光伏屋顶遮阳与供电综合节能研究

太阳能作为一种重要的可再生能源,其光热光伏利用对降低建筑能耗起着重要的作用。随着光伏技术的发展成熟,光伏组件与建筑的结合越来越普遍,其中以光伏屋顶最为常见。附加光伏屋顶主要会带来遮阳、供电两种节能机理,对建筑能耗产生“节流开源”两方面影响:1)遮阳作用:普通屋顶热边界上主要有太阳辐射得量及屋顶长波辐射散热“一进一出”两项辐射热流,附加光伏组件后,会因其自身光电光热特性,对这一进一出两项辐射热产生一定程度的削减并引入光伏组件背板与屋顶辐射换热这一项新的辐射热流;2)供电作用:光伏组件吸收太阳光能转换为电能提供给建筑自身,减少额外供能需求。因此,综合考虑遮阳与供电增益,屋顶由建筑用能端变成建筑供能端,其用能体系发生巨大变化。本文针对附加光伏屋顶供电与遮阳综合节能展开研究,分析附加光伏屋顶的热电节能机理,将其统一为屋顶边界条件并进行分析简化;讨论遮阳对入射太阳辐射、屋顶长波辐射及与背板间辐射换热的影响;建立发电模型对光伏阵列供电量进行分析;针对居住建筑,结合屋顶传热方程,以综合温度作为热边界条件,利用周期反应系数和辐射时间系数,对通过附加光伏屋顶的得热量(热损失)及其带来的冷热负荷进行分析;综合遮阳供电影响,提出附加光伏屋顶热电综合节能效率理论;建立了附加光伏屋顶和普通屋顶的对比实验台,将理论模拟结果和实验测试数据进行对比,结果表明所提出的附加光伏屋顶热性能分析方法较为准确;基于建筑热工分区与太阳能资源等级,选取典型城市,对附加光伏屋顶地域季节差异性进行分析,得出了附加光伏屋顶的适应性规律。以上研究得到如下主要结论:(1)屋顶附加光伏组件后,热响应存在地域季节差异。太阳能资源达到IV区以上的地区,架空式光伏屋顶外表面温度在昼间低于普通屋顶,夜间高于普通屋顶;在太阳能资源弱于IV区的地区,架空附加光伏屋顶温度昼夜均高于普通屋顶。(2)附加光伏屋顶得热同样存在地域、季节上的差异。夏季,在昼夜温差大、日照辐射强的地区,屋面附加架空式光伏组件后,居住建筑屋顶得热量和冷负荷均有所降低;而在昼夜温差小且平均温度高的地区,附加光伏组件后反而会增加居住建筑冷负荷。冬季,架空式附加光伏屋顶日总热损失和峰值热负荷均有所降低。(3)夏季倾斜架空附加光伏屋顶遮阳节能效果最佳,但平行架空式热电综合节能效率最高,冬季相反;因此夏季水平架空式附加光伏组件更为适宜,冬季倾斜架空式附加光伏组件更为适宜。附加光伏屋顶遮阳与供电综合节能的研究,对预估光伏建筑能耗,空调系统设计及运行维护起到了指导作用,并为不同地域附加光伏屋顶的设计提供了理论依据。