光伏墻尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)與綜合能源效益分析.pdf

1、隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，各類(lèi)建筑保有量不斷增加，同時(shí)隨著居民生活水平的不斷提高，我國(guó)每年建筑能源消耗也在不斷增長(zhǎng)。在能源供給日益緊張、環(huán)境問(wèn)題日益突出的今天，在建筑中大力推廣太陽(yáng)能相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，將是規(guī)?；瘧?yīng)用可再生能源降低建筑中常規(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(yīng)用存在諸多優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)將光伏組件與建筑圍護(hù)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(shí)可以發(fā)電來(lái)減少建筑對(duì)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(fù)荷，改善室內(nèi)熱環(huán)境，從而進(jìn)一步降低建筑能耗等。然而，當(dāng)前我國(guó)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展在研究與應(yīng)用上仍然存在一系列問(wèn)題。
　　本文首先基于搜集的近年來(lái)我國(guó)光伏建筑應(yīng)用相關(guān)項(xiàng)目的信息，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，指出當(dāng)前應(yīng)用中存在的問(wèn)題與不足;采用相應(yīng)的預(yù)測(cè)方法對(duì)未來(lái)光伏建筑應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，并提出了相應(yīng)的實(shí)施路徑。分析結(jié)果表明，當(dāng)前我國(guó)光伏建筑應(yīng)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(duì)于未來(lái)光伏發(fā)電技術(shù)在建筑中的大規(guī)模應(yīng)用，最為突出的將是空間問(wèn)題，由此結(jié)合現(xiàn)狀提出兩條建議:1）縱向上，通過(guò)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(hù)結(jié)構(gòu)改造，在公共建筑和居住建筑中同步進(jìn)行推廣。
　　在技術(shù)上，對(duì)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(yàn)可取。而對(duì)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(duì)較少，且主要集中在低緯度地區(qū)，均停留于通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算模擬的方法論證光伏組件在建筑中應(yīng)用可降低夏季建筑冷負(fù)荷，降低建筑空調(diào)能耗;而對(duì)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?jí)?PV-Trombe Wall)，由于其特制的墻體結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)，使得其具有一定的保溫蓄熱效果，但對(duì)于普通墻體加裝光伏組件后的熱性能研究則相對(duì)較少，更沒(méi)有針對(duì)此類(lèi)墻體在設(shè)計(jì)時(shí)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(guó)不同城市的不同氣象條件和墻體自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的適宜性研究。由此，本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，在香港搭建真實(shí)尺寸的實(shí)驗(yàn)小屋，對(duì)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(kāi)口與外界大氣相連通、空氣層封閉和無(wú)空氣層）時(shí)的熱性能與普通墻體進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，對(duì)各部分間的溫度及各類(lèi)墻體熱流進(jìn)行對(duì)比分析。并采用一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型（對(duì)中間帶有空氣層的兩類(lèi)光伏墻，采用了多個(gè)控制單元在垂直方向上進(jìn)行了修正），對(duì)香港、長(zhǎng)

6、沙和北京在夏季和冬季不同的室外溫度和太陽(yáng)輻照條件下東、南和西三個(gè)方向上采用各類(lèi)光伏墻和普通墻時(shí)的得熱量或熱損失進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，而后通過(guò)輻射時(shí)間系數(shù)(Radiant TimeFactors，RTF)簡(jiǎn)單的計(jì)算出各種情形下各類(lèi)墻體對(duì)室內(nèi)產(chǎn)生的冷、熱負(fù)荷大小，而后通過(guò)對(duì)比分析得出最利于降低室內(nèi)負(fù)荷的應(yīng)用方式，即，在理想的條件下:夏季，以通風(fēng)散熱為目的，采用空氣層開(kāi)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(fù)荷。但在折中的情況下，類(lèi)似于香港的南方地區(qū)應(yīng)當(dāng)偏重于夏季的通風(fēng)散熱目的，采用空氣層開(kāi)口的光伏墻形式;對(duì)于類(lèi)似于北京的北方地區(qū)，則應(yīng)當(dāng)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(duì)于中間的夏熱冬冷地區(qū)或過(guò)渡地區(qū)，應(yīng)根據(jù)墻體表面冬、夏季所能獲得的太陽(yáng)輻照情況、室外環(huán)境溫度及自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等參數(shù)來(lái)綜合考慮是以通風(fēng)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(kāi)口還是封閉。
　　而后針對(duì)光伏墻在夏季以

8、通風(fēng)散熱為目的時(shí)，借助FLUENT流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，對(duì)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)?？紤]到光伏墻最佳的散熱方式并不是當(dāng)前大多數(shù)相似研究中所采用的空氣層僅上下開(kāi)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(duì)于光伏組件掛裝于墻體外立面時(shí)上下左右均存在開(kāi)口的“節(jié)點(diǎn)開(kāi)放(Open Joint)”的安裝方式，將室外大氣層納入計(jì)算域中，并根據(jù)室外風(fēng)環(huán)境模擬中來(lái)流風(fēng)輪廓線分布對(duì)不同高度的風(fēng)速進(jìn)行

9、假設(shè)，以更接近真實(shí)的條件下，對(duì)光伏組件內(nèi)外兩側(cè)的空氣在熱壓和風(fēng)壓的共同作用下的流動(dòng)進(jìn)行了模擬仿真，并借助軟件中的太陽(yáng)輻射熱流計(jì)算模型對(duì)光伏組件及墻體各表面的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，針對(duì)各表面間不同的距離對(duì)各表面的溫度的影響進(jìn)行了對(duì)比分析，得出當(dāng)a（組件背面和墻體間的距離與組件垂直方向長(zhǎng)度的比）由0.05變?yōu)?.15時(shí)，對(duì)光伏組件和墻體溫度的降低最為明顯;當(dāng)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(zhǎng)度的比）由0變?yōu)?.1時(shí)，對(duì)光伏

10、組件溫度的降低最為明顯;同樣，當(dāng)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(shí)，對(duì)光伏組件溫度的降低最為明顯，而后進(jìn)一步增大時(shí)，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(shè)計(jì)時(shí)的取值參考，對(duì)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(chǎng)實(shí)測(cè)溫度及發(fā)電量數(shù)據(jù)，對(duì)其全年空調(diào)能耗和總發(fā)電量進(jìn)行了模擬計(jì)算，其中能

11、耗采用EnergyPlus軟件進(jìn)行模擬，發(fā)電量則采用桑迪亞模型(Sandia Array Performance Model，SAPM)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行校驗(yàn)，后對(duì)空氣層上下開(kāi)口、空氣層封閉、節(jié)點(diǎn)開(kāi)放式和普通墻體等四類(lèi)墻體分別進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比分析，得出各類(lèi)光伏墻由于結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致的冷熱負(fù)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?jī)H占節(jié)約的空調(diào)能耗的10％左右，可見(jiàn)從綜合能源效益的角度來(lái)考慮，“發(fā)電效率至上”的原則是不適用的。因此