严寒地区光伏复合墙体冬季主被动热利用模式研究

曹 也，李辰琦，周宏敞

(1.沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.沈阳建筑大学 建筑与规划学院，辽宁 沈阳 110168；3.国家能源集团 绿色能源与建筑研究中心，北京 102211)

建筑能耗占全国能源消费总量的40%以上[1]，建筑碳排放量约占总量的36%[2]，节能减碳空间大.光伏复合墙体(Photovoltaic Wall，PV Wall)作为光伏建筑一体化(BIPV)技术形式之一，充分利用建筑立面空间，同时具备围护结构功能和发电功能，能够实现建筑发电就地消纳，促进建筑领域的节能减排和碳中和目标的实现.

光伏复合墙体一般由光伏组件、空气间层和保温墙体组成，根据光伏组件的种类，目前光伏复合墙体中应用较多的有半透光和不透光的晶硅、非晶硅、染料敏化和钙钛矿基太阳能电池产品[3-13].光伏组件经太阳辐照后，一部分能量转换为电能，另一部分能量转化为热能[14]，研究表明各类型的光伏组件的发电效率均会随工作温度升高而降低，因此国内外学者针对不同散热方式的光伏复合墙体的热性能和发电效率开展了相关研究.Mehdi Shahrestani等[3]通过数值模拟与实验验证，发现自然通风能够提高晶体硅光伏通风立面的年发电量4%.Nuria Martín-Chivelet等[4]将不透光的晶体硅光伏墙体应用于西班牙某改造建筑中，发现通风模式可以提高2.5%的发电效率.Jinqing Peng等[5]研究了中国香港地区的透光非晶硅光伏墙体在不通风、浮力和通风3种模式下的热性能和发电效率，发现不通风模式的隔热性能最好，而通风模式太阳能得热系数SHGC最低且发电效率提高了3%.通过模拟发现朝南光伏墙相比于普通墙体，夏季得热量和冬季热损失的年减少率分别约为56.2%和32.0%[6].Suzana Domjan等[7]以强制通风模式利用透明单晶硅光伏复合墙体预热新风后送入室内，实验发现高达10%的太阳辐射可用于供电和供热，空气预热可利用高达75%的所接收的太阳辐射.Lijie Xu等[8]建立了BIPV/T太阳能墙的数值模型，采暖季太阳能墙空气通道中的热空气可承担部分热负荷，模拟发现在北京、合肥和西宁的太阳能保证率分别为49.9%、38.7%和41.3%.季杰[9]、徐小炜[10]、马杨[11]等人提出将光伏电池与Trombe墙结合，根据光伏组件安装位置分为内置式和外置式PV-Trombe墙，采用CFD方法研究了墙体的光电光热性能，发现内置式的PV-Trombe墙的集热效果更好，而光电转化效率低于外置式.Siliang Yang等[12]比较了非晶硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池和钙钛矿基太阳能电池应用于光伏复合墙体，在不通风、自然通风和强制通风模式下的发电和热性能，发现在澳大利亚最适宜应用钙钛矿基太阳能电池的自然通风光伏复合墙体.

已有研究中阐述了应用不同光伏材料的光伏复合墙体在亚热带和温带等气候区的光电光热综合利用的节能优势，但关于应用非透光铜铟镓硒薄膜类光伏组件的光伏复合墙体热利用的研究有限，且多数研究采用数值模拟的方法，缺乏基于实测数据的进一步验证.

因此，本文提出了一种采用非透光铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光伏复合墙体，是能够在实际中广泛应用的幕墙体系[14-15]，如图1.构造组成由外至内依次为光伏组件、龙骨与空气间层、保温与内墙层和内装饰层，属于建筑的非透光围护结构，不具有建筑采光功能.为合理利用光伏复合墙体内的热量，在墙体上下端设置内外通风器，形成呼吸式构造.夏季，光伏复合墙体采用外循环模式，即外部通风器开启，空气间层与室外环境连通，通过烟囱效应，及时排除空气间层内热量(图2(a))；冬季日间，采用内循环运行模式，内部通风器开启，空气间层与室内环境联通并形成内循环，光伏复合墙体的热量可被建筑利用(图2(b))；冬季夜间，光伏复合墙体保持密闭，封闭的空气间层具有一定的保温性(图2(c)).

图1 惠州潼湖科技小镇项目[14]

图2 光伏复合墙体工作原理示意图

光伏复合墙体凭借其特殊的呼吸式构造体系，具有冬季保温、夏季隔热性能，本文重点研究其在我国严寒地区冬季的主被动热利用模式及效果，基于沈阳地区的实验装置，进行了2 a的长期监测实验，取得了大量的实测数据，总结了冬季不同太阳辐射强度和环境温度条件下，光伏复合墙体热能的动态变化的规律，进一步提出了主被动热利用的有效模式，量化了两种热利用模式的供热量和供热效率，为其在严寒地区的应用提供了数据支撑和应用策略.

本文除引言和结论外，分为4个主要部分.第1节为光伏复合墙体对比实验平台简介；第2节统计分析了冬季工况下，实验装置中光伏复合墙体空腔密闭状态时的各部分温度实测数据；第3节提出了光伏复合墙体被动式热利用模式，基于对比实验装置实测其对建筑采暖能耗的节能效果，通过CFD模拟研究其供热量和供热效率；第4节提出了与新风机结合的光伏复合墙体主动式热利用模式，通过实验测试研究其供热能力.

1 实验平台

在我国建筑热工分区为严寒地区、太阳能资源为Ⅲ类地区的沈阳，搭建光伏复合墙体对比实验装置，包括A、B两个微型建筑，除南墙外，两建筑的围护结构均相同.其中，A建筑南立面应用了光伏复合墙体，外饰面是8块尺寸为0.6 m×1.2 m的铜铟镓硒(CIGS)光伏组件，内保温材料为苯板，两者之间形成约300 mm厚的空气间层.B建筑南墙表面未覆盖光伏组件，内墙材料与实验建筑相同.

设置气象环境监测站，监测室外干球温度和南向垂直面的太阳辐射强度.在建筑内部中心位置垂直安装3个温度传感器监测室内温度，在光伏组件内表面安装2个温度传感器、空气间层和保温材料表面各安装2行4列共16个温度传感器，监测光伏复合墙体各部分温度.监测数据由MC-B802主机采集，按照1 min的间隔保存在内置的TF卡中.

2 光伏复合墙体温度分布特性

在冬季工况下，实验重点分析了2020年12月至2021年3月的各项监测数据，研究光伏复合墙体空腔密闭状态下各部分的温度分布情况，为其热利用模式提供数据支撑.日间光伏复合墙体接受太阳辐射，光伏组件温度逐渐升高，并通过对流换热方式加热空气间层；夜间无太阳辐射，光伏复合墙体各部分温度与环境温度基本相同，本节主要分析光伏复合墙体在日间(自8∶00时刻至16∶00时刻)的温度分布情况.

沈阳冬季漫长，不同月份的太阳辐射和温度条件具有一定差异性，挑选太阳辐射条件良好的日期，逐月分析光伏复合墙体温度分布特性，发现光伏组件最高温度在12月、1月、2月、3月的平均值分别为46.4 ℃、45.5 ℃、51.1 ℃、53.0 ℃，空气间层最高温度的平均值分别为34.4 ℃、32.1 ℃、40.7 ℃、44.1 ℃，光伏组件和空气间层分别与环境温度的差值最高可达50 ℃和40 ℃，光伏复合墙体具有保温隔热甚至是充当“热源”的作用，可以用于建筑辅助供热.

表1 沈阳地区光伏复合墙体逐月平均温度情况

3 被动热利用模式研究

3.1 内循环模式

光伏复合墙体的热量通过热传导方式进入建筑室内的效率较低，向室内提供的热量有限.为提升光伏复合墙体的热利用效率，在保温墙体上设置上下通风口，空气间层温度高于室内温度时，在烟囱效应作用下，墙体内热空气与室内空气自然循环，直接利用光伏复合墙体热量，该方式不需要机械设备提供能源，属于被动式热利用方式.

研究发现，室外环境平均温度为5 ℃，光伏复合墙体空腔密闭状态下，建筑制热设备温度设定为21 ℃，保持两建筑室温相同，应用光伏复合墙体可节约20%采暖能耗.在室外平均温度2.7 ℃的条件下，光伏复合墙体采用内循环模式运行1 h后，实验建筑的室温由6 ℃升温至18 ℃[17].

为进一步明确内循环运行模式对建筑采暖能耗的影响，在实验装置A建筑中光伏复合墙体的保温层上设置4个直径为150 mm的通风口，并安装与主机连接的密闭阀，见图3(d).实验人员通过主机给出密闭阀的开闭信号，控制实验装置内的通风口，比较其与B建筑的采暖能耗.

图3 光伏复合墙体对比实验装置

如图4所示，实验期间，日间平均温度3 ℃，垂直方向平均太阳辐射照度310 W/m2，A建筑的光伏复合墙体的空气间层温度高于30 ℃开启，低于25 ℃关闭，设定两建筑的供热设备温度为21 ℃.光伏复合墙体空气间层温度最高达到36 ℃，与环境温度最大温差达到了32 ℃，随着太阳辐射强度的降低，光伏复合墙体热量也迅速流失，空气间层温度与室外温度逐渐接近.通过监测采暖设备能耗，得到A建筑的日间采暖能耗为0.62 kWh，B建筑的采暖能耗为0.97 kWh.应用内循环运行模式光伏复合墙体的A建筑，相对于未采用光伏复合墙体的B建筑，节约了36%的采暖能耗.

图4 光伏复合墙体被动内循环模式的温度变化趋势

实验表明，光伏复合墙体内循环运行模式直接利用墙体内热空气，节能效果更显著，相比于空腔密闭时节约20%的采暖能耗[16]，内循环模式能够向室内提供更多的热量.

3.2 内循环模式供热能力研究

为量化内循环模式光伏复合墙体的供热量，利用Fluent软件模拟稳态条件下[18]光伏复合墙体内的气流和传热情况.建立光伏复合墙体的简化模型，忽略横竖龙骨构造后，空气间层厚度设为0.2 m，墙体高和宽为0.6 m×2.4 m，上下部通风口尺寸为0.2 m×0.1 m，材料属性与实验平台应用的墙体一致.温度场和速度场的求解基于RNG k-ε模型，并在打开浮升力选项的同时将材料的密度属性设置成boussinesq.太阳辐射对光伏组件的作用是开启了自带的太阳辐射模型并给定太阳能热吸收率实现的，设置光伏组件吸热率0.75.分析立冬(11月7日)、冬至(12月21日)、小寒(1月4日)3天12∶00时刻的光伏复合墙体内循环模式的气流和传热情况，环境温度和光伏组件对流换热系数设置见表2，模拟结果如表2所示.

表2 内循环运行模式模拟结果

将模拟结果与实测数据对比[17]，在环境温度为6 ℃，南向垂直面太阳辐射为680 W/m2，光伏复合墙体进口温度为18 ℃，实测的光伏复合墙体出口温度为35 ℃，实测与模拟结果具有相近的趋势，本文建立的光伏复合墙体内循环运行模型较为合理.进一步计算立冬、冬至和小寒3 d的单位面积墙体供热量为105 W/m2、91 W/m2、48 W/m2.定义单位面积墙体供热量与墙体接受的太阳辐照度之比为供热效率，经计算，供热效率分别为17%、11%和7%.可见，环境温度低会导致光伏复合墙体的空气间层温度较低，其供热量大幅衰减.在空气间层的温度低于30 ℃时，不宜采用内循环运行模式.

4 主动热利用模式研究

4.1 新风取热运行模式

光伏复合墙体内循环运行模式的工作原理是利用烟囱效应将热空气导入室内，该热利用方式的空气循环动力不足，供热效率较低，且仅适用于小空间建筑.同时，内保温墙体上的密闭阀门属于保温性能薄弱部位，导致的冷热桥问题会严重影响墙体夜间的保温能力.故提出了一种主动式的光伏复合墙体热利用方式，将墙体与新风机结合，提供热量的同时兼顾改善室内空气质量.

新风系统由取风口、通风阀、风机、过滤器和温控开关组成.温控开关的温度设定可根据实际需求更改，冬季当空气间层温度高于温控系统的高限设定值，温度控制开关给出启动风机信号，将空气间层中被预热后的新风导入室内，同时，室外新鲜空气通过外循环通风器的缝隙缓慢渗入空气间层并被逐渐加热，如此循环完成新风取热的过程.当空气间层温度低于温控系统的低限设定值时，温度控制开关给出关闭风机信号，密闭的空气间层起保温作用.夏季新风取热系统停用，外循环通风器开启，烟囱效应的作用下空气间层与室外环境联通并形成循环流动，完成光伏组件的降温过程，提高其发电效率，如图5所示.

图5 与新风机结合的光伏复合墙体构造示意图

4.2 新风取热模式供热能力研究

将与新风系统结合的光伏复合墙体实际应用于沈阳市某办公建筑，建筑面积54 m2.南侧光伏复合墙体面积8.64 m2，新风机风量180 m3/h.温控系统设置空气间层温度高于30 ℃新风机开启工作，低于28 ℃停止工作.光伏复合墙体向建筑室内提供的瞬时供热量Q按公式(1)计算，得

Q=cm(tk-tn)

(1)

式中：c为空气的定压比热容，取值1.005 kJ/(kg·K)；m为空气间层进入室内的空气的质量流量，单位kg/s.m=ρ·V,其中，ρ为空气密度，V为体积流量；tk为空气间层温度，℃；tn为建筑室内温度，℃.

光伏复合墙体空气温度变化范围较广，不同空气温度时的密度按公式(2)计算：

ρ=1.293[273/(273+t)](B/101.3)

(2)

式中：t为空气实际温度，℃；B为实际大气压力，kPa.

以2021年11月7日和2021年2月27日、3月30日为例，分析8∶00至15∶59期间的实测数据，计算光伏复合墙体利用新风机向室内提供的热量，其中体积流量为180 m3/h，空气间层温度tk和建筑室内温度tn取实际监测值，如图6所示.在空气间层中心位置设置1个温度传感器、建筑室内布置2个温度传感器，监测数据每隔1 min采集记录一次.将计算出的供热量瞬时值作为每一分钟的代表值，累加后求得新风机工作期间的供热量.实验期间新风机每日的工作时间分别为4 h、5 h和6 h，光伏复合墙体向室内提供的热量为1 1782 kJ、18 892 kJ和22 652 kJ，即3.2 kWh、5.2 kWh和6.3 kWh.

图6 实验期间光伏复合墙体和室内温度情况

为量化光伏复合墙体的供热效率，计算单位面积的光伏复合墙体供热量与接收到的太阳辐照度之比[19]，按公式(3)计算，得到实验期间3天的光伏复合墙体供热效率变化趋势，如图7所示，光伏复合墙体的单位面积供热量随着太阳辐射强度的增加而升高，而日平均供热效率却呈下降趋势，依次为27%、23%和17%.可见，在太阳辐射条件较良好的2月和3月，应该通过增加新风机风量来加大光伏复合墙体供热量，进而提升其供热效率.

图7 实验期间光伏复合墙体供热效率

(3)

式中：Q为光伏复合墙体的供热量，W；A为光伏复合墙体面积，m2；I为光伏复合墙体接收的太阳辐照度，W/m2.

5 结论

本文针对应用非透光的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光伏复合墙体的热利用模式开展研究，在沈阳地区搭建了光伏复合墙体对比实验装置，并将其实际应用于某办公建筑，取得了大量的现场实测数据，通过实验和模拟结合的方式，量化了光伏复合墙体在严寒地区的主被动热利用模式的供热能力，主要结论如下：

(1)沈阳地区冬季工况下的光伏复合墙体，光伏组件温度可达到45～55 ℃，空气间层温度可达到35～45 ℃，具有明显的保温隔热作用；

(2)室外环境平均温度为3 ℃条件下，基于对比实验平台，发现应用光伏复合墙体内循环运行模式的A建筑，相对于应用普通墙体的B建筑，可节约36%采暖能耗，内循环模式的供热量高于空腔密闭模式.通过模拟得到光伏复合墙体内循环运行模式在立冬、冬至和小寒3天的供热效率分别为17%、11%和7%，空气间层温度低于30 ℃不适宜使用内循环运行模式；

(3)提出了光伏复合墙体采用与新风机结合的主动式热利用方式，新风机启停受控于空气间层温度，启动温度设定为30 ℃，停止温度为28 ℃，实际应用于沈阳某办公建筑，光伏复合墙体面积8.64 m2.实验发现光伏复合墙体的新风机在11月、2月和3月每日工作时间平均为5 h，供热效率约为22%，平均每日供热量为17.8 MJ，单位墙体面积的日均供热量为2.1 MJ/(m2·d).