光伏建筑一体化(BIPV)夏季热通道热工性能的实验研究

摘 要：对株洲市的一栋光伏建筑一体化（bipv）建筑的流通通道进行热工参数的实验研究，测试包括了通道内空气温度、速度,太阳辐射强度以及环境温度等参数。确立了通道内温度场、光伏背板温度以及内外墙温度随室外环境参数的变化趋势，以及温度场之间的相互关系，明确了带通道的光伏幕墙的传热过程。分析可知上午的通风效果较好，晴天一天内通道内空气温度最高可达45℃，背板温度最高可达54℃。通过比较通道内外空气温度以及外墙温度的关系，定性的了解了通道启闭的时间，从而到达节能的目的。

关键词：光伏建筑一体化； 热通道； 热工性能；实验

中图分类号： C35 文献标识码： A

0.引言

现阶段全球资源日益紧张，人们更加重视太阳能的利用。太阳能光伏建筑一体化( BIPV) 是应用太阳能发电的一种新概念:在建筑围护结构外表面上铺设光伏阵列提供电力。这样既能利用太阳能发电又可以减少墙体的得热从而减少空调负荷。而光伏建筑一体化系统的热通道在夏季通风排热，冬季关闭状态下增加换热热阻，减少热量传递，对于BIPV系统有重要作用。

在这一领域已有众多研究，主要是关于BIPV对空调负荷的影响，电池背板通风对电池性能的影响等。何伟对光伏光热建筑一体化建立了理论模型, 采用香港地区典型年的气象数据对BIPV的热性能进行了计算分析，数值模拟显示, 在香港地区, 光伏建筑一体化的通风冷却模式在保证电力输出的同时, 对由于墙体得热造成的空调负荷的减少可达到20%以上。杨红兴从传热的角度研究光伏墙体结构的夏季得热，提出了光伏发电虽然释放热量提高了空气夹层温度，但其对太阳辐射的遮挡大大降低了室外综合温度，从而大大降低了墙体得热和空调冷负荷。段征强设计了一个空冷型非晶硅光伏热（PV/T）结构，对太阳能电池的性能进行了研究，得出空冷型非晶硅PV/T结构在自然通风冷却作用下热效率为26.1%，综合能量效率为38.1%，强迫通风冷却作用下热效率为32.8%，综合能量效率为44.9%，从侧面说明了通风降温对非晶硅型电池性能影响。李玲燕对呼吸式幕墙夹层温度的影响因素进行了实验研究，主要研究了通风口开启与关闭时、夏季空调开启与关闭、有无遮阳板等不同工况下夹层温度的变化情况，并比较了过渡季与夏季，晴天与阴天的温度变化特点。

从上述文献可看出，通过光伏背板后面的通道通风可以提高电池的性能，并且比较多的文献集中在对BIPV的整体节能特性的研究上，BIPV流通通道的传热过程、随环境因素的影响及温度场场间相互关系缺乏研究。并且由于各地区光照资源以及气温等气象条件的差异，光伏建筑一体化在不同地区的热工性能不尽相同。本文针对湖南省株洲市的一栋建筑进行了BIPV流通通道热工性能的实验研究，确立了流通通道内空气、光伏背板、内外墙随环境参数变化的温度分布；通过各温度场的变化分析了通道内的热工过程；比较了晴天与阴天热工性能的差异。

1.试验背景

该建筑是位于湖南省株洲市的一座倒班楼，该楼的东向墙体为整个建筑光伏一体化结构，长约110m，楼高18.7m。整个立面有多块光伏板组成，试验选取了其中一个光伏模块。测试时间为2013年夏季8月到9月，每天24小时进行测试。

2.试验介绍

【作者单位】同济大学机械学院，上海，201804

【项目资助】：1.上海市科委国际合作项目，项目编号：11290707700；2.浦东新区科技发展基金创新资金，项目编号：PKJ2012-C13。

试验主要内容是获取包含光伏组件表

面温度、热通道内流体流速和温度、太阳辐射强度、室外大气温度和风速、内外墙体表面温度以及典型房间的室内温度等具有建筑光伏一体化特性的热工性能参数。图2-1为建筑剖面图及测点布置图，图2-2

为测试区首层局部平面图。

太阳辐射的测试采用辐射传感器，测点在图2-1上的0205，位于光伏外墙朝东方向上。该传感器测量范围0-2000w/，分辨率1w/，准确度5%。室外大气温度测试选用pt100温度传感器，测量精度0.1℃，测点远离建筑围护结构外表面和热源1.5m，离地面高度1.5m。

通道动态风速测试使用高精度风速传感器，传感器布置在通道竖直方向上，传感器在流通通道最宽处，距离外墙窗户0.8m左右，以避免外窗外墙形状变化对气流带来的影响，测点为图1中的0203和0204。

BIPV构建的温度测试采用铜-康铜热电偶，测温精度在0.1℃，在进行温度测量前，需要对热电偶进行标定和校准。其中六个热电偶紧贴在BIPV的光伏背板上，每个传感器位于每块BIPV光伏背板的中心处（图2-2中0102），以测试光伏背板处的温度值；三个热电偶布置在流通通道中，且位于流通通道最宽处，距离外窗0.8m左右（图2-2中818），测试通道内空气的温度值，测点距地面位置分别为5m、10m、16m；三个热电偶布置在外墙外表面的测试单元的中心处，采集外墙外表面的温度值，测点分别位于五层、三层、两层外墙表面中心处。

3.结果及分析

图3-1为通道内空气温度场在一天内的变化情况，通道空气温度在上午6：30达到最低29℃。在中午12:00达到最高45℃，12:00之后由于东向太阳辐射减弱，所以通道温度开始下降。三条曲线变化趋势一致，并且通道内空气温度与高度成正相关关系，最高点与最低点温差在上午12:00以前基本维持在4℃左右，下午温差有所减少大概在2℃，分析原因可能为上午辐射较强通道内的空气流动较快，空气与光伏背板的换热较剧烈。观察可以知道通道空气温度在下午3:00以前都高于环境温度。

图3-2 8月13日光伏背板不同高度温度随太阳辐射的变化曲线

图3-2所示为光伏背板三个不同测点的温度。光伏背板温度从6:00开始升高并且温度升高速度在上午时段较快，下午速度缓慢降低。观察三条曲线间的温差知道相对于通道内的空气温差，背板温度差别比较小，上午12:00之前没差别，下午最大温差也在1℃以内。背板温度在一天之内变化比较大，最低温度28℃，最高可达54℃，最高温度出现在10:00左右，背板温度一天有11小时处于40℃以上，夜间温度比较稳定维持在30℃左右。值得注意的是背板温度达到峰值的时间早于太阳辐射达到峰值的时间，预计是因为通道此时热压较大自然通风良好，带走了背板热量，得热与排热在背板温度峰值时间得到平衡，之后排热量大于得热量。12:30左右的一段时间内背板温度衰减很快，但太阳辐射处于峰值阶段，此时发电效率会较高。

图3-38月13日光伏背板平均温度、通道平均温度随环境参数变化曲线

图3-3中各曲线间的变化关系反应了BIPV幕墙通道内的传热过程，太阳辐射使得背板温度升高，背板通过与通道内空气对流换热加热空气，通道内空气温度的变化相对于背板温度的变化仅有很小的延迟。背板与通道内空气的温差从上午开始一直增大，上午10:00~11:00达到最大12℃，此时的通道空气与环境的温差也最大，达到4℃，可见此时通道内空气的排热量最大，通风效果最好。随后温差开始减小，下午6:30到晚上11:00这个阶段三者的温度几乎相等，此时将不存在明显的热传递现象，晚上11:00到第二天6:00之前通道温度将一直高于背板温度，热流密度方向与白天相反。

图3-4 8月13日外墙内外表面温度及通道平均温度变化曲线

图3-4为外墙内外表面温度在一天内的变化情况。外墙靠近通道的一侧主要有两个换热过程，一是接受透射过来的太阳辐射，另一方面是与通道内的空气进行对流换热。从图中可以看出外墙温度对通道内空气温度的变化比较敏感，外墙温度在上午11:00左右达到最高，最高温度42℃，此时通道内空气平均温度也接近最高约43℃。上午两者温差维持在1~2℃，这段时间是形成室内空调冷负荷的主要时间段。下午2:00之后外墙外表面温度将高于空气温度，主要原因是外墙具有蓄热能力，此后直到第二天外墙温度将一直高于通道内空气温度，综合考虑之前的热压分析，虽然下午6:00开始热压为负值，即环境温度高于通道温度，但是两者相差不大，环境温度仍将小于外墙外表面温度，还是建议开启通风通道来排热。内墙温度比较稳定，随外表面温度变化有一定的时间延迟，由于房间空调没有开启，实际运行时内墙温度会沿纵坐标往下平移，外墙内外表面温差在11:00最大，此时的热流密度最大。

4.小结

通过对实验数据的整理分析得出了以下结论：

1）确立了通道内空气温度场、背板温度以及内外墙温度随室外环境参数的变化趋势，通道内空气的温度随高度升高而增加，背板温度在纵向上比较接近。通道内空气温度在29℃到45℃之间，最高温度出现在中午12;00.光伏背板温度在28℃到54℃之间，背板最高温度出现在上午10：00，比空气的最高温度出现的时间早。

2)分析了背板温度与通道温度的关系，由于存在对流换热，通道内空气温度受背板温度的影响较大，上午9:00到下午4:00这段时间内对流换热比较剧烈。比较通道内空气温度与外墙温度的变化趋势可以看出，外墙温度变化主要受通道温度场的影响，下午2:00过后外墙温度将高于通道温度，建议开启通道降温排热。

[参考文献]

【1】何伟，季杰. 光伏光热建筑一体化对建筑节能影响的理论研究[J]. 暖通空调HV&C,2003,33(6):8-11

【2】杨洪兴，季杰. BIPV对建筑墙体得热影响的研究[J]. 太阳能学报，1999,20(3):270-273

【3】段征强. 光伏热系统的实验与模拟研究[D]. 天津：天津大学，2006

【4】李玲燕. 呼吸式玻璃幕墙夹层温度影响因素的研究[D]. 天津：天津大学，2008

EXPERIMENTAL RESEARCH ON THERMAL PERFORMANCE OF THE HEAT CHANNEL IN BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC(BIPV) IN SUMMER

Chen Lei Gao Jun Shou Qingyun Pei Xiaomei Shi Jie

（1.School of Mechanical Engineering Tongji University, Shanghai，201804

2. College of architecture and urban planning, Tongji University, Shanghai，200092

3. Sino-German College Applied Sciences of Tongji University，Shanghai, 201804）

Abstract: The experimental research on thermodynamic parameter of the BIPV channel in Zhuzhou was did. Air temperature, velocity in channel, solar radiation and ambient temperature were tested. Temperature field change of air, PV backplane and exterior wall based on the environment parameter were determined as well as their changing relationship. The process of heat transfer in the curtain wall with thermal channel was also clear. The analysis of the temperature filed indicates a better performance of natural ventilation in the morning. The maximum air temperature in the channel was 45℃ and the maximum PV channel temperature was 54℃.We know the time to open the channel in order to save energy by analyzing the temperature relationship between air temperature in and out the channel and the external wall.

Key words: building integrated photovoltaic; heat channel; thermal performance; experiment