基于热岛效应的楼宇太阳能光伏电池的能效分析

栾瑞瑛,卢艳林，秦 渊，商雨禾，秦汉时，侯佑民

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430061；2.南京师范大学能源与机械工程学院，江苏 南京 210046；3.湖北经济学院低碳经济学院，湖北 武汉 430205；4.武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072)

0 引言

城市热岛(Urban Heat Island)是指由于城市化所引起的城市地表及大气温度高于周边非城市环境的一种现象。而使城市热岛形成和加强的效应，即称为“城市热岛效应”[1]。多年来，各国学者围绕城市热岛的形成原因[2-3]、形态与结构[4]、过程与变化[5]、机制与模拟[6-7]等四个方面展开了大量研究。研究发现，土地利用类型的不同会导致城市热岛效应产生相应的变化，如水泥、瓦片结构的建筑物、广场、居民地、桥面、道路等城市用地，由于人为释放热量大、温度高，会促进城市热岛效应。而以土壤为主的裸地、植被以及水体等表面由于能反射更多的太阳能，降低供热负荷，会缓解城市热岛效应[8-9]。

但是城市太阳能系统的发展有可能导致城市环境的变化，该变化可能会影响城市气候，造成城市热岛效应。例如，Campra等[10]在研究西班牙东南部阿尔梅里亚地区大量建造的高反射率棚屋的情况时，发现当地温度发生了显著的降低。还有一些研究人员利用中尺度气象模型来研究城市反射率的增加对城市热岛的影响，如Taha等[11]发现在全加州六个繁忙都市的相关地点采用反射率高的建筑材料导致了1～2 K的环境温度降低。Synnefa等[12]和Lynn等[13]的研究表明，在雅典和纽约也有着类似的结果。Zhou和Shepherd[14]在亚特兰大同样发现了由于城市建筑物反射率的增加引起的约2 K的环境温度降低量。这些研究也说明了，减少城市建筑表面的反射率会导致城市温度的升高。Akbari估计，相对于反射率较低的黑色屋顶而言，使用反射率高的白色屋顶可以为全美每年提供高达10亿千瓦时(1013 Wh)的节能潜力[15]。该报告中所提到的节能潜力大约可以达到全部建筑用电量的0.5%。另一项建筑能耗的模拟研究也发现，白色屋顶在夏季中午能够降低地表温度约8 K，从而降低约3%的年能源消耗量[16]。

建筑物壁面在城市可持续发展方面扮演着越来越重要的作用，发电、降低建筑能耗以及减轻热岛效应等各种屋顶技术已经取得了长足的进步。虽然一些现有的研究已经探索了这些技术的功效，但这类研究通常局限于单个技术的分析，缺乏对屋顶表面能量平衡的综合量化分析。通过对城市大量建造太阳能光伏建筑而导致热岛效应产生的能源消耗增加进行更多的机理研究，可再生能源政策和双碳政策在城市的推广上可能会发生的改变[17]。这种变化有可能导致城市建筑物壁面发生革命性的改变，还可能会导致城市环境发生变化。因此，探索和研究以太阳能光伏为主要来源的能源系统在城市建筑物壁面上的应用，以及其引起的建筑物能效变化相对的优势，对于构建低碳城市、推动可再生能源消纳是很有必要的。

1 基本模型

本文利用Comsol软件对一个小区上的建筑物上安装的不同朝向的光伏电池发电能力和可能导致的环境影响进行了系统的分析和研究。图1为一个3×3的建筑群，每栋建筑的尺寸为20 m3×40 m3×25 m3，两两之间纵向相隔20 m，横向相隔40 m，建筑使用面积约为72 000 m2，将该建筑群置于一个200 m3×250 m3×40 m3的空间中，该小区的容积率约为1.5，符合国家规定的高层住宅小区的容积率。该区域的地理位置以北京市为参考，区域中存在的环境风沿图1中X轴的方向从左向右流经整个区域。

图1 Comsol计算模型的示意图及尺寸

1.1 环境参数和光伏电池材料参数的设定

环境参数以北京的气象参数为设置对象，Comsol传热模块自带相应气象环境的参数。为了简化数值模拟的计算量，研究中涉及的传热模型基于以下几点假设：

(1)忽略了光伏电池面板与建筑物之间的接触热阻；

(2)忽略了建筑物内部空间的传热问题，将建筑物等效成为一个实心的整体；

(3)鉴于本文只考虑建筑物壁面对于空气加热的问题，忽略了地面温度对空气的加热影响。

环境及建筑物壁面的材料参数主要如表1所示。

表1 建筑物壁面的材料参数与环境条件

2 情景设置与计算

2.1 不同时间不同朝向的壁面光伏发电功率

图2左列为北京夏季典型日(8月20日)的模拟计算结果；右列为北京冬季典型日(2月20日)的模拟计算结果。图2中各行分别代表当日内不同时刻下的不同壁面的太阳能光伏电池的发电功率。其中，第一行为早上6时，第二行为早上10时，第三行为中午14时，第四行为下午18时。模拟结果表明，小区不同朝向的建筑壁面上的太阳能光伏发电功率有着很大的区别。值得注意的是，由于建筑物之间存在相互遮挡的情况，不同壁面上的太阳能光伏发电功率差异较大。如图2所示，夏季早上6时，西面的两排建筑物壁面被遮挡，从而导致了大部分壁面无法受到太阳光辐照，而东面第一排建筑上具有相同朝向的壁面由于没有遮挡，所受到的太阳辐射强度超过了700 W/m2。

图2 夏季和冬季典型日小区不同朝向壁面上的太阳能辐照情况

由图3和图4可知，由于气候的影响，太阳能光伏电池发电的性能在两种季节间存在明显的差异。在夏季，太阳能光伏电池的工作时间从早上5点左右持续到下午19点左右，而在冬季，太阳能光伏电池工作时间从7点持续到18点，发电时长缩短了约2个小时。不同壁面上的太阳能电池的功率也随着季节的不同发生了变化。相对于夏季而言，除了朝南的光伏电池外，其它朝向的光伏电池发电量都随着冬季的到来，呈现出不同程度的下降(图4)。这种现象一方面是由于冬季的日照时间较短，另一方面也是由于冬季的日辐照强度降低。

图3 夏日内不同朝向壁面上光伏电池的功率曲线

图4 冬日不同朝向壁面上光伏电池的功率曲线

建筑物顶部安装的太阳能光伏电池和朝南的太阳能光伏电池功率也表现出了季节性变化。在夏季中，顶部的太阳能光伏电池发电量明显高于朝南的光伏电池，而在冬季，朝南的光伏电池的发电量要高于顶部的太阳能光伏电池。值得注意的是，朝北的太阳能光伏电池的性能和发电量在5种朝向的太阳能光伏电池中最差，特别是在冬季情况时，朝北的太阳能光伏电池基本无法正常工作，发电量几乎为零。这是由于冬季时太阳在天空中的位置更偏向南方，因此朝南的太阳能光伏电池获得更多的光照时间，而朝北的光伏电池失去了大量的光照时间而导致的。

2.2 热岛效应的模拟与计算

由于整个区域的空气温度分布并非均匀，靠近建筑物的空气温度高，远离建筑物的空气温度低(如图5所示)。为了量化分析太阳能光伏面板对整体空间的影响，本文提出了2个参数，即区域内实时环境温度和区域内平均环境温度。实时环境温度T指的是在当前时间下区域内全部空气温度的平均值，而平均环境温度Tavg可以通过如下公式表示

图5 区域内下午3点时的区域温度分布(高度20 m)

(1)

式(1)中t表示时间。平均环境环境温度Tavg代表了在一段时间t内，整个区域的热岛效应的强度。图6和图7是夏季和冬季24 h内实时环境温度和平均环境温度随时间变化的曲线。

如图6所示，安装太阳能光伏电池之后，夏季时建筑物周围环境温度比不安装太阳能光伏电池的水泥壁面的实时环境温度之差最高可达0.26 K，而平均环境温度之差最高约为0.13 K。而冬季情况如图7所示，24 h内的实际环境温度之差最高可以达到0.20 K，平均环境温度之差最高可以达到0.09 K。

图6 夏季典型日小区温度变化

图7 冬季典型日小区温度变化

图6和图7都说明建筑物壁面使用太阳能光伏面板之后会导致区域的温度升高，热岛效应加剧。这是由于太阳能光伏电池板的反射率(0.1)远远低于水泥壁面的反射率(0.5)，使得超过30%的额外太阳能辐射被太阳能光伏电池板吸收，而同时只有不到15%的太阳能辐射能量被光伏电池转化为电力，多余的太阳能辐射则会加热太阳能光伏电池板使其温度上升，同时引起周围空气温度的上升。

以上的分析是基于一天内环境温度的变化，若考虑更长时间区间下该区域内的温度变化，如图8所示：实时的环境温度随着白天太阳的升起而不断升高，而随着夜晚的到来而有所降低，但由于建筑物白日的吸热量较大导致夜晚不能完全将这部分热量散发掉，使得下一天的初始温度高于前一天，因而导致了这个区域内的温度不断上升，热岛效应加剧。从计算结果来看，第一天的峰值温差约为0.26 K，平均温差在0.13 K、第二天的峰值温差约为0.36 K，平均温差为0.18 K、第三天的峰值温差约为0.54 K，平均温差约为0.26 K，而到了第七日，峰值温差为1.07 K，平均温差为0.53 K。而且，峰值温差基本出现在下午4点附近。同时我们可以从图8(b)中的数据中发现Tavg的升高速度在不断增加，这说明热岛效应强度增幅会随着时间而增强。

图8 夏季一周太阳能光伏电池与普通水泥壁面温度变化

通过图9可知，在冬季时，该区域内的环境温度同夏季情况一样，会随着白天太阳的升起而不断升高，而随着夜晚的到来而有所降低。但有所不同的是，使用太阳能光伏电池作为壁面和使用水泥作为壁面两种情况下的温度之差低于夏季，如第一天的峰值温差为0.20 K，平均环境温差为0.08 K，第二天的峰值温差为0.28 K，平均环境温差为0.13 K，第三天峰值温差为0.37 K，平均环境温差为0.18 K，而第七日的峰值温差为0.72 K，平均环境温差为0.36 K。在冬季中，峰值温差一般出现在下午5点半左右。这些差异主要是因为在冬季的日辐照总量低于夏季，建筑物受到太阳能辐照较少，从而向环境散发的热量少所引起的。

图9 冬季一周太阳能光伏电池与普通水泥壁面温度变化

3 能耗分析

如果按照田等[18]关于北方地区热岛效应对建筑物影响的能耗变化情况分析来看，在一天中，热岛效应强度每增加1 K，当地空调能耗将平均增加10.2%，采暖能耗将减少4.31%。如果按照1 m2的建筑使用面积所需的空调能耗为2.4 kWh，取暖能耗为6 kWh(制冷时间为每天12 h，每小时功率200 W/m2，取暖时间为24 h，功率为250 W/m2)来计算。对于本研究中的小区而言，使用面积约为72 000 m2，因此，考虑到热岛效应后，光伏电池在本文研究的区域中的能效分析结果如图10所示。

图10 夏、冬季中的采用光伏电池的日发电量、热岛效应引起的能耗变化以及实际能源利用量

通过图10中所示数据我们可以发现，由于热岛效应在夏季增加了制冷所需的能耗，导致了光伏电池在夏季发出的电力需要额外支付制冷所增加的能耗，因此实际能利用的发电量为实际发电量与额外支付制冷所需发电量的差值，约为11 103 kWh；在冬季由于热岛效应减少了采暖所需的能源，所以实际能利用的能量为实际发电量与减少采暖所节约的能量之和，约为10 997 kWh。

将时间延长至一周进行考虑时，由于热岛效应的不断累积，小区光伏电池的能源利用量的变化如图11所示。

图11 考虑热岛效应后太阳能光伏的实际能源利用

由于热岛效应的不断加剧，在夏季由光伏电池所产生的电量逐渐被热岛效应加剧导致提升的制冷需求抵消，实际能量利用量在不断下降。在第七日，小区光伏电池的实际能源利用量只有4 053 kWh，只占太阳能发电量30%左右。而在冬季，由于热岛效应导致的温度升高，使得该区域内采暖能耗降低，因此使得实际能源利用量不断增加，在第七日可以达到16 024 kWh，为小区光伏电池太阳能发电量的168%。

4 结论

本文通过研究建筑物上的光伏电池，得到如下结论：

(1)光伏电池的发电量受壁面朝向和季节因素的影响。冬季中不同朝向的光伏电池(除朝南外)单位面积发电量都有不同程度的降低，顶层的光伏电池的发电量下降了约50%，而朝南的光伏电池由于在冬季能够受到更多的太阳能辐照，发电量较夏季有所上升。

(2)由于太阳能光伏电池的反射率(10%)远低于水泥壁面(50%)，光伏电池作为壁面会加剧小区热岛效应，导致夏季最高温差为0.26 K，平均温差为0.13 K；冬季最高温差为0.20 K，平均温差为0.09 K。

(3)夏季热岛效应导致建筑温度提高，使得其制冷能耗增加，从而导致光伏电池实际的能源利用量从13 395 kWh降低到11 103 kWh；冬季热岛效应导致建筑温度升高，使得其采暖能耗的减少，从而导致光伏电池的实际发电量从9 507 kWh升高到了10 997 kWh。

(4)模拟区域内采用光伏面板的建筑在长时间(如一周时间)的热岛效应作用下，平均环境温度不断上升。在夏季，第七日的实际环境利用量只能达到其发电量的约30%；而在冬季，在第七日上升到其实际发电量的168%。