新型的光伏热建筑一体化系统

新型的光伏热建筑一体化系统

钱剑峰1,2 张吉礼1

(1. 大连理工大学 土木水利学院，大连 116024;2.哈尔滨商业大学 土木与制冷工程学院，哈尔滨150028)

摘 要 综述了目前国内外光伏热建筑一体化系统的应用研究概况与发展关键。针对当前技术存在的问题，提出了一种新型的光伏热建筑一体化系统——振荡流热管光伏热建筑一体化系统，阐述了其特点并提出了一些亟待研究的问题。 关键词 光伏热建筑一体化 概况 振荡流热管 振荡流热管光伏热建筑一体化系统

ANALYSIS OF A NEW PHOTOVOLTAIC THERMAL BUILDING

INTEGRATION SYSTEM

Qian Jianfeng1,2 Zhang Jili1

(1. School of Civil & Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. School of Construction & Refrigeration Engineering, Harbin University of Commerce,

Harbin 150028, China)

Abstract The application and research conditions of photovoltaic thermal building integration system （BIPV/T）in the aspects of development course have been reviewed. Application key points of BIPV/T have been pointed out. Based on the analysis, a new photovoltaic thermal building integration system (oscillating heat pipe - photovoltaic thermal building integration system, OHP-BIPV/T) has been brought forward. Some problems needing to solved in the deeper development have been exampled.

Keywords BIPV/T Survey Oscillating heat pipe OHP-BIPV/T

研究和探索。

1 引言 下面将通过对现有光伏热建筑一体化系统现

状的综述与分析，提出一种改进的新型BIPV/T系近年我国能源弹性系数持续保持较高水平，能

统，该系统有利于提高PV板的发电效率和太阳能综源需求日益紧张[1, 2]。当前我国建筑能耗占到全球

合利用效率，便于实现建筑热水集中供应，有利于总能耗的30%，占我国社会商品总能耗的24.3%[3~5]。

降低建筑冷热负荷，对缓解城市发展、能源、环境同时，我国环境问题亦呈严峻态势，燃煤等化石能

之间的巨大矛盾，实现可持续发展具有重要意义。 源排放了大气中70%以上的 SO2、NOx、CO2，而

建筑能耗占到该部分污染物排放总量的15%以上。

2020年可再生能源在我国能源结构中的比例将达

2 光伏热建筑一体化的研究现状 到15%（目前为8%）[6, 7]。因此，开发利用可再生

能源将成为降低我国化石燃料能源消耗、减缓环境光伏热建筑一体化（BIPV/T）技术是在光伏建恶化，缓解建筑能源供应压力的有效举措。我国太筑一体化（BIPV）的基础上，加强了冷却或热利用阳能资源丰富，具备大规模开发条件[8]。同时，城方式发展而来的，现已成为各国竞相发展的热点

[9,10]

镇高度密集的建筑群拥有大量的建筑外表面，故利。晶体硅光伏电池是其主要部件，2004年约占用光伏热建筑一体化技术逐渐成为实现建筑物从世界光伏电池总产量的94% [11]。近年，我国光伏建单纯的耗能型向供能型转变的重要途径。当前，光筑一体化进展较快[12,13]。 伏热建筑一体化（BIPV/T）在建筑与能源领域逐步

2.1 BIPV/T系统光热性能

引起人们的重视，国内外研究者纷纷开展该方面的

BIPV/T系统光热性能主要有稳态模型和非稳态模型两类。标定工况电池温度NOCT模型是典型的预测光伏电池(PV)工作温度的稳态模型，应用广泛但有局限性，如模型设定PV两侧环境温度和风速相同，且总传热系数为常数，这在应用中均很难保证，故不同学者对该模型的适用性进行了研究[14~18]

。Davis[14]和Lee[15]指出，NOCT模型计算结果要高于实测值，用于PV背后有绝热层时最大低估20°C，而对带通风流道PV（如图1）最大低估10°C；Radziemska[16]和Brinkworth[17,18]指出，晶体硅PV的温度增加20°C时输出电量减少15%。当考虑PV温度随太阳辐照度实时变化时需采用非稳态模型。Jones等[19]提出的模型是主要考虑了热容、短波辐射、长波辐射、对流传热和输出电能共五个因素。Mei等[20]将提出的带通风流道PV模块的瞬态模型与建筑能耗模拟软件TRNSYS相结合，预测得到的通风流道内空气温度和实测值吻合很好。上述研究表明：准确计算PV温度对预测其电性能意义重大。BIPV/T系统光热性能的实验研究主要涉及了不同建筑一体化形式对PV性能产生的影响。Nordmann[21]分析了四种不同集成方式对PV温度的影响； Krauter[22]的研究表明，不带背面通风流道的PV模块其操作温度最高可达80°C，增加通风流道后操作温度降低25°C。上述研究表明：带通风流道的PV光电转率较高。

太阳太阳通建辐射建辐射风流筑模块筑PV模块道墙PV墙体密闭体

空气层

a）带通风流道 b）无通风流道 图1 有无通风流道的风冷式BIPV/T系统示意图

2.2 BIPV/T系统光电性能

BIPV/T系统光电性能模型目前有三种。第一种模型直接将PV光电效率定义为辐照度和温度等变量的函数形式，计算方便，常用于月或年的输出电量计算[23]。第二种模型以单指数或双指数模型基本理论适当变化后计算实际条件的输出。Fry[24]提出了五参数（光电流，串联电阻，反向饱和电流，品质因子，并联电阻）PHANTASM模型，已成功应用到TRNSYS软件中。第三类模型采用统计分析方法得到经验方程。Meyer等[25]提出的EMAT模型以

日总辐照量和日最高气温为变量得到一天的总发电量，该模型准确度较高。

2.3 BIPV/T系统的建筑冷热负荷影响研究

BIPV/T对建筑能耗影响有两个方面，一是建筑围护结构的能量平衡会改变，进而引起建筑冷热负荷的变化，影响建筑的能耗水平；二是BIPV/T为建筑提供各种能量，如热水、电能等，因此导致建筑能耗构成方式的变化。建筑能耗模拟软件EnergyPlus[26]、TRNSYS[27]和ESP-r[28]都涉及PV，但都侧重从PV发电对建筑电力需求影响的角度分析，而对BIPV/T引起的建筑冷热负荷变化则较少研究。Yang等[29]研究了带通风流道的光伏屋顶的热、电性能，发现与普通屋顶相比屋顶冷负荷减少了65%；对于朝南安装的光伏屋顶，当PV倾角从15°变到50°时光伏电效率从0.1下降到0.072，并提出了当量空气温度和新表面传热系数两个概念，以简化带空气流道光伏墙体的计算。结果表明，、上海和北京的光伏墙体比普通墙体的得热量分别少32.5%、41.1%和50.1%[30]。Jie等[31]分别对东、南、西朝向的有、无自然通风的光伏墙体进行分析，计算出了全年的发电量和得热量，发现两者的得热量相差约为20%，发电量相差不大。以上文献均采用PV稳态光热性能模型，且光电性能模型比较简单，在分析中没有充分考虑PV对于建筑热负荷的影响。一些学者采用了PV非稳态模型进行光热性能研究，Mei[20]等研究了BIPV/T系统在欧洲不同地区的建筑冷、热负荷，结果发现：PV板背后通风流道出口空气温度夏季可达到50°C，冬季可达到40°C，在巴塞罗那，由于空气预热冬天所需热量可节省12%。

2.4 国内对BIPV/T系统的研究现状

前述内容均为国外对BIPV/T系统研究现状，而国内对BIPV/T系统研究上起步较晚，目前仅有少数几家机构开展该项研究，其中，中国科学技术大学的研究成果较突出，对BIPV/T系统的实验研究和理论分析较全面[31~37]：1）深入研究了以水流环路代替空气流道的BIPV/T热水一体墙系统（如图2）；2）将热泵循环应用于太阳能光电/光热综合利用中，提出了PV/T热泵系统。上述研究拓展了太阳能的利用方法，进一步提高了BIPV/T 系统的光电/光热综合效率。

进水口建板层管筑盖间块铜层墙璃气模片却热玻空VP肋冷绝体热水用户出水口水泵

图2 水冷式BIPV/T系统示意图

3 光伏热建筑一体化现状分析

前述理论和试验研究均一致说明了BIPV/T系统在提高太阳能综合利用率、实现太阳能与建筑一体化的技术可行性和科学性，该方向已成为建筑技术科学与能源利用科学的研究热点。但是，文献分析也发现现有BIPV/T系统存在如下不足：

1） 尽管BIPV/T系统的光电/光热综合效率均高于单独的光电或光热效率，但光电效率某些时段并未提高、甚至降低。因为光热转换的热能输出往往受使用温度，这样冷却流体对PV板的冷却能力降低，导致电池温度上升、光电效率下降，特别是中午太阳辐照较强时光电效率下降更明显。因此，以一定流量的通风和冷却水这种显热换热的冷却方式就受到了冷却介质使用温度的，这种显热冷却方式急需改善。

2） 现有BIPV/T系统主要采用机械循环冷却方式，需消耗风机或循环水泵功率，且电池板冷却通道较狭小，现有系统在提高了百分之几的光电效率(目前约4~5%)的同时，往往要多消耗几倍以上的额外电能。现有BIPV/T系统用铝板等作为光电池的基板，二者接触热阻大，不利于提高散热速率，因此系统的热性能还需改善。

3） 当前BIPV/T系统对建筑冷热负荷影响的研究还很少，实际上PV/T的存在改变了建筑冷热负荷的性质和大小，原有的建筑负荷计算方法显然不再适用，因此，亟需揭示BIPV/T系统中墙体和屋面热动力延迟与衰减规律，深入研究其建筑热工机理。

4 新型振荡流热管光伏热建筑一体化系统的提出

4.1 高效的振荡流热管技术

1994年日本学者Akachi发明了新型高效传热元件即振荡流热管。实验表明，振荡流热管的传热能力相当于常规热管最高传热能力的20倍[38]，受到国际传热界的高度重视，图3为其示意图。振荡流热管包括蒸发段、绝热段和冷凝段三部分，由弯曲的毛细管构成，毛细管抽成真空后充入工质。振荡流热管的热输送机理是，工质在蒸发段吸收外界热量后汽化，形成随机分布的、汽液相间的塞状流，汽柱受热膨胀、推动液柱前进，液柱在前进中又不断汽化，最后进入冷凝段冷凝放出热量后再进入蒸发段，实现热力循环。在热力循环中，振荡流热管内的工质受热汽化膨胀和管壁的毛细作用是推动工质循环的原动力。

冷凝段绝热段蒸发段

图3 振荡流热管结构示意图

与传统热管相比，振荡流热管具有以下优点[39, 40]

：(1)管径小、体积小，易于实现小型化；(2)结构简单，不需要毛细芯，有利于降低成本；(3)可以进行任意弯曲，应用范围广；(4)启动迅速、热敏感性强，具有较强的热传输性能。(5)运行可靠，液体回流自适应强。(6)热传输过程无需额外驱动能源消耗。近年来，许多研究者对其进行大量的试验研究[41]

和理论分析[42]，主要包括振荡流热管的运行原理[43,44]

；结构参数对传热效果的影响，如管径、弯头数量、倾斜角度及蒸发段和冷凝段的长度等；运行参数对传热效果的影响如工质种类、工作流体的充注率及加热段位置等。文献[45]对其进行了全面的归纳和总结总结。2007年Rittidech和Wannapakne将振荡流热管与平板式集热器相结合，开发了平板式振荡流热管太阳能集热器[46]，毛细管内径为3mm，蒸发段长度为2m，冷凝段长度为0.5m，工作流体为R134a。试验表明，该集热器的集热效率达到62%

以上[46]，与传统的平板集热器相比，其集热性能大大提高。

4.2 振荡流热管光伏热建筑一体化系统

针对现有BIPV/T系统所存在的不足，鉴于振荡流热管上述优点及其在平板式太阳能集热器上的成功应用，笔者等提出以无动力循环的振荡流热管（Oscillating Heat Pipe，OHP）为冷却方式、以高温工质为热管工质、以石墨高导热材料为填充层的新型BIPV/T系统，即OHP-BIPV/T系统，为进一步开发新型高效BIPV/T系统奠定基础。

新型OHP-BIPV/T系统原理图如图4和图5所示，与现有BIPV/T系统相比：

1）利用振荡流热管可实现PV板的无外动力冷却和光电转换废热及太阳能光热的回收利用。在振荡流热管蒸发段，高温工质吸收PV板光电转换废热和太阳辐射热，在冷凝段将该热量释放到冷却水中，冷却水被加热后集中供向建筑；工质被冷凝后进入蒸发段，进行下一次热力循环，从而源源不断地带走PV板光电转换废热，起到对PV板的冷却作用。在此过程，OHP-PV/T模块不需要消耗常规PV/T模块所要求的风机或水泵功耗；同时，其热输送过程为潜热输送过程，与传统的风冷和水冷以显

水泵热方式直接冷却PV板相比，更易于通过集中调节冷却水流量来实现对PV板的冷却，特别有利于降低夏季PV板温度，提高光电效率，同时向建筑提供热水，具有太阳能“热电联产、热水集中供应”的效果。

2）OHP-BIPV/T系统与传统风冷式PV/T系统（见图1）和水冷式PV/T系统（见图2）相比，结构简单、体积小，特别是在厚度上更容易与建筑墙体和屋面实现一体化集成，可分别在建筑的东、南、西三面外墙和屋面上实现建筑一体化设计。由于OHP-BIPV/T系统采用了集中式热水管路系统，无须在PV板后大面积地敷设冷却水管，因此更容易实现与建筑围护结构的结合；由于热管绝缘部分在长度上的灵活性，集中式热水管路也可以敷设在建筑内部，从而解决冬季冷却水防冻的问题。上述优点是传统水冷式PV/T系统无法比拟的。

3）在夏季，OHP-BIPV/T系统通过集中式热水管路系统，可以有组织地将围护结构空调冷负荷的大部分转化为热能，向建筑提供热水；在冬季，由于OHP-BIPV/T系统内部设有保温层，同墙体外保温效果一样、具有减小建筑采暖热负荷的作用，并向建筑提供热水。因此，OHP-BIPV/T系统具有“变负荷为能源”的节能效果。

热水用户集中式热水管路出水建筑墙体用户蓄电池保温层热水管路振荡流热管I进水保温层建筑墙体玻璃盖板光伏电池板(含基板)振荡流热管石墨填充层保温层用户逆变器振荡流热管I

a）立面结构示意图 b）I-I剖面

图4 OHP-BIPV/T系统结构示意图(墙体可换成屋面)

冷凝段出水热水管进水玻璃盖板复合膜光伏电池复合膜振荡流热管石墨填充层保温层框架绝热段振荡流热管蒸发段

a）立面结构示意图 b）剖面结构示意图

图5 OHP-BIPV/T模块结构示意图

4.3 今后研究内容

OHP-BIPV/T系统对提高现有光电池板的光电效率和太阳能综合利用效率、解决建筑热水供应、降低建筑冷热负荷，促进光伏热建筑一体化技术的发展，具有重要学术价值和广阔的应用前景；对降低建筑系统传统能源消耗、缓解我国建筑能源环境压力，具有重要的社会发展意义。当前课题组已申请了发明专利1项：闭环毛细管太阳能光伏热电板；已完成OHP-PV/T模块的设计，初步完成了该模块的加工工作；正在设计OHP-PV/T模块性能试验系统。今后将针对OHP-BIPV/T系统作以下几方面深入研究：

1） OHP-PV/T模块光电、光热单项及综合性能试验研究，包括：OHP-PV/T模块的光电、光热特性试验系统的设计和误差控制研究；OHP-PV/T模块中振荡流热管的热输送性能试验与试验统计数学模型的研究；OHP-PV/T模块光电、光热单项及综合性能试验与试验统计数学模型的研究。

2） OHP-BIPV/T系统光电、光热单项及综合性能的试验研究，包括：基于墙体或屋面的OHP-BIPV/T系统光电、光热特性试验系统的设计研究；基于墙体或屋面的OHP-BIPV/T系统光电、光热单项及综合性能试验研究；OHP-BIPV/T系统光电、光热单项及综合性能的试验统计数学模型研究。

3） OHP-BIPV/T系统的建筑冷热负荷影响特性试验与理论研究，包括：无光伏热利用的对比试验房建筑冷热负荷特性的试验研究；基于墙体或屋面的OHP-BIPV/T系统对建筑冷热负荷影响特性试验与对比研究。

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