:00 之前，总体趋势随着太阳辐照度升高而增大，中间出现光电效率较为明显峰值的时刻与太阳辐照度出现峰值的时刻吻合，13:00之后，光电效率受较高背板温度影响，先于太阳辐射强度的降低产生了下降趋势。由此可见，光电效率和光热效率的主要影响因素是太阳辐射强度，其次背板温度对其影响也很显著，当太阳辐照度数值较低时，太阳辐照度是主要影响因素，背板温度的影响可以忽略；
当太阳辐照度数值较高时，太阳辐照度依旧是主要影响因素，但是背板温度的影响显著。

在测试时间内平均光电效率为17.6%，平均光热效率为42.43%，总集热量为18.92MJ，总发电量为2.21kW·h。总利用效率如图10 所示，测试时间内平均总利用效率为60.03%，运行时间段内进出风口温升的平均值为16.25℃，最高温升为22.5℃。

表3 不同工况日性能参数表

对其余典型气象日在相同实验时间下的光电光热性能进行对比分析，得出不同实验日气象条件测试结果如表3 所示。将工况1 与工况2 进行对比分析，空气循环系统的启动温度阈值由15℃变为18℃，平均光电效率增加了1.3%，平均光热效率增加了15.12%，平均总利用效率增加了16.42%，总体来说，在外循环模式不同启动阈值下，光电光热双效能利用的性能对比变化明显。将工况3 和工况4 进行对比分析，在内循环模式下，平均光电效率均在17.5%左右，平均光热效率在40%以上，平均综合利用效率达到了60%以上。对比外循环模式与内循环模式的工况日发现，内循环因进风口温度较高，在相同启动温度阈值下，空气循环工作时间更长，有效集热更充分。

对比分析各日的发电量和集热量发现：工况1 总产能（电和热）3.72kW·h，产电和集热的比值关系为1.79:1；
工况2 总产能（电和热）7.56kW·h，产电和集热的比值关系为1:2.15；
工况3总产能（电和热）7.47kW·h，产电和集热的比值关系为1:2.38；
工况4 总产能（电和热）7.68kW·h，产电和集热的比值关系为1:2.53。

3.1 双效太阳能系统未运行下建筑能耗模拟

双效太阳能系统未运行时，分析研究以DB 软件模拟能耗为主。由于能量的消耗主要用于室内的空调、照明、电器等，因此在进行冬季建筑能耗模拟之前，应首先依据设计相关规范和建筑热工性能计算空调负荷以确定空调系统设备容量大小，以及其他用能设备的选型，DB 软件中实验建筑模型如图11 所示。

围护结构构造如表4 所示，墙体、屋顶均为保温结构一体化的夹心保温免拆模板做法，地面为保温双防潮构造处理，窗户选用断桥铝窗框与Low-E 双层中空玻璃（6mm+12mm+6mm）。

根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26-2018）中对冬季采暖温度的规定，及上述内循环实验环节的室内实测数据，各典型气象日的室内干球温度日平均值为15℃。为探讨双效太阳能系统未运行时对冬季建筑能耗的影响，进行如下设置：室内采暖温度设置为18℃，最低不低于15℃，室内湿度范围为30%-80%；
人员在室率、照明使用率、设备使用率按照起居室要求进行设定，时段安排设为24h；
室内人员服装热阻分男女两种情况，取平均值为1.1Clo；
空调系统采用热泵热风机；
照明设置按5W/m2的功率密度标准，取LED 灯。

能耗模拟结果如表5 所示。冬季各月的采暖能耗显著影响总能耗的整体数值，占据主导因素，房间能耗、照明能耗等的数值都比较小。1 月总能耗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，室内外环境温差越大，采暖能耗越高。

3.2 双效能系统运行下建筑能耗变化分析

如图12，在双效能系统运行后，单个坡屋顶的太阳能建筑表皮参数为3.77m2的光伏表皮、0.52m3的集热空腔体积可同时提供电量和热量，服务于下部体积为74.5m3、平面面积为27.10m2的展厅空间，其产能量以双效能太阳能系统内、外循环模式下的实测性能数据为基础计算。将所测气象日中工况1～工况4 的产能量，对比双效能系统未运行时建筑能耗模拟数值得出能耗节约量，以1 月17 日（能耗1）和1 月19 日（能耗2）工况为例，双效能系统介入前后耗能与供能对比情况如下图13 所示。

11 实验建筑模型示意

表4 围护结构构造

表5 冬季建筑能耗模拟值

12 实验建筑冬季工况示意

13 双效能系统介入前后耗能与供能对比

综上所述，在单个双效能太阳能系统内循环模式运行下，承接太阳辐射0.52m3的集热空腔体积，对应组件所固定坡屋面处下部的74.5m3展厅，在冬季最冷月1 月份时，可降低建筑能耗值42%左右，其中用电能耗可以完全被抵消，此外10kW·h 左右的电量可以储存起来，或可用于其他采暖设备供电；
采暖能耗部分可以被抵消33%左右。

通过对双效能太阳能系统进行冬季实验与模拟研究，结论如下：内循环相比于外循环模式更具优势，不仅体现在出风口温度以及进出风口的温差有效提升上，平均光电效率也保持了较高水平，因此在实际应用中，太阳能建筑应采用内循环的空气循环系统。通过模拟典型气象日条件下的实验建筑，得出双效能太阳能系统在运行前后典型气象日所在月的总能耗降低了42%左右，其中采暖能耗降低33%左右。

总结来看，具有双效能太阳能系统的太阳能实验建筑设计，其体现的双效能利用以及单元模块化的设计思路具有广阔的节能减排前景，可针对存在围护结构热工性能差，以及散点式清洁能源利用不合理等现状问题，发挥其复合型高效性的优势；
可结合预制装配式建筑的模块化空间单元，实现与双效能太阳能系统单元的协同设计，发挥其单元模块化的应用潜力。□

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