王兆萌¹  全貞花^1,2  趙耀華^1,2  蔡俊杰¹   許子寰¹   王崗¹

1.北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室；2.北京未來網絡科技高精尖創新中心

       【摘  要】將基于平板微熱管陣列技術的太陽能光伏光熱技術與建筑墻體和屋頂相結合，設計出新型太陽能光伏光熱建筑一體化模型。通過模擬軟件DeST和Polysun進行模擬，將新型光伏光熱一體化建筑與常規太陽能光伏建筑作對比，比較兩種類型建筑的發電性能，光熱性能，及其對建筑熱環境的影響。通過模擬結果分析得到新型光伏光熱一體化建筑冬季熱負荷較傳統形式光伏幕墻減少了62.80%，年發電量提高2826kWh，同時太陽能組件每年產生熱量可滿足室內部分熱量需求。研究結果為新型太陽能光伏光熱建筑一體化系統的應用提供了理論依據與設計指導。

       【關鍵詞】光伏光熱；建筑一體化；建筑負荷；模擬

Abstract : This paper combines the solar thermal system based on the flat-plate type micro heat pipe array technology with building wall and roof, so as to design a building integrated model which can meet the requirement of indoor part heat requirement. By using the simulation software DeST and Polysun, compared with conventional solar PV architecture, the new type of photovoltaic solar thermal integration architecture is compared to the power generation performance of the two types of buildings, the thermal performance and the influence on the thermal environment of the building. 
The simulation results analysis of the new solar thermal integration of the new photovoltaic solar system has been reduced by 62.80% in the traditional form of the solar panel, and the energy output of the solar panels is up to 2826kWh one year, and the heat from the solar module are able to satisfy some of the needs of the room's heat. The research results provide the theoretical basis and design guidance for the application of the new solar photovoltaic solar thermal building integrated system.

Keywords : Photovoltaic/Thermal(PV/T); Building integration; Building load; Simulation

0 引言

       太陽能作為一種清潔能源，近年來得到越來越廣泛的應用，通過對可再生能源的利用，可減少化石能源的消耗，保護大氣環境，維護生態平衡。越來越多的學者研究應用先進的技術，對太陽能進行更有效的利用。太陽能光伏光熱建筑一體化不同于傳統的太陽能光伏光電系統，它將太陽能組件與建筑結合，同時可滿足室內用電，供熱需求。

       關于建筑一體化的問題，國內外的學者們做了大量研究。Tiwari^[1]將半透明光伏光熱組件與建筑屋頂相結合，通過實驗，對其熱性能進行研究發現通過建筑一體化得到上層房間溫度明顯高于下層。Elsated^[2]將光伏光熱系統與建筑側立面相結合，通過實驗對空氣冷卻的效果進行研究發現，在冬季工況下，太陽能光伏光熱組件產生的熱量可承擔40%的建筑熱負荷，夏季冷負荷也有所降低。Anderson^[3]提出了將太陽能光伏光熱組件與屋頂相結合作為建筑一體化模型進行實驗。Wang^[4]研究了一種由熱管和相變蓄熱材料組成的建筑一體化BIPV/T系統，研究發現，實驗條件下平均熱效率為61.1%，電效率為7.8%，實際是以犧牲大量的電效率來增加熱效率。

       傳統太陽能光伏光電系統使用太陽能組件進行發電，但有占地面積大，不美觀的缺點；光伏玻璃幕墻將太陽能組件與傳統幕墻相結合，形成一種新型建筑幕墻，但其與建筑結合后，房間負荷均有提高，增加能源消耗。本文提出將太陽能光伏光熱組件與屋頂，墻體相結合，形成一體化建筑，減少房間負荷，代替傳統墻體，滿足建筑學要求，降低建筑造價，同時由太陽能組件產生的熱量可為室內提供生活熱水。本文通過對傳統光伏建筑與基于微熱管陣列[5]的新型太陽能光伏光熱建筑一體化模型分別進行模擬研究，并對其結果進行對比分析，為新型太陽能光伏光熱建筑一體化系統的實際應用提供理論依據。

1 建筑模型概況

       建筑為兩個5m（長）×5m（寬）×2.8m（高）的房間模型，屋頂設為單面坡，坡度為5°，現將其南面墻和屋頂鋪設太陽能組件。

       ROOM A中南面墻鋪設1.2m（長）×0.6m（寬）的PV組件，屋頂鋪設2m（長）×1m（寬）的PV組件。南面墻與東面墻上下各富余0.2m，左右富余0.1m，屋頂太陽能板居中放置。鋪設方式均為緊密貼合，將預裝的太陽能組件連接，嵌入輕質墻體中。鋪設太陽能組件可節省墻體材料27.52m²，降低房間造價。為保證房間通風及采光需求，西側設高為2.3m，寬為2m的門，東側設距地板高1m，高1.5m，寬2m的窗。

       ROOM B中屋頂及南側墻均鋪設為PV/T組件，尺寸與ROOM A相同。門窗設置均與ROOM A相同。太陽能組件布置如圖1所示。

圖1 太陽能組件布置圖

2 建筑模型負荷模擬及結果分析

       2.1 建筑模型在DeST中的建立

       2.1.1 ROOM A的建立

       通過建立ROOM A的建筑模型，使用DeST軟件進行模擬，得到其冷熱負荷。建筑模型長為5m，寬5m，高2.80m，南側、房頂布置平板式太陽能組件，西側設高為2.30m，寬為2m的門，北側設距地板高1m，高1m，寬2m的窗，同時加入通風。建筑東墻、西墻和北墻中外墻（除門窗外）采用24磚墻+聚苯板內保溫，導熱熱阻為1.45，熱惰性指標為2.67；建筑南墻和屋頂采用PV組件，模擬時，采用7mm，導熱熱阻為0.01，熱惰性指標為0.10的平板玻璃進行計算。建筑模型如圖2所示。

圖2 ROOM A建筑模型圖

       2.1.2 ROOM B的建立

       通過建立ROOM B的建筑模型，使用DeST軟件進行模擬，得到其冷熱負荷。建筑模型及門窗尺寸均與ROOM A相同。建筑東墻、西墻與北墻中外墻（除門窗外）采用24磚墻+聚苯板內保溫；建筑南墻和屋頂均采用PV/T組件，模擬時，采用7mm的普通玻璃,3mm的金屬鋁和90mm的聚氨酯泡沫塑料進行計算，其導熱熱阻為2.91，熱惰性指標為1.38。采用北京地區氣象參數為依據進行模擬。建筑模型如圖3所示。

圖3 ROOM B建筑模型圖

       2.2 使用DeST對建筑模型ROOM A、ROOM B模擬結果與分析

       2.2.1 DeST對ROOM A模擬結果

       通過對系統進行模擬運行得到逐時太陽輻射量，全年太陽直射輻射強度，如圖4、圖5所示。

圖4 逐時太陽輻射量

圖5 全年太陽直射輻射強度統計圖

       同時，通過模擬此房間一年中的負荷情況，得到一年中的房間逐時冷負荷和房間逐時熱負荷，如圖6、圖7所示。

圖6 房間逐時冷負荷

圖7 房間逐時熱負荷

       對數據進行處理，分析后，得到本房間最大冷負荷為2.83kW,最大熱負荷值為5.43kW。建立建筑模型，對其進行24小時供熱、制冷。由于冬季室內外溫差較大，南墻和屋頂采用PV組件時，通過圍護結構熱量散失較大，冬季房間逐時熱負荷與冷負荷相比較大。為滿足房間內冬季供熱需求，需根據房間最大熱負荷進行太陽能-熱泵系統的設計及匹配選型。

       2.2.2 DeST對ROOM B模擬結果

       模擬得到氣象參數與ROOM A相同。同時，通過模擬此房間一年中的負荷情況，得到一年中的房間逐時冷負荷和房間逐時熱負荷，如圖8、圖9所示。

圖8 房間逐時冷負荷

圖9 房間逐時熱負荷

       對數據進行處理，分析后，得到本房間最大冷負荷為2.36kW,最大熱負荷值為2.02kW。為滿足房間夏季制冷需求，可根據房間最大冷負荷進行太陽能-熱泵系統的設計及匹配選型。

       2.2.3 DeST對ROOM A、ROOM B模擬結果分析

       對得到的ROOM A及ROOM B負荷進行比較可以得到，當南墻與房頂太陽能組件設置為PV/T時，房間最大熱負荷有明顯變化，較設置PV減少了62.80%，房間的最大冷負荷較設置PV減少了16.61%。比起光伏幕墻設計，當采用太陽能光伏光熱建筑一體化設計時，建筑熱負荷有了明顯的減小，節能效果有了很大提高。 

3 建筑光電、光熱系統模擬及結果分析

       通過DeST的模擬結果可以得到，采用PV與采用PV/T做南墻和屋頂時，房間負荷有很大差異，為進一步驗證其光伏光電與光伏光熱系統發電量及熱量的情況，使用Polysun對其進行模擬。

       3.1光伏光電與光伏光熱模型在Polysun中的建立

       對建筑模型ROOM A建立系統方案50b光伏發電系統，屋頂鋪設8塊型號為SLG335M單晶硅的太陽能組件，面積為16㎡，傾角為5°，每塊太陽能組件功率為335W；南墻布置16塊型號為FS4100 A的碲化鉻太陽能組件，總面積為11.52m²，傾角為90°，每塊太陽能組件功率為100W。同時得到模擬光伏光電系統如圖10所示。

       對建筑模型ROOM B建立系統方案為變量59c系統，屋頂鋪設8塊功率為355W的單晶硅太陽能組件，光電轉換效率瞬時值為66%，南墻布置16塊功率為100W的碲化鎘太陽能組件，光電轉換效率瞬時值為66%。對其進行模擬，為室內供熱水，同時配套6kW的電加熱，獲得40℃熱水，每天100L，可滿足熱水用量。得到模擬太陽能光伏光熱系統如圖11所示。

圖10 光伏光電系統圖

圖11 太陽能光伏光熱系統

       3.2 使用Polysun對光伏光電與光伏光熱模型模擬結果與分析

       3.2.1 Polysun對ROOM A系統模擬結果

       通過對光伏光電系統進行模擬，得到光伏產出DC，年總量為4708.9kW，性能系數年均值為74.3%。同時可以得到全年照射在組件上的太陽輻射總量為34775.3kWh。每月光伏產出DC與照射在組件上的太陽輻射如下圖12、圖13所示。

圖12 光伏產出DC

圖13 照射在組件上的太陽輻射

       3.2.2 Polysun對ROOM B系統模擬結果

       通過建立太陽能光伏光熱系統模型對比其光電部分，得到光伏產出DC，年總量為7534.9kW。同時可以得到全年照射在組件上的太陽輻射總量為35339.3kWh。每月光伏產出DC如下圖14所示。

圖14 光伏產出DC

       同時得到本系統光熱部分概況，得到太陽能保證率（供給系統的太陽能比率），即太陽能集熱系統來自太陽輻射的有效得熱與供暖系統所需熱負荷之比，分析得到年平均太陽能保證率為43%。同時可以得到供給系統熱能，分析得到年供給系統光熱能量總值為4361.9kWh,約15702.8MJ。此時得到一次能源系數年均值為0.78。每月太陽能保證率如圖15所示：

圖15 太陽能保證率

       3.2.3 Polysun對ROOM A、ROOM B系統模擬結果分析

       對得到的ROOM A光伏光電系統及ROOM B光伏光熱進行比較可以得到，當南墻與房頂太陽能組件設置為PV/T時，太陽能背板水系統可帶走太陽能背板產生熱量，降低太陽能背板溫度，提高太陽發電量，系統產生的電能提高2826kWh。

       同時系統由太陽能組件產生熱量配套電加熱為室內進行供能可滿足室內熱水需求。比起光伏幕墻設計，當采用太陽能光伏光熱建筑一體化設計時，節能效果有了很大提高，太陽能也有更大程度的應用。

4 結論

       本文對太陽能光電系統與基于微熱管陣列的太陽能光伏光熱建筑一體化系統的負荷與電量、熱量進行對比，通過應用DeST軟件進行模擬，可以得到以下結論：

       1）通過DeST對房間負荷進行模擬，得到將太陽能組件與建筑相結合得到的光伏光熱系統較傳統太陽能光電系統相比，室內熱負荷減少62.80%，達到節能要求。

       2）通過應用Polysun軟件對系統發電、發熱量進行模擬，得到使用太陽能光伏光熱建筑一體化系統時，發電量提高2826kWh，同時太陽能組件產生的熱量4361.9kWh,可以滿足部分室內用熱水需求。

       3）新型太陽能光伏光熱建筑一體化系統，可提高其光熱光電綜合轉換效率，使太陽能得到充分有效的利用。

       4）本文為建筑一體化研究提供了理論依據和模擬分析，得到太陽能光伏光熱建筑一體化有助于實現節能減排，能源綜合利用。同時，可將太陽能結合多種能源方式對室內進行供能，實現可再生能源最大化利用及社會的可持續發展。

5 參考文獻

       [1] Tiwari G. N., etc.. Periodic theory of building integrated photovoltaic thermal (BIPVT) system [J]. Solar Energy. 2016, 125: 373-380.
       [2] ElSayed M. S.. Optimizing thermal performance of building-integrated photovoltaics for upgrading informal urbanization[J]. Energy and Buildings. 2016, 116: 232-248.
       [3] Anderson T. N., etc.. Performance of a building integrated photovoltaic/thermal (BIPVT) solar collector [J]. Solar Energy. 2009, 83(4): 445-455.
       [4] Zhangyuan Wang, Jun Zhang, Zhixian Wang, etc.. Experimental investigation of the performance of the novel HP-BIPV/T system for use in residential buildings [J]. Energy and Buildings. 2016, 130: 295-308.
       [5] 趙耀華，刁彥華，張楷容. 一種具有層列微槽微熱管群的新型平板熱管. 中國專利發明, 200910078903.0[P] 2009.
       [6] 王崗，全貞花， 趙耀華等． 太陽能-空氣復合熱源熱泵熱水系統實驗研究［J］ ． 化工學報， 2014， 65(3 ) : 1033-1039

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。