王兆萌1 全贞花1,2 赵耀华1,2 蔡俊杰1 许子寰1 王岗1
1.北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室；2.北京未来网络科技高精尖创新中心
【摘 要】将基于平板微热管阵列技术的太阳能光伏光热技术与建筑墙体和屋顶相结合，设计出新型太阳能光伏光热建筑一体化模型。通过模拟软件DeST和Polysun进行模拟，将新型光伏光热一体化建筑与常规太阳能光伏建筑作对比，比较两种类型建筑的发电性能，光热性能，及其对建筑热环境的影响。通过模拟结果分析得到新型光伏光热一体化建筑冬季热负荷较传统形式光伏幕墙减少了62.80%，年发电量提高2826kWh，同时太阳能组件每年产生热量可满足室内部分热量需求。研究结果为新型太阳能光伏光热建筑一体化系统的应用提供了理论依据与设计指导。
【关键词】光伏光热；建筑一体化；建筑负荷；模拟
Abstract : This paper combines the solar thermal system based on the flat-plate type micro heat pipe array technology with building wall and roof, so as to design a building integrated model which can meet the requirement of indoor part heat requirement. By using the simulation software DeST and Polysun, compared with conventional solar PV architecture, the new type of photovoltaic solar thermal integration architecture is compared to the power generation performance of the two types of buildings, the thermal performance and the influence on the thermal environment of the building.
The simulation results analysis of the new solar thermal integration of the new photovoltaic solar system has been reduced by 62.80% in the traditional form of the solar panel, and the energy output of the solar panels is up to 2826kWh one year, and the heat from the solar module are able to satisfy some of the needs of the room's heat. The research results provide the theoretical basis and design guidance for the application of the new solar photovoltaic solar thermal building integrated system.
Keywords : Photovoltaic/Thermal(PV/T); Building integration; Building load; Simulation
0 引言
太阳能作为一种清洁能源，近年来得到越来越广泛的应用，通过对可再生能源的利用，可减少化石能源的消耗，保护大气环境，维护生态平衡。越来越多的学者研究应用先进的技术，对太阳能进行更有效的利用。太阳能光伏光热建筑一体化不同于传统的太阳能光伏光电系统，它将太阳能组件与建筑结合，同时可满足室内用电，供热需求。
关于建筑一体化的问题，国内外的学者们做了大量研究。Tiwari[1]将半透明光伏光热组件与建筑屋顶相结合，通过实验，对其热性能进行研究发现通过建筑一体化得到上层房间温度明显高于下层。Elsated[2]将光伏光热系统与建筑侧立面相结合，通过实验对空气冷却的效果进行研究发现，在冬季工况下，太阳能光伏光热组件产生的热量可承担40%的建筑热负荷，夏季冷负荷也有所降低。Anderson[3]提出了将太阳能光伏光热组件与屋顶相结合作为建筑一体化模型进行实验。Wang[4]研究了一种由热管和相变蓄热材料组成的建筑一体化BIPV/T系统，研究发现，实验条件下平均热效率为61.1%，电效率为7.8%，实际是以牺牲大量的电效率来增加热效率。
传统太阳能光伏光电系统使用太阳能组件进行发电，但有占地面积大，不美观的缺点；光伏玻璃幕墙将太阳能组件与传统幕墙相结合，形成一种新型建筑幕墙，但其与建筑结合后，房间负荷均有提高，增加能源消耗。本文提出将太阳能光伏光热组件与屋顶，墙体相结合，形成一体化建筑，减少房间负荷，代替传统墙体，满足建筑学要求，降低建筑造价，同时由太阳能组件产生的热量可为室内提供生活热水。本文通过对传统光伏建筑与基于微热管阵列[5]的新型太阳能光伏光热建筑一体化模型分别进行模拟研究，并对其结果进行对比分析，为新型太阳能光伏光热建筑一体化系统的实际应用提供理论依据。
1 建筑模型概况
建筑为两个5m（长）×5m（宽）×2.8m（高）的房间模型，屋顶设为单面坡，坡度为5°，现将其南面墙和屋顶铺设太阳能组件。
ROOM A中南面墙铺设1.2m（长）×0.6m（宽）的PV组件，屋顶铺设2m（长）×1m（宽）的PV组件。南面墙与东面墙上下各富余0.2m，左右富余0.1m，屋顶太阳能板居中放置。铺设方式均为紧密贴合，将预装的太阳能组件连接，嵌入轻质墙体中。铺设太阳能组件可节省墙体材料27.52m2，降低房间造价。为保证房间通风及采光需求，西侧设高为2.3m，宽为2m的门，东侧设距地板高1m，高1.5m，宽2m的窗。
ROOM B中屋顶及南侧墙均铺设为PV/T组件，尺寸与ROOM A相同。门窗设置均与ROOM A相同。太阳能组件布置如图1所示。
图1 太阳能组件布置图
2 建筑模型负荷模拟及结果分析
2.1 建筑模型在DeST中的建立
2.1.1 ROOM A的建立
通过建立ROOM A的建筑模型，使用DeST软件进行模拟，得到其冷热负荷。建筑模型长为5m，宽5m，高2.80m，南侧、房顶布置平板式太阳能组件，西侧设高为2.30m，宽为2m的门，北侧设距地板高1m，高1m，宽2m的窗，同时加入通风。建筑东墙、西墙和北墙中外墙（除门窗外）采用24砖墙+聚苯板内保温，导热热阻为1.45，热惰性指标为2.67；建筑南墙和屋顶采用PV组件，模拟时，采用7mm，导热热阻为0.01，热惰性指标为0.10的平板玻璃进行计算。建筑模型如图2所示。
图2 ROOM A建筑模型图
2.1.2 ROOM B的建立
通过建立ROOM B的建筑模型，使用DeST软件进行模拟，得到其冷热负荷。建筑模型及门窗尺寸均与ROOM A相同。建筑东墙、西墙与北墙中外墙（除门窗外）采用24砖墙+聚苯板内保温；建筑南墙和屋顶均采用PV/T组件，模拟时，采用7mm的普通玻璃,3mm的金属铝和90mm的聚氨酯泡沫塑料进行计算，其导热热阻为2.91，热惰性指标为1.38。采用北京地区气象参数为依据进行模拟。建筑模型如图3所示。
图3 ROOM B建筑模型图
2.2 使用DeST对建筑模型ROOM A、ROOM B模拟结果与分析
2.2.1 DeST对ROOM A模拟结果
通过对系统进行模拟运行得到逐时太阳辐射量，全年太阳直射辐射强度，如图4、图5所示。
图4 逐时太阳辐射量
图5 全年太阳直射辐射强度统计图
同时，通过模拟此房间一年中的负荷情况，得到一年中的房间逐时冷负荷和房间逐时热负荷，如图6、图7所示。
图6 房间逐时冷负荷
图7 房间逐时热负荷
对数据进行处理，分析后，得到本房间最大冷负荷为2.83kW,最大热负荷值为5.43kW。建立建筑模型，对其进行24小时供热、制冷。由于冬季室内外温差较大，南墙和屋顶采用PV组件时，通过围护结构热量散失较大，冬季房间逐时热负荷与冷负荷相比较大。为满足房间内冬季供热需求，需根据房间最大热负荷进行太阳能-热泵系统的设计及匹配选型。
2.2.2 DeST对ROOM B模拟结果
模拟得到气象参数与ROOM A相同。同时，通过模拟此房间一年中的负荷情况，得到一年中的房间逐时冷负荷和房间逐时热负荷，如图8、图9所示。
图8 房间逐时冷负荷
图9 房间逐时热负荷
对数据进行处理，分析后，得到本房间最大冷负荷为2.36kW,最大热负荷值为2.02kW。为满足房间夏季制冷需求，可根据房间最大冷负荷进行太阳能-热泵系统的设计及匹配选型。
2.2.3 DeST对ROOM A、ROOM B模拟结果分析
对得到的ROOM A及ROOM B负荷进行比较可以得到，当南墙与房顶太阳能组件设置为PV/T时，房间最大热负荷有明显变化，较设置PV减少了62.80%，房间的最大冷负荷较设置PV减少了16.61%。比起光伏幕墙设计，当采用太阳能光伏光热建筑一体化设计时，建筑热负荷有了明显的减小，节能效果有了很大提高。
3 建筑光电、光热系统模拟及结果分析
通过DeST的模拟结果可以得到，采用PV与采用PV/T做南墙和屋顶时，房间负荷有很大差异，为进一步验证其光伏光电与光伏光热系统发电量及热量的情况，使用Polysun对其进行模拟。
3.1光伏光电与光伏光热模型在Polysun中的建立
对建筑模型ROOM A建立系统方案50b光伏发电系统，屋顶铺设8块型号为SLG335M单晶硅的太阳能组件，面积为16㎡，倾角为5°，每块太阳能组件功率为335W；南墙布置16块型号为FS4100 A的碲化铬太阳能组件，总面积为11.52m2，倾角为90°，每块太阳能组件功率为100W。同时得到模拟光伏光电系统如图10所示。
对建筑模型ROOM B建立系统方案为变量59c系统，屋顶铺设8块功率为355W的单晶硅太阳能组件，光电转换效率瞬时值为66%，南墙布置16块功率为100W的碲化镉太阳能组件，光电转换效率瞬时值为66%。对其进行模拟，为室内供热水，同时配套6kW的电加热，获得40℃热水，每天100L，可满足热水用量。得到模拟太阳能光伏光热系统如图11所示。
图10 光伏光电系统图
图11 太阳能光伏光热系统
3.2 使用Polysun对光伏光电与光伏光热模型模拟结果与分析
3.2.1 Polysun对ROOM A系统模拟结果
通过对光伏光电系统进行模拟，得到光伏产出DC，年总量为4708.9kW，性能系数年均值为74.3%。同时可以得到全年照射在组件上的太阳辐射总量为34775.3kWh。每月光伏产出DC与照射在组件上的太阳辐射如下图12、图13所示。
图12 光伏产出DC
图13 照射在组件上的太阳辐射
3.2.2 Polysun对ROOM B系统模拟结果
通过建立太阳能光伏光热系统模型对比其光电部分，得到光伏产出DC，年总量为7534.9kW。同时可以得到全年照射在组件上的太阳辐射总量为35339.3kWh。每月光伏产出DC如下图14所示。
图14 光伏产出DC
同时得到本系统光热部分概况，得到太阳能保证率（供给系统的太阳能比率），即太阳能集热系统来自太阳辐射的有效得热与供暖系统所需热负荷之比，分析得到年平均太阳能保证率为43%。同时可以得到供给系统热能，分析得到年供给系统光热能量总值为4361.9kWh,约15702.8MJ。此时得到一次能源系数年均值为0.78。每月太阳能保证率如图15所示：
图15 太阳能保证率
3.2.3 Polysun对ROOM A、ROOM B系统模拟结果分析
对得到的ROOM A光伏光电系统及ROOM B光伏光热进行比较可以得到，当南墙与房顶太阳能组件设置为PV/T时，太阳能背板水系统可带走太阳能背板产生热量，降低太阳能背板温度，提高太阳发电量，系统产生的电能提高2826kWh。
同时系统由太阳能组件产生热量配套电加热为室内进行供能可满足室内热水需求。比起光伏幕墙设计，当采用太阳能光伏光热建筑一体化设计时，节能效果有了很大提高，太阳能也有更大程度的应用。
4 结论
本文对太阳能光电系统与基于微热管阵列的太阳能光伏光热建筑一体化系统的负荷与电量、热量进行对比，通过应用DeST软件进行模拟，可以得到以下结论：
1）通过DeST对房间负荷进行模拟，得到将太阳能组件与建筑相结合得到的光伏光热系统较传统太阳能光电系统相比，室内热负荷减少62.80%，达到节能要求。
2）通过应用Polysun软件对系统发电、发热量进行模拟，得到使用太阳能光伏光热建筑一体化系统时，发电量提高2826kWh，同时太阳能组件产生的热量4361.9kWh,可以满足部分室内用热水需求。
3）新型太阳能光伏光热建筑一体化系统，可提高其光热光电综合转换效率，使太阳能得到充分有效的利用。
4）本文为建筑一体化研究提供了理论依据和模拟分析，得到太阳能光伏光热建筑一体化有助于实现节能减排，能源综合利用。同时，可将太阳能结合多种能源方式对室内进行供能，实现可再生能源最大化利用及社会的可持续发展。
5 参考文献
[1] Tiwari G. N., etc.. Periodic theory of building integrated photovoltaic thermal (BIPVT) system [J]. Solar Energy. 2016, 125: 373-380.
[2] ElSayed M. S.. Optimizing thermal performance of building-integrated photovoltaics for upgrading informal urbanization[J]. Energy and Buildings. 2016, 116: 232-248.
[3] Anderson T. N., etc.. Performance of a building integrated photovoltaic/thermal (BIPVT) solar collector [J]. Solar Energy. 2009, 83(4): 445-455.
[4] Zhangyuan Wang, Jun Zhang, Zhixian Wang, etc.. Experimental investigation of the performance of the novel HP-BIPV/T system for use in residential buildings [J]. Energy and Buildings. 2016, 130: 295-308.
[5] 赵耀华，刁彦华，张楷容. 一种具有层列微槽微热管群的新型平板热管. 中国专利发明, 200910078903.0[P] 2009.
[6] 王岗，全贞花， 赵耀华等． 太阳能-空气复合热源热泵热水系统实验研究［J］ ． 化工学报， 2014， 65(3 ) : 1033-1039
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
