建筑外墙安装光伏组件综合节能性能研究

我国建筑能耗约占社会总能耗的30%,建筑节能成为实现可持续发展的重要途径,被动式设计及高效暖通空调等设备的应用已经实现了建筑用能需求的大幅降低,进一步降低建筑能耗离不开可再生能源。光伏发电作为重要的建筑可再生能源利用形式,可以实现与建筑的有机结合。目前光伏组件多安装在建筑屋顶,但是对于我国城市建筑来说,建筑外墙可用于安装光伏组件的面积大于屋顶,节能潜力更大。但光伏组件在建筑外墙安装时,由于安装条件限制容易散热不良而处于很高的工作温度,引起光伏组件发电量降低,此外,建筑外墙安装光伏组件后,围护结构的热性能也会发生改变,进而影响建筑的冷热负荷。基于此,本文针对光伏组件与建筑的结合方式,以建筑外墙光伏系统发电量、对建筑冷热负荷的影响及光伏伴生热量对建筑供暖的节能潜力为综合节能性能,研究了不同气候区建筑外墙光伏系统（BIPV）的综合节能性,主要包含以下内容:首先,从理论上分析了BIPV的发电性能及其对建筑负荷的影响机理。建立了光伏组件与墙体之间热量传递及光伏组件与墙体间空气间隔流动换热过程的数学模型,并利用实验数据对模型进行了验证,对BIPV的综合节能性进行了初步分析;然后,在北京地区搭建了BIPV实验台,研究了建筑南外墙安装单晶硅双玻光伏组件的发电量、伴生热量及组件对墙体热性能的影响。利用实验数据对数学模型进行验证,结果表明模型与实验一致性较好。根据实验数据发现,冬季天气晴朗时,建筑外墙安装每平米光伏组件日发电量为0.99 k Wh/（m2?d）、伴生热量为1.67 k Wh/（m2?d）,与未安装组件的墙体相比,安装光伏组件后墙体外表面温度日间降低27.9℃,夜间升高4.6℃,当天通过单位面积墙体的热损失增加2.55 Wh/m2。从实验结果来看,冬季天气晴朗时,光伏组件增加了建筑热负荷,可以考虑利用组件的伴生热量用于建筑供暖或预热新风。接着,利用TRNSYS建立了建筑外墙光伏系统仿真模型,以北京地区为例研究了建筑南外墙安装单晶硅双玻光伏组件时,组件与墙体间的安装间距与综合节能性能的关系。研究结果表明:（1）组件发电量随着安装间距的增大先增加后降低,降低幅度趋缓;（2）不同的安装间距对建筑冷热负荷的影响特性不同,安装间距较小时,建筑的热负荷降低冷负荷增加,随着间距的增大,建筑的热负荷先增加后下降,冷负荷的变化则相反。与冷负荷相比,光伏组件对热负荷的影响更大;（3）在供暖期,光伏组件的伴生热量可以对空气间隔进行加热,空气出口温度比环境温度高5～10℃,回收这部分热量用于建筑供暖或预热新风可以进一步降低建筑的供暖能耗。综上,建筑外墙安装光伏组件应结合建筑的负荷特点针对不同的组件类型确定合适的安装间距,还应充分利用组件的伴生热量,实现综合节能性能最优。最后,研究了不同气候区建筑外墙光伏的综合节能性能及其最佳安装间距。结果表明:（1）与环境温度相比,太阳辐照对建筑外墙光伏组件发电性能的影响更大,不同地区发电量最优的安装间距是不同的;（2）以热负荷为主的城市,较小的安装间距有利于回收光伏伴生热量,从而实现综合节能性能最优,对于以空调为主的建筑,适当增加安装间距可以在提升光伏发电量的同时降低建筑耗冷量,实现综合节能性能最大化;（3）以供暖为主的城市,利用光伏组件的伴生热量可以产生减少约7%～15%的建筑供暖能耗。综上,不同地区建筑外墙应用不同类型的光伏组件时,其综合节能性能及最佳安装间距是不同的,应针对具体的项目采取不同的安装间距,本文中的模型可作为性能化设计工具,以当地气候条件和实际项目情况作为输入条件,通过计算实现建筑外墙安装光伏组件综合节能性能最优,计算结果具有参考价值,可以用于指导光伏在建筑中的应用。