BIPV 建筑光伏余热直接热利用系统测试分析

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

光伏建筑一体化（BIPV，Building Integrated PV）是一种将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。BIPV 不同于光伏系统附着在建筑上（BAPV，Building Attached PV）的形式，光伏组件与建筑的集成是BIPV 的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高，光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑的基本功能要求。光伏组件在接收太阳辐射发电的同时，大部分光能（80%左右)未能转换为有用能量，且相当部分转换为热能，并使光伏组件温度升高，光伏组件温度的升高不但影响光电转换效率，还增加夏季室内冷负荷[1]。如果在光伏组件背面设置降温通道，由吸热介质将热量带走，就能提高发电效率[2]，Kern 和Russell[3]提出太阳能光伏光热综合利用（PV/Tl）的概念，根据冷却介质的不同分为空冷和水冷，水冷的冷却效果优于空气，但需要一个水道的循环系统，其装置比较复杂，与BIPV 建筑结合比较困难，本文介绍的建筑采用了空冷型PV/T 与建筑相结合，可满足建筑夏季和过渡季光伏组件的散热需求，在冬季把降温通道（空腔）内的热空气送到室内，实现光伏余热的直接热利用，同时对比分析了东、西、南三个朝向直接热利用系统的实际运行性能，为BIPV 建筑在散热及余热利用系统设计、应用提供参考。

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750.78 m2，建筑局部二层，建筑高度（含女儿墙）8.81 m（光伏塔18.57 m）。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×1200 mm 的CIGS 薄膜光伏组件1160 块（屋顶300 块，北立面56 块），控制中心实景图见图1。

图1 BIPV 控制中心实景图

以BIPV 控制中心南墙为例，介绍空冷型PV/T 的结构组成，南侧外墙（入口除外）为光伏组件（4+0.75EVB+3）+玻璃幕墙（6+12A+6+12A+6）结构，两者中间为厚度310 mm 的空腔，共同组成空冷型PV/T 的主体结构，其结构示意图见图2。东、西侧墙体也有空腔，空腔里侧大部分为160 mm 厚岩棉夹心保温墙体。在建筑底部和顶部安装电动百叶，通过电动百叶不同的开关模式，实现光伏组件夏季和过渡季散热及冬季保温的需求。为实现光伏余热的有效利用，BIPV 控制中心把空冷型PV/T 与新风换气机或送风机结合，冬季把空腔内的热空气直接送到室内，实现直接热利用；另外一种方式是把空冷型PV/T 与多联机室外机及空气源热泵热水机组结合，提高多联机和热水机组的性能系数（COP），减小耗电量，达到光伏余热间接热利用的目的，本文只介绍直接热利用系统的测试情况。

设置新风换气机XF-1、XF-2 分别与西墙和东墙空腔结合，通风机PF-4 与南侧空腔结合。以XF-1 为例：夏季和过渡季电动百叶开启，空腔热空气排到室外达到散热目的，新风取自室外。冬季排风百叶关闭，进风百叶打开，新风取自空腔，通过新风换气机（风机）把新鲜的热空气送至室内，达到降低光伏组件温度和余热利用的双重目的，原理图见图3。

图3 XF-1 直接热利用系统原理图

2 直接热利用系统性能测试分析

2.1 XF-1 性能测试分析

XF-1 与西侧墙体空腔相结合，额定风量900 m3/h。2020 年采暖期（12 月7/8/10/11/16 日）对其进行了为期5 天的测试，以晴朗和晴间多云天气为主。西向太阳辐射度、西向累计辐射量、室外环境温度取自光伏塔上安装的环境监测仪数据，风量取自新风管上的毕托管流量阀（妥思品牌）数据，新风送风温度取自新风管上安装的温度传感器数据。

2.1.1 西向辐照度的变化趋势

从图4 可以看出:西向辐照度在9:00～12:20 处于缓慢上升趋势，12:20 后成抛物线趋势上升，在15:00左右成抛物线趋势下降，17:00 减小为零。8 日下午多云，辐照度变化没有规律，10 日下午晴间多云，辐照度波动较多。五天9:00～17:00 时间段累计辐射量分别为：1.75 kW ·h/m2、1.04 kW ·h/m2、1.43 kW ·h/m2、1.29 kW·h/m2、1.64 kW·h/m2，7 日最大，8 日最小，后面分析当日辐照度/累计辐射量与送风温度的关系。

图4 西向辐照度变化趋势

2.1.2 室外环境温度变化趋势

从图5 可以看出:室外环境温度在9:00～14:20 总体处于上升趋势，14:40 后缓慢降低。10 日室外环境温度最高，平均为5.7 ℃，7 日最低，平均为-0.6 ℃。后面分析环境温度与送风温度的关系。

图5 室外环境温度变化趋势

2.1.3 送风温度、送风和环境温度差变化趋势

整理了5 天的送风温度变化趋势，见图6：晴天的7/11/16 日送风温度在9:00～13:10 分之间总体处于波动上升趋势，13:20～15:20 分之间温升较快，最高温度为19.5 ℃，这是由于此时间段西向辐照度较高的缘故。送风温度16:10 以后快速降低，这是由于西向辐照度快速减小，且西侧树林对墙体有遮挡。8 日全天为多云天气，温度变化趋势没有规律，且送风温度较低，10日下午多云，温度变化趋势没有晴朗天气明显。送风温度在2.4 ℃～19.5℃之间，5 天日平均送风温度在8.9～17.1 ℃之间，大部分时间在10 ℃以上，12:00 以前，空腔热量主要来自室内围护结构传热，12:00 以后来自光伏组件余热。12:00 以后送风温度变化趋势和西向辐照度密切相关，随着西向辐照度的增大，送风温度升高，西向辐照度降低时，送风温度也快速下降。送风温度高低也和室外环境温度相关，7 日环境温度低，送风温度低，10 日环境温度高，送风温度也高。

图6 XF-1 送风温度变化趋势

同时整理了送风温度和环境温度的温差，见图7：送风温度和环境温度的温差在6.3 ℃～15.1 ℃之间，平均温差在9.6～11.9 ℃之间，大部分时间温差在10 ℃以上，呈先上升后下降再上升随后下降的趋势，温差先下降是由于环境温度逐渐升高的原因，后上升是下午西向辐照度大，送风温度升高较快，15:50 左右，随着辐照度减小，温差也迅速下降。12:00 以后的温差大小主要和西向辐照度大小相关，如7 日和16 日辐照度大，累计辐射量也大，这两日的温差也最大。

图7 温差变化趋势

2.1.4 取热量、耗电量及耗电输热比

根据公式Q=1.005×1.165×(送风温度-环境温度)×送风量，风量单位为m3/h，计算得到空腔的取热量，根据电表统计得到XF-1 耗电量，从而计算得到耗电输热比，5 天的计算分析数据见表1 所示（XF-1 机组在10 日和11 日上午有段时间未运行）。从表1 可知，XF-1 的取热量在13.13 kW·h～28.1 kW·h 之间，其从空腔的取热量和1.5 匹空调制热量大致相等。耗电输热比在4.08～5.04 之间，高于空调制热平均COP（3.0）。

表1 XF-1 取热量，耗电量及耗电输热比计算数据

2.2 XF-2 性能测试分析

XF-2 与东侧墙体空腔相结合，额定风量500 m3/h。在2020 年采暖期（12 月7/8/10/11/16 日）对光伏余热利用的效果进行了为期5 天的测试。

2.2.1 东向辐照度的变化趋势

从图8 可以看出:东向辐照度在7:20 后成抛物线升高，9:10 左右达到最大，随后成抛物线下降，12:40 左右小于100 W/m2且趋势变缓，17:00 时接近零。五天7:00～17:00 时间段累计辐射量分别为：2.41 kW·h/m2、2.39 kW·h/m2、2.01 kW·h/m2、1.88 kW·h/m2、2.36 kW·h/m2，7 日最大，11 日最小，7 日和8 日、16 日累计辐射量差别很小。后面分析当日辐照度/累计辐射量与送风温度的关系。

图8 东向辐照度变化趋势

2.2.2 送风温度变化趋势

送风温度变化趋势见图9，从图9 可知：送风温度变化滞后于太阳辐照度变化，辐照度9:10 时最高，而送风温度11:30 达到最大，然后呈下降趋势，中间波动较多。这说明从太阳辐射热转换为光伏组件的热量，到传递给空腔中空气，中间有相当长时间的延迟。

图9 XF-2 送风温度变化趋势

2.2.3 送风和环境温差变化趋势

从图10 可以看出：温差在8.7～23.7 ℃之间，平均温差在14.1～18.9 ℃之间。呈先上升后下降的趋势，温差升高和下降的趋势和辐照度的变化趋势基本一致（有时间延迟）。温差大小和辐照度密切相关，7、8 和16日辐照度和累计辐射量大，这三天的温差也最大。10和11 日环境温度比7、8 日高，这两日的送风温度也高，但送风和环境温度的温差比7、8 日小，这是累计辐射量只有上述两日的80%左右。说明温差主要和累计辐射量相关，送风温度能达到的最大值和累计辐射量及环境温度均有关系。

图10 温差变化趋势

2.2.4 取热量、耗电量及耗电输热比

根据公式Q=1.005×1.165×(送风温度-环境温度)×送风量计算得到空腔的取热量，根据电表统计得到XF-2 耗电量，从而计算得到耗电输热比，5 天的计算分析数据见表2 所示。从表2 可知，XF-2 的取热量在19.5～25.7 kW·h 之间，耗电输热比在5.2～6.7 之间，是空调制热平均COP（3.0）的一倍，经济性较好。取热量和耗电输热比与当日累计辐射量密切相关，累计辐射量大，取热量大，耗电输热比也高。

表2 XF-2 取热量，耗电量及耗电输热比计算数据

2.3 PF-4 性能测试分析

PF-4 与南侧墙体空腔相结合，额定风量2200 m3/h。在2020 年采暖期（12 月7/8/10/11/16 日）对光伏余热利用的效果进行了为期5 天的测试。

2.3.1 南向辐照度的变化趋势

从图11 可以看出:南向辐照度在7:20 后成抛物线升高，12:00 左右达到最大，随后成抛物线下降，17:00左右降为零。五天7:00～17:00 时间段累计辐射量分别为：2.765 kW·h/m2、2.495 kW·h/m2、2.493 kW·h/m2、2.31 kW·h/m2、2.681 kW·h/m2，7 日最大，11 日最小，8日和10 日累计辐射量差别很小。后面分析当日辐照度/累计辐射量与送风温度的关系。

图11 南向辐照度变化趋势

2.3.2 送风温度变化趋势

送风温度变化趋势见图12：送风温度变化趋势和太阳辐照度变化趋势类似，但滞后约70 分钟。13:10 左右达到最大，然后呈下降趋势，上升和下降过程中波动较多，没有辐照度变化曲线那么平滑。8 日和10 日累计辐射量基本相同，10 日平均环境温度比8 日高5.2 ℃，10 日平均送风温度也比8 日高3.2 ℃。16 日环境温度比11 日低3.3 ℃，但当日累计辐射量大，送风温度比11 日还高0.2 ℃，说明送风温度和当日累计辐射量及环境温度均有密切的关系。

图12 PF-4 送风温度变化趋势

2.3.3 送风和环境温差变化趋势

送风温度变化趋势见图13：温差变化趋势和太阳辐照度变化趋势类似，但滞后约50 分钟。12:50 左右达到最大，然后呈下降趋势，上升和下降过程中波动较多，没有辐照度变化曲线那么平滑。温差在4.6 ℃～27.7 ℃之间，平均温差在15 ℃～19.8 ℃之间。温差和辐照度密切相关，7 和16 日辐照度和计辐射量大，这两天的温差也最大。

图13 温差变化趋势

2.3.4 取热量、耗电量及耗电输热比

根据公式Q=1.005×1.165×(送风温度-环境温度)×送风量计算得到空腔的取热量，根据电表统计得到PF-4 耗电量，从而计算得到耗电输热比，5 天的计算分析数据见表3 所示。从表3 可知，PF-4 的取热量在90.7～114.4 kW·h 之间，耗电输热比在23.5～31.1 之间，是空调制热平均COP（3.0）的8～10 倍左右，与空调制热相比，每天节电量在26～34 kW·h 之间，经济性很好。取热量和耗电输热比与当日累计辐射量密切相关，累计辐射量大，取热量大，耗电输热比也高。

表3 PF-4 取热量，耗电量及耗电输热比计算数据

3 结论及建议

1）光伏余热利用系统送风温度及送风和环境温度的温差与辐照度密切相关，辐照度越大，送风温度越高、温差也越大。两者和建筑朝向也密切相关，南侧的PF-4 系统送风温度最高，送风和环境温度的温差也最大，其次是东侧的XF-2 系统，西侧的XF-1 系统最小。

2）光伏余热利用系统的取热量、耗电输热比均与辐照度及朝向密切相关。辐照度高，取热量及耗电输热比大，辐照度低，取热量及耗电输热比也小；南朝向的取热量及耗电输热比最

3）和南侧外墙相结合的PF-4 余热利用系统，平均送风温度在16.2 ℃～23.3 ℃之间，50%以上的时间送风温度在20 ℃以上，最高温度可达31 ℃。取热量在90.7～114.4 kWh 之间，其运行时约等于一台5 匹空调的制热量，与开启空调相比，每天可节省耗电量26～34 kWh 之间，不仅为室内提供新风，还具有较好的经济效益，具有一定的推广应用价值。而东墙和西墙余热利用系统送风温度较低，耗电输热比较小，经济性一般，不具有推广应用价值。