不同散热方式对 BIPV 建筑能耗影响的模拟分析

秦继恒 史珂 秦文军 汤洋

国家能源集团绿色能源与建筑研究中心

0 引言

1986 年，世界能源组织最先提出光伏建筑一体化的概念，即BIPV(Building Integrated photovoltaic）。它利用光伏发电组件代替建筑物的某一构件，将建筑，发电和美学有机结合，将光伏整列布设在建筑物外表面，从而产生电力[1]。该系统具有如下优点：直接对负载供电，降低了电网架设和维护费用，避免了由电网传输带来的电力损耗。避免了放置光电阵板额外占用的空间。可以省去建筑围护结构的部分费用。与建筑结构合二为一，可以省去单独为光电设备提供的支撑结构等。由于光伏建筑一体化建筑具有上述一系列优点，并且随着光伏组件发电效率的提高及成本的降低，目前，北京、天津、上海、重庆等 31 地均发布与BIPV 未来 3～5 年相关政策，其中 13 地明确建设BIPV 建筑是有补贴的，随着政策的落实，BIPV 建筑会迎来一个高速发展期。

BIPV 建筑在发电的同时光伏组件的温度会升高，而光伏电池的效率会随电池温度的提高而降低[2]。BIPV 建筑的散热方式可以分为开缝、自然通风、机械通风等三种形式，本文利用 EnergyPlus 和 Fluent 两种软件对这三种散热形式对BIPV 建筑采暖能耗、制冷能耗、发电量的影响做了详细的模拟分析，为 BIPV 建筑在散热方式的设计及选择提供参考。

1 工程案例介绍

BIPV 控制中心位于北京市昌平区未来科学城国家能源集团科技创新园区内，占地面积 735.1 m2，建筑面积1222.2 m2，建筑高度（含女儿墙）8 .81 m（不含光伏塔）。在建筑东、西、南三个朝向设置光伏幕墙、并在屋面安装光伏板，充分利用太阳能为建筑供能，共安装尺寸为600 mm 塔）。在建筑东的CIGS 薄膜光伏组件865 块（不含光伏塔）。与此同时，为降低光伏组件运行温度，提高光电转换效率。既在建筑底部和顶部安装了电动百叶实现自然通风，又在光伏幕墙后设置机械通风通道，可用机械通风的方式带走光伏余热。同时将光伏组件的余热加以利用，一部分通过新风机组直接送到室内实现余热直接利用，另一部分送到多联机空调系统和热泵热水机组室外机的吸热侧，用以提升多联机/热水机组的性能，实现光伏余热间接利用。采用多联机空调系统作为建筑的冷热源，控制中心实景见图1。

图1 BIPV 控制中心实景图

2 模拟分析介绍

2.1 模拟方法及流程

该项目主要采用能耗模拟软件 Energy-plus 与计算流体动力学模拟软件 Fluent 耦合模拟方法，对光伏幕墙取热的节能特性进行分析。如图 2 所示，采用Energyplus 与Fluent 相耦合的方法进行模拟分折。其中，由于 Energyplus 在模拟气流组织换热方面具有一定的局限性，为了提高模拟结果的可靠性，通过选取典型工况下Energyplus 的模拟结果作为Fluent 软件的模拟边界条件，采用有限体积法模拟分析机械通风系统空气的温度变化以及取热系统的经济性能。

图2 模拟方法流程示意图

2.2 模拟工作内容

本文模拟工作主要包括如下部分：

1）建立常规幕墙建筑物理模型，模拟全年动态建筑冷、热负荷及采用多联机空调系统能耗。

2）建立密闭空腔的光伏幕墙建筑物理模型，模拟全年动态建筑冷、热负荷，光伏发电量及多联机空调系统能耗。

3）建立带通风流道的空腔光伏幕墙建筑物理模型，并分别模拟自然通风及机械通风工况下全年动态建筑冷、热负荷，光伏发电量以及采用多联机空调系统能耗。

4）对不同模拟工况下的模拟结果进行经济性对比分析。

5）对带空腔光伏幕墙建筑的空气流道设计运行参数优化模拟。

2.3 模块及模块设置

本文比较建筑外墙无光伏板、有光伏板自然通风、有光伏板速度分别为 0.5 m/s、1 m/s 的机械通风 4 种工况下的建筑能耗与光伏发电量，主要用到了以下的模块。

1）传热模块：基于热平衡的求解，使得每次计算都能对建筑内表面和外表面的辐射和对流进行精确计算，且屋顶、墙体和楼板等导热过程时采用的是非稳态导热过程。其中，室外与室内热平衡控制示意图如图3、4 所示，室外与室内热平衡公式具体如式（1）与式（2）所示。

图3 室外热平衡控制图

图4 室内热平衡控制图

式中：qasol为吸收的直接和漫射太阳（短波）辐射热流；q LWR为与空气和周围环境的净长波辐射热量交换；q conv为与外界空气的对流交换；qko为传导到墙壁的热通量。q LWX为区域表面之间的净长波辐射交换通量。q SW为到表面的净短波辐射通量；为来自qLWS为区域内部设备的长波辐射通量；q ki为通过墙壁的导热通量；qsol为被表面吸收的透射太阳辐射通量；qcon为区域空气的对流换热量。

2）能耗模块：采用多联机空调系统进行建筑全年动态能耗计算。

3）自然通风与机械通风模块：在 EnergyPlus 中通风有两种方式，对于机械通风式幕墙利用EnergyPluszi自带 Airflow-window 计算模块模拟不同气流流向的双层幕墙建筑传热特性，同时可通过定义流量与时间来控制空腔中气流流量。对于自然通风系统，空腔被作为一个独立的分区与室内区域相邻，即在建立通风系统建筑时需要建立两个区域，对空腔中自然通风采用与EnergyPlus 链接的气流网络模块进行模拟计算。

气流网络模型将空腔与室内结合起来进行由风压和热压造成的气流流动和传热问题。其在对区域内相互联系的两节点间的压力分布与其气流组织计算如下：

式中：ΔP为节点n和m之间的压力差，P a；Ps n，Ps m为节点n和m处的静压，P a；Vn和V m为节点n和m处的空气流速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3；g为重力加速度，9.81 m/s2；z n和z m为节点n和m的高度，m 。

在考虑室外风压后，式（3）可写为式（4）

Pn和Pm为n和m处的全压；Ps为密度差和高度差引起的压力差，P a；Pw为风压引起的压力差，P a。

对于机械通风来说，采用式（5）与式（6）计算：

式中：Tg ap为空腔平均温度，K ；hgap为玻璃与空腔空气的对流换热系数，W/(m2· / K)。

4）光伏模块：采用 Energyplus 中的 Sandia 光伏阵列模拟模型，而建筑围护结构负荷则采用 heat transfer模型模拟。

根据建筑几何参数信息，建立建筑与光伏幕墙几何模型，如图 5 所示，部分设计参数见表1：

图5 建筑及光伏幕墙几何模型图

表1 建筑热工参数设置

2.4 Fluent 模拟设置

1）边界条件设置

空腔截面示意图如图6 所示，左侧固体部分为墙体，右侧流体部分为空腔，墙体内壁面设置为定壁温边界，冬季壁温 20 ℃，夏季壁温 24 ℃，墙体外壁面设置为流固耦合边界，空腔下部为流体入口，采用速度入口边界，上部为流体出口，采用自由出流边界。空气腔右侧为PV 板，设置定热流边界，其余壁面则采用绝热边界。

图6 空腔截面示意图

2）模拟算法

本文的模拟控制方程求解均采用双精度的隐性计算器，速度和压力的耦合计算采用SIMPLE 算法，压力离散方式采用 Body-Force Weighted，k方程，ε方程和速度方程中的对流项和扩散项均采用二阶迎风离散格式。松弛因子按照软件的默认设置，除能量方程和辐射方程的残差收敛标准设置为10-6外，其余各方程的残差收敛值均设置为10-3。

3 模拟结果分析

根据几何模型及边界条件的输入及设置，模拟得到不同散热方式下建筑能耗见表2 所示：采暖和制冷能耗均为全年能耗，发电量为BIPV 建筑（包含屋面上的光伏板）全年发电量，而净能耗为建筑总能耗与光伏系统发电量的差值。

表2 不同散热方式下建筑能耗模拟结果汇总

根据 BIPV 控制中心运行半年多的实验数据：晴天时建筑发电量约为260 kWh，和模拟结果比较吻合。初冬和初夏时光伏系统发电量满足多联机用电需求，和模拟结果也比较吻合，说明几何模型及边界条件的输入及设置是合理的。

从表 2 可知：在建筑发电量方面，随着风速的增大，发电量也不断增大，与密闭形式相比，开缝、自然通风、0.5 m/s、1 m/s 的机械通风全年发电量分别增加了2.08%、5.85%、6.63%、8.58%，开缝方式散热性能差，发电量提升也最小。与玻璃幕墙建筑相比，B IPV 建筑在密闭、开缝、自然通风、0.5 m/s 与1 m/s 机械通风、冬季密闭 +夏季自然通风状态下全年能耗分别降低了27.7%、25.6%、23.8%、21.6%、20.5%与 29.2%，对于BIPV 建筑，冬季密闭+夏季自然通风全年能耗降低最多，能耗最低，因此对于设置自然通风措施的 BIPV建筑，采取合理运行措施，可以达到降低建筑能耗的目的。

从建筑净能耗看，冬季密闭 +夏季自然通风的运行模式最优，其次是全年自然通风模式，由于空调系统只在工作时间运行，BIPV 建筑在供自身采暖与制冷系统消耗后仍有富裕电量，可供照明及办公设备使用。

4 结论及建议

1）本文采用 EnergyPlus 和 Fluent 软件耦合模拟的方法，实现了对BIPV 建筑采暖能耗，制冷能耗及年发电量的模拟分析，且模拟结果和建筑实际能耗数据比较吻合。

2）冬季密闭 +夏季自然通风运行模式建筑全年能耗最低，机械通风 1 m/s 全年能耗最高，开缝、自然通风散热方式位于两者之间。机械通风1 m/s 是光伏系统发电量最大，密闭光伏墙体的发电量最小，说明光伏组件温升对发电量的影响较大。

3）冬季密闭+夏季自然通风建筑净能耗最低，夏季自然通风在提高发电量方面收益明显，在有条件的情况下，BIPV 建筑建议设置自然通风措施。

4）BIPV 建筑与玻璃幕墙建筑和普通外墙建筑相比，BIPV 不仅是能源的消耗者，也是能源的生产者，其净能耗为负值，随着BIPV 建筑造价的降低及补贴政策的出台，BIPV 建筑会越来越具有经济性。