建筑能耗占全国能源消费总量的40%以上[1],建筑碳排放量约占总量的36%[2],节能减碳空间大.光伏复合墙体(Photovoltaic Wall,PV Wall)作为光伏建筑一体化(BIPV)技术形式之一,充分利用建筑立面空间,同时具备围护结构功能和发电功能,能够实现建筑发电就地消纳,促进建筑领域的节能减排和碳中和目标的实现.
光伏复合墙体一般由光伏组件、空气间层和保温墙体组成,根据光伏组件的种类,目前光伏复合墙体中应用较多的有半透光和不透光的晶硅、非晶硅、染料敏化和钙钛矿基太阳能电池产品[3-13].光伏组件经太阳辐照后,一部分能量转换为电能,另一部分能量转化为热能[14],研究表明各类型的光伏组件的发电效率均会随工作温度升高而降低,因此国内外学者针对不同散热方式的光伏复合墙体的热性能和发电效率开展了相关研究.Mehdi Shahrestani等[3]通过数值模拟与实验验证,发现自然通风能够提高晶体硅光伏通风立面的年发电量4%.Nuria Martín-Chivelet等[4]将不透光的晶体硅光伏墙体应用于西班牙某改造建筑中,发现通风模式可以提高2.5%的发电效率.Jinqing Peng等[5]研究了中国香港地区的透光非晶硅光伏墙体在不通风、浮力和通风3种模式下的热性能和发电效率,发现不通风模式的隔热性能最好,而通风模式太阳能得热系数SHGC最低且发电效率提高了3%.通过模拟发现朝南光伏墙相比于普通墙体,夏季得热量和冬季热损失的年减少率分别约为56.2%和32.0%[6].Suzana Domjan等[7]以强制通风模式利用透明单晶硅光伏复合墙体预热新风后送入室内,实验发现高达10%的太阳辐射可用于供电和供热,空气预热可利用高达75%的所接收的太阳辐射.Lijie Xu等[8]建立了BIPV/T太阳能墙的数值模型,采暖季太阳能墙空气通道中的热空气可承担部分热负荷,模拟发现在北京、合肥和西宁的太阳能保证率分别为49.9%、38.7%和41.3%.季杰[9]、徐小炜[10]、马杨[11]等人提出将光伏电池与Trombe墙结合,根据光伏组件安装位置分为内置式和外置式PV-Trombe墙,采用CFD方法研究了墙体的光电光热性能,发现内置式的PV-Trombe墙的集热效果更好,而光电转化效率低于外置式.Siliang Yang等[12]比较了非晶硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池和钙钛矿基太阳能电池应用于光伏复合墙体,在不通风、自然通风和强制通风模式下的发电和热性能,发现在澳大利亚最适宜应用钙钛矿基太阳能电池的自然通风光伏复合墙体.
已有研究中阐述了应用不同光伏材料的光伏复合墙体在亚热带和温带等气候区的光电光热综合利用的节能优势,但关于应用非透光铜铟镓硒薄膜类光伏组件的光伏复合墙体热利用的研究有限,且多数研究采用数值模拟的方法,缺乏基于实测数据的进一步验证.
因此,本文提出了一种采用非透光铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光伏复合墙体,是能够在实际中广泛应用的幕墙体系[14-15],如图1.构造组成由外至内依次为光伏组件、龙骨与空气间层、保温与内墙层和内装饰层,属于建筑的非透光围护结构,不具有建筑采光功能.为合理利用光伏复合墙体内的热量,在墙体上下端设置内外通风器,形成呼吸式构造.夏季,光伏复合墙体采用外循环模式,即外部通风器开启,空气间层与室外环境连通,通过烟囱效应,及时排除空气间层内热量(图2(a)); 冬季日间,采用内循环运行模式,内部通风器开启,空气间层与室内环境联通并形成内循环,光伏复合墙体的热量可被建筑利用(图2(b)); 冬季夜间,光伏复合墙体保持密闭,封闭的空气间层具有一定的保温性(图2(c)).
图1 惠州潼湖科技小镇项目[14]
Fig.1 CIGS-BIPV Photovoltaic Demonstration Building in Tonghu Science and Technology Town
图2 光伏复合墙体工作原理示意图
Fig.2 Schematic diagram of working principle of photovoltaic wall
光伏复合墙体凭借其特殊的呼吸式构造体系,具有冬季保温、夏季隔热性能,本文重点研究其在我国严寒地区冬季的主被动热利用模式及效果,基于沈阳地区的实验装置,进行了2 a的长期监测实验,取得了大量的实测数据,总结了冬季不同太阳辐射强度和环境温度条件下,光伏复合墙体热能的动态变化的规律,进一步提出了主被动热利用的有效模式,量化了两种热利用模式的供热量和供热效率,为其在严寒地区的应用提供了数据支撑和应用策略.
本文除引言和结论外,分为4个主要部分.第1节为光伏复合墙体对比实验平台简介; 第2节统计分析了冬季工况下,实验装置中光伏复合墙体空腔密闭状态时的各部分温度实测数据; 第3节提出了光伏复合墙体被动式热利用模式,基于对比实验装置实测其对建筑采暖能耗的节能效果,通过CFD模拟研究其供热量和供热效率; 第4节提出了与新风机结合的光伏复合墙体主动式热利用模式,通过实验测试研究其供热能力.