(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东 青岛 266580; 2.青岛有住信息技术有限公司,山东 青岛 266580)
(1.College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2.Qingdao Youzhu Information Technology Co., Ltd., Qingdao 266580, China)
double-skin faç;ade; photovoltaic; natural ventilation; heat-transfer character; experimental study
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2021.06.020
建筑围护结构得热及热损失是引起建筑制冷和供暖能耗的主要原因之一[1].由内、外层玻璃及通风空腔组成的双层皮幕墙(Double-Skin Façade,DSF),是一种具有节能潜力的被动式窗体[2-4].光伏发电和建筑相结合而产生的建筑一体化光伏系统具有多种功能与优点,将半透明光伏玻璃(Semi-transparent photovoltaic glass,STPV)与DSF耦合得到的半透明光伏双层皮幕墙(STPV-DSF)是建筑一体化光伏系统的重要形式 [5].在此基础上发展而来的通风式STPV-DSF,能够有效促进热通道内空气的自然对流,带走大量太阳辐射热,有效降低室内负荷和空调系统能耗[6].
国内外学者对通风式STPV-DSF的运行特性及节能效果进行了大量研究.王京南等[7]通过建立双层皮幕墙数学模型,以长沙地区某外循环式双层皮幕墙为例,进行夏季自然通风工况下双层皮幕墙的热工性能模拟.陈友明等[8]在已搭建的实验平台上,对夏季自然通风和机械通风下DSF热通道内的流场和温度场进行对比分析,得出自然通风效果较好的4种工况,并利用Fluent模拟和分析自然通风下最佳玻璃幕墙空腔间距及遮阳百叶位置.郭猛等[9]基于区域方法和气流网络模型,结合双层皮玻璃幕墙机械通风的特点,综合考虑了通风空腔内热压、风压和横向交叉气流的作用,建立了机械通风双层皮玻璃幕墙的模型.朱丽等[10]模拟在寒冷地区应用透光薄膜光伏幕墙,结果表明夏季通风口单位宽度带走约72.92 W热量.文献[11]将通风型STPV-DSF、单层光伏窗以及封闭型STPV-DSF三种类型窗体进行比较,发现通风型STPV-DSF在降低光伏电池运行温度、减少夏季室内得热方面表现最优.
上述研究成果对光伏双层皮幕墙的优化设计起到一定的借鉴作用,但现有研究大多是针对夏季工况外循环通风展开[12].冬季STPV-DSF运行中能否应用自然通风,目前尚不清楚.另外,少量文献对冬季STPV-DSF的节能效果进行了研究,如Chow等[13]发现光伏双层皮幕墙可降低冬天热耗散,同时吸收太阳能产生电能以减少建筑耗能; 高峰等[14]针对寒冷地区冬季双层光伏窗办公建筑,利用Energyplus软件模拟研究了不同运行模式下双层光伏外窗对建筑节能特性的影响.但冬季STPV-DSF的运行效果是否优于DSF,并未见报道.本文通过搭建实验装置,实测多种通风模式下STPV-DSF的运行参数,以研究自然通风对窗体传热特性的影响,明确冬季应用自然通风的可行性; 并通过与DSF运行参数的对比,分析光伏材料对冬季双层皮幕墙运行特性及节能效果的影响.
通过建立实验房进行实际测试是探究窗体运行特性有效且直观的方式[15-16].在山东省胶州市(东经119°37',北纬36°)搭建光伏双层皮幕墙全尺寸实验房.该地处北温带季风区域,属寒冷区,实验房尺寸如图1所示.南向窗体为三个尺寸相同的双层皮窗户,从西至东依次为:半透明光伏双层皮STPV-DSF(τ=40%)(外层皮透过率为τ=40%的碲化镉光伏玻璃)、双层皮DSF(τ=90%)(外层皮为τ=90%的普通6 mm玻璃)、半透明光伏双层皮STPV-DSF(τ=20%)(外层皮透过率为τ=20%碲化镉光伏玻璃),内外层之间为0.4 m的空腔,内层皮均为普通双层6 mm中空玻璃.三个窗体之间相互独立,中间设绝热隔板.在内外层皮的上、下端设置尺寸相同的通风口(0.6 m×0.6 m).外层皮上、下通风口均可向上开启,开启角度为30°,内层皮上下通风口采用向内开启的平开窗.通过改变内外通风口的开闭组合,可实现不同的运行模式,本实验选取三种不同运行模式进行测试,具体见表1.
图1 实验房尺寸(单位:mm)
Fig.1 Size of the experimental room
表1 运行模式设置
Tab.1 Setting of running mode
编号 运行模式case1 封闭模式case2 日间自然通风模式(8:00～17:00外层皮下窗打开,内层皮上窗打开,其余封闭)case3 中午自然通风模式(12:00～13:00外层皮下窗打开,内层皮上窗打开,其余封闭)
实验测点布置见图2.T为温度测量,采用顶峰科技20100热电阻,内、外层皮内表面沿中间轴线上各均匀布置3个热电阻,空腔内沿中心轴线布置5个热电阻,伸展在空腔内相应位置.C和R分别为通过窗体进入室内的传导热流密度和总辐射热流密度,采用传导热流传感器及辐射热流传感器测量,其中传导热流传感器贴附在各系统内层皮中间位置处,辐射热流传感器由三脚架支撑,放置在靠近各内层皮中间位置附近.辐射热流传感器感应面垂直向外,白天测量透射到室内的太阳辐射热流密度,夜间可测量室内向外的辐射热流损失.
另外,热流及温度电信号均连接Agilent 34970A数据采集仪进行记录; PV玻璃发电功率、电压、电流由MPPT记录并上传到电脑; 室外温湿度、风速气象条件采用DAVIS Vantage Pro2 plus 06162型气象站进行记录; 太阳总辐射及散射辐射强度采用Delta OHM LP PYRA02辐射强度计进行测量.实验仪器规格及技术参数见表2.
图2 实验系统的测点布置
Fig.2 Distribution of measuring points
表2 实验仪器规格及技术参数
Tab.2 Specifications and technical parameters of experimental instruments
双层皮幕墙内部能量流动及传热过程极其复杂,以STPV-DSF封闭模式为例:外层皮接收到的太阳辐射一部分被玻璃层反射,一部分被太阳能电池层吸收并产生余热,其余部分进入空腔内; 空腔内空气与外层皮内表面及内层皮外表面通过自然对流进行换热; 内层皮得到热量并通过透射、对流及辐射作用将热量传递到室内.
本文主要的评价指标包括:太阳得热系数(Solar Heat Gain Coefficient,SHGC)、内外层皮温度、辐射热流强度、传导热流强度、围护结构导热系数U值及发电功率.SHGC值及U值需要通过以下公式计算得到,其他参数可由仪器直接测量.
SHGC指通过围护结构成为室内得热量的太阳辐射占投射到围护结构上的太阳辐射的比例,采用公式(1)进行计算.
SHGC≈(G1+G2)/(G5)(1)
式中:G1为通过透光围护结构透射到室内的太阳辐射,W/m2; G2为太阳辐射被透光围护结构吸收后再传热室内得热量,包括围护结构通过长波红外辐射向室内辐射的热量G3及围护结构与室内的传导热量G4两部分,W/m2; G5为窗体接收到的总的太阳辐射,W/m2.
其中,G1+G3由辐射热流传感器TS-34C测得,G4由传导热流传感器CHS-30测得,G5由辐射强度计Delta OHM LP PYRA02测得.
U指围护结构的导热系数,表示围护结构在单位面积上允许热量通过的能力. U值可在室内外都没有辐射的夜间测量得到,表征建筑结构的保温能力.根据测试条件,按照公式(2)[17]近似计算.
U≈(G6+G7)/(ΔT)(2)
式中:G6为夜间室内向外的辐射热损失,W/m2; G7为夜间室内向外的传导热损失,W/m2; ΔT为夜间室内空气温度与室外空气温度之差,K.
其中,G6由辐射热流传感器TS-34C测得,G7由传导热流传感器CHS-30测得.
实验测试条件选择室外晴天微风时进行,选取室外气象条件及太阳辐射强度接近的晴天工况进行比较.确定12月23日、12月27日及1月1日分别作为封闭模式、日间自然通风模式及中午自然通风模式的典型日,三天内天气状况接近,太阳辐射日波动曲线及室外空气温度日波动曲线基本重合,减小了天气情况造成的实验误差,图3、图4分别为典型日太阳辐射日波动曲线及室内外空气温度日波动曲线.实验过程中对室外气象条件、玻璃各表面温度、空腔及室内外温度、进入室内的平均辐射热量与平均传导热量等进行了测量记录.
图3 太阳辐射日波动曲线
Fig.3 Diurnal fluctuation curve of solar radiation
图4 室内外空气温度波动曲线
Fig.4 Fluctuation curve of indoor and outdoor air temperature
空腔内温度分布是决定冬季自然通风效果的重要因素.自然通风状态下,室外冷空气从底部进入,在空腔内被加热后从顶部进入室内.若进入室内空气温度较高,则有利于室内得热,降低冬季室内热负荷.
图5为STPV-DSF在case1时空腔内温度分布图,由图可知,各测点温度及温度梯度均随太阳辐射强度增强而增大,12:00左右达到峰值,空腔顶部温度约29.9 ℃,空腔顶部和底部最大温差为8.9 ℃.
图5 STPV-DSF case1时空腔温度分布
Fig.5 Cavity temperature of STPV-DSF in case1
图6为STPV-DSF在case2时空腔内温度分布,由图可知,最高温度26.0 ℃,较case1模式下降3.9 ℃,这是由于室外新风流经空腔时通过对流换热作用吸收热量,降低了空腔温度.若将冬季室内设计温度设定为20 ℃,10:40～14:00时间段Tca5高于20 ℃,可为室内提供高于供暖设计温度的新风,降低室内热负荷; 其他时间段Tca5低于20 ℃,由于冷风渗透可增加室内热负荷.
图6 STPV-DSF case2时空腔温度分布
Fig.6 Cavity temperature of STPV-DSF in case2
图7为STPV-DSF在case3时空腔内温度分布.由图7可见,12:00左右Tca5达到峰值约29 ℃,此时打开外层皮下窗及内层皮上窗通风,室外冷空气从底部进入,被加热后在空腔内向上移动,空腔上层热空气进入室内形成自然通风.虽然开窗后由于冷空气的渗入造成空腔内温度整体降低,但通风时间段进入室内的热空气温度Tca5不低于20 ℃,因此在提供新风的同时有利于室内得热.
图7 STPV-DSF case3时空腔温度分布
Fig.7 Cavity temperature of DSF in case3
图8为STPV-DSF三种通风模式下的外层皮温度对比图.由图8中可以看出,不同通风模式下外层皮温度变化趋势一致,均随着室外辐射强度和温度的变化而变化,呈现先升高后降低的趋势.其中,case2温度分布整体低于case1和case3温度分布,这是由于流经空腔的新风与外层玻璃进行对流换热,带走热量使得外层皮温度降低; 且随室外辐射强度和温度的升高,外层皮与室外空气的温差逐渐增大,对流换热作用增强,与case1外层皮温差逐渐增大,最大温差可达5.02 ℃.case3与case1相比,12点之前由于都处于封闭状态外层皮温度分布基本一致,12点开窗后温度略有下降,最大温差2.1 ℃左右.
图8 STPV-DSF三种通风模式下的外层皮温度
Fig.8 Temperature of external curtain wall of STPV-DSF under three ventilation modes
图9为STPV-DSF三种通风模式下的内层皮温度对比图.由图可见,通风模式对内层皮温度的影响并不太大.其中,case3与case1相比,内层皮温度并没有明显变化; case2内层皮温度始终最低,但最大温差不超过2 ℃.分析原因,由于STPV-DSF外层皮光伏材料大量吸收太阳辐射能量,使得日间外层皮温度迅速升高,正午时分明显高于内层皮温度,进入空腔的冷空气与外层皮的对流换热作用更为强烈,因此对内层皮温度的影响不大.由上可以得出,不同通风模式下STPV-DSF内表面与室内的对流换热量和辐射换热量相差不大.
图9 STPV-DSF三种通风模式下的内层皮温度
Fig.9 Temperature of internal curtain wall of STPV-DSF under three ventilation modes
图 10和图 11为STPV-DSF三种通风模式下的传导热流密度和辐射热流密度,由图可见,传导热流密度和辐射热流密度均随着室外辐射强度和温度的变化而变化,呈现先升高后降低的趋势,10:00～12:00左右达到峰值.从数值来看,三种通风模式下的传导热流密度和辐射热流密度基本一致,无明显差异和规律.分析原因:(1)传导热流密度取决于内层皮与室内的温差,室内初始温度相同时,即取决于内层皮温度,由于三种通风模式下的内层皮温度差异不大,所以传导热流密度也差异很小;(2)辐射热流密度包括透过窗体进入室内的直射太阳辐射和内层皮向室内的辐射两部分,取决于室外辐射强度及内层皮温度,三种通风模式下的室外辐射强度及内层皮温度相近,因此其辐射热流密度数值相近.另外,有些时间段的辐射热流密度及传导热流密度出现负值,说明随室外辐射强度及室内外温度的变化,此时热量的传递方向由室内向室外.
图 10 STPV-DSF三种通风模式下的传导热流密度
Fig.10 Conduction heat flux of STPV-DSF under three ventilation modes
图 11 STPV-DSF三种通风模式下的辐射热流密度
Fig.11 Radiant heat flux of STPV-DSF under three ventilation modes
根据测得的传导热流密度和辐射热流密度的数值,带入公式(1),计算得到SHGC值平均为0.091左右,运行模式对SHGC值无明显影响.
选取封闭模式及日间自然通风模式进行STPV-DSF冬季发电性能分析,如图 12所示.光伏组件从7:00左右开始出现发电功率,10:00～11:30发电功率达到最高水平,11:30后随太阳辐射强度减弱发电功率急剧下降,16:00左右发电结束.与前期测量的夏季发电性能相比,冬季发电时间明显缩短,发电功率明显下降,这是由于寒冷地区冬季光照时间短,太阳辐射强度弱,能够激活光伏组件进行发电的时间更短.实验测得STPV-DSF封闭模式下日发电总量约24 W·h,日间自然通风模式下日发电总量约54 W·h,远低于该实验装置测得的同地区夏季日发电总量(约160 W·h).通风模式对发电功率有明显影响,日间自然通风模式下,由于空气流通强化了换热,外层皮温度低于封闭模式,较低的运行温度更有利于提高发电功率.
图 12 STPV-DSF发电功率
Fig.12 Power generation of STPV-DSF
夏季STPV-DSF可降低室内得热及空调冷负荷,较DSF具有更大的节能潜力.由于冬季室内得热有利于降低供暖热负荷,因此冬季STPV-DSF并不一定为最优窗体.冬季影响室内热负荷的因素主要包括室内得热量、SHGC值、内层皮温度以及窗体的保温性,以下以封闭模式为例对两种窗体的性能进行对比.
图 13为一日内STPV-DSF及DSF热流密度对比图.
图 13 case1时STPV-DSF及DSF热流密度
Fig.13 Heat flux density of STPV-DSF and DSF in case1
由图可知,DSF辐射热流密度峰值及传导热流密度峰值分别为133 W/m2、120 W/m2; STPV-DSF热流密度值大幅度下降,辐射热流密度峰值为39 W/m2,较DSF降低71%,传导热流密度峰值为18 W/m2,较DSF降低85%.这是因为在相同的室外太阳辐射下,STPV-DSF由于外层光伏玻璃大量吸收太阳辐射能量,致使透射进入的太阳辐射热流密度大幅度降低,而到达内层皮的辐射热流密度降低,致使内层皮温度降低,传导热流密度也相应减少.根据测得的DSF传导热流密度和辐射热流密度的数值,计算得到其SHGC值平均为0.396.已测得STPV-DSF的SHGC值平均为0.091,因此较DSF降低约77%.
图 14为STPV-DSF及DSF内外层皮温度对比图.由图可知,STPV-DSF外层皮温度明显高于DSF外层皮温度,这是因为STPV-DSF外层皮光伏材料大量吸收太阳辐射能量,部分转化为电能,部分被自身吸收使其温度升高,而DSF外层皮为低吸收率、高透过率的普通玻璃,二者最大温差可达15 ℃.而STPV-DSF内层皮温度低于DSF内层皮温度,DSF内层皮最高温度为24.6 ℃,STPV-DSF内层皮最高温度降低3.92 ℃.可见由于STPV-DSF透射进入的太阳辐射热流密度大幅度降低,致使内层皮温度降幅明显.内层皮温度决定了内层皮与室内的对流换热量和辐射换热量,因此DSF更有利于室内得热.
图 14 case1时两种窗体的玻璃表面温度分布
Fig.14 Temperature distribution on glass surface of STPV-DSF and DSF in case1
U值测量在夜间无太阳辐射时进行,通过测量夜间的室内外温度、室内向外的辐射热损失及传导热损失,由公式(2)计算得STPV-DSF及DSF两种窗体的平均U值分别为0.74 W/(m2·K)、0.81 W/(m2·K),说明窗体透过率对U值有一定影响,但影响较小.STPV-DSF的U值略低,这是由于夜间室内温度高于室外温度,室内向室外辐射热量,透过率较低的光伏外层皮阻碍了夜间室内向室外的辐射换热过程,保温效果更优.两种窗体的U值都远低于普通中空玻璃的传热系数约3 W/(m2·K),说明双层皮结构冬季具有更好的保温效果.
(1)自然通风对外层皮温度影响较大,日间自然通风模式外层皮温度最低,与封闭模式最大温差可达5.02 ℃.三种通风模式下内层皮温度、传导热流密度和辐射热流密度差异较小,说明通风模式对室内得热量基本无影响.日间自然通风模式下空腔最高温度较封闭模式下降3.9 ℃,且10:40～14:00时间段Tca5高于20 ℃; 中午自然通风时空腔最高温度基本不变,且通风时间段Tca5均高于20 ℃.因此,合理选择自然通风时间可同时为室内提供热量和新风.另外,日间自然通风模式由于外层皮温度降低更有利于提高发电功率.综上,冬季太阳辐射强度较高的正午时间利用自然通风可行,有利于提高STPV-DSF的节能效果.
(2)光伏材料可改善双层皮幕墙的保温性能,STPV-DSF较DSF的导热系数降低; 但冬季室内得热量大幅度降低,封闭模式下STPV-DSF较DSF的辐射热流密度峰值降低71%,传导热流密度峰值降低85%,SHGC值降低77%,内层皮最高温度降低3.92 ℃.由于STPV-DSF夏季具有较显著的节能及发电功能,因此需结合全年节能总效果综合考虑.
