BIPV 热通道实验研究与分析

陈 磊，高 军

(同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804)

现阶段全球资源日益紧张，人们更多地把眼光放到了太阳能的利用上。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。

这一领域国内外已有较多研究，何伟、杨红兴和陈海从不同角度研究了幕墙对空调负荷的影响，发现由于墙体得热造成空调负荷的减少可达到20%以上［1-3］。段征强的研究表明幕墙通风对能量效率有较大的影响［4］。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，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情况［5］。W． J． Stec 通过模拟研究了太阳辐射强度对呼吸式玻璃幕墙温室效应的影响［6］。Elisabeth Gratia 研究了通风窗的开启与关闭对幕墙能耗的影响［7］。何芸芸等人对呼吸式幕墙的性能及节能性进行了相关的实验研究［9-10］。

可以看出上述研究并没有从横向上对呼吸式幕墙的传热过程进行研究，所以本文主要通过实验研究BIPV 热通道的传热过程和热工特性。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、外墙随环境参数变化的温度分布;通过温度场相互关系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 试验介绍

该建筑是位于湖南省株洲市的一座倒班楼，试验主要内容是测试典型BIPV 光伏围护结构系统温度分布，空气流速等热工性能等因素。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具有建筑光伏一体化特性的热工性能参数。

太阳辐射的测试采用辐射传感器，位于光伏外墙朝东方向上。室外大气温度测试选用pt100 温度传感器测试室外大气温度，测点远离建筑围护结构外表面和热源1．5 m，离地面高度1．5 m。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。BIPV 构建的温度测试铜-康铜热电偶，测温精度在0．1℃，其中六个热电偶要紧贴在BIPV 的光伏背板上，三个热电偶布置在流通通道中，测试通道内空气的温度值，测点距地面位置分别为5 m、10 m、16 m。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。一个热电偶位于测试单元第三层的典型房间的外墙内表面，热电偶位于该测试单元墙体中心线。

2 结果及分析

通道内沿高度方向上空气温度是不同的，图1为通道内三个不同高度测点温度分布情况，可以看出通道温度在中午12:00 最高，最高温度可达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。三条曲线之间变化趋势一样，且随着高度增加而升高，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2℃，分析原因可能为上午辐射较强通道内的流动较快，导致空气与光伏背板的换热较剧烈。观察可知通道温度在下午3:00 以前都高于环境温度。

图1 8 月13 日通道内不同高度温度随环境温度变化曲线

图2 8 月13 日通道自然通风热压变化曲线

通道温度热分层以及通道内与室外的温差是自然通风的主要动力。本实验忽略风压的作用，只考虑烟囱效应，烟囱效应形成的上下压力差可以通过下式计算［1］

式中 ρ——空气密度/kg·m-3;

g——重力加速度/m·s-2，g=9．81 m/s2;

H——上下开口高度/m;

T1——通道外空气温度/℃;

T2——通道内空气平均温度/℃。

通过计算可知，最大热压可达4．18 Pa，从下午6:00 开始热压为负，如图2 所示，说明从此刻开始通道内平均温度小于通道外温度，若此时开启通道，通道内的流动方向将从上向下，此时会把通道外的热量带到通道内从而增加了空调负荷。值得注意的是从晚上11:00 开始，热压变为正值，主要原因是环境温度降低的较快，而通道温度减小较慢。注意热压的变化进而动态响应通道的启闭有助于排热节能。

图3 8 月13 日光伏背板不同高度温度及太阳辐射的变化曲线

图4 8 月13 日背板平均温度、通道平均温度随环境参数变化曲线

背板温度在全天的分布情况变化较大，并且不同测点温差较小。图3 所示为三个不同测点的光伏背板温度，测点1、2、3 分别位于2 楼、3 楼和5 楼。光伏背板温度从6:00 开始上升并且温度增高速度较快，下午速度缓慢降低。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 h 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。12:30 左右的一段时间内背板温度衰减很快，但日照辐射处于峰值阶段，此时发电效率会较高。

在白天热量从室外通过背板传到通道内，其温度场存在相关关系，图4 反应了幕墙通道内的传热过程。背板与通道内的温差从上午一直增大，上午10:00 ～11:00 达到最大12℃，此时的通道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。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5 9 月12 日背板平均温度、通道平均温度随环境参数变化曲线

图6 8 月13 日光伏背板与通道内空气对流换热系数变化曲线

空气流过太阳能电池背板背面时的对流换热系数可由下式计算［2］

式中

T——平板背面温度/℃;

Ta——通道空气温度/℃;

β——当地纬度+10°;

v——空气的流速/m·s-1。实验测得风速较大时刻平均风速为1．58 m/s，最大速度可达1．72 m/s。经计算得对流换热系数时间分布如图6。可知上午9:00 到下午4:00 时间段内传热系数较大，最大传热系数可达6．7 W/m2·℃，这段时间内的平均传热系数为6．28 W/m2·℃。上午的传热系数较大是因为通道内外温差较大，“烟囱效应”明显，下午的传热系数也在较高水平，查看气象参数可能是由于环境风速较大形成的风压增强了对流换热。

图7 8 月13 日外墙内外表面温度及通道平均温度变化曲线

图8 9 月12 日外墙内外表面温度及通道平均温度变化曲线

不同天气情况下呼吸幕墙的性能是不一样的，图4 和图5 分别为8 月13 日与9 月21 日两天的背板温度以及通道内空气温度一天内的变化情况。8月13 日为晴天，太阳辐射强度最高达930 W/m2，气温条件为28 ～39℃，9 月12 日为阴天，气温条件为21 ～28℃，太阳辐射强度最高达616 W/m2。图5 中光伏背板最高温度35℃，通道空气最高温度29℃，通道与空气最大温差7℃左右，比晴天的12℃小很多，比较两幅图可以发现晴天背板的最高温度出现的时间早，通过其他天数据的观察，晴天背板最高温度一般出现在9:30 到10:00，阴天背板最高温度一般出现在12:30 以后。通过观察通道内外空气的温差可以看出阴天温差小，晴天温差大，造成晴天的烟囱效应比阴天好，所以背板被有效排热，温度峰值出现的快。

比较图7 和8 可知三条曲线的变化趋势一致，阴天外墙最高温度27℃，不同之处在于阴天通风排热差，热量储存在通道内的光伏背板与外墙上，所以整个变化趋势相比较晴天要滞后一段时间。

为了消除两天环境温度的不同对通道温度比较的影响，消除环境温差的影响即把环境温差加到9月13 日通道平均温度、背板平均温度、外墙外表面温度上，只观察太阳辐射对通道的热工性能的影响。通过计算可知在上午7:00 到下午3:00 这段辐射较强的时间段内，消除环境温度影响后晴天与阴天各温差分布情况如表1。可见消除温度的影响，太阳辐射对光伏通道的热工性能有较大的影响，会使得通道内的温度升高，这段时间内晴天比阴天背板平均温度高6．64℃，通道平均高2．37℃，外墙外表面平均高2．44℃。

表1 不同时刻背板温差、通道温差、外墙内外表面温差

3 结论

通过对实验数据的整理分析得出了以下结论:

(1)确立了通道内温度场、背板温度以及外墙温度随室外环境参数的变化过程，通道内的温度随高度升高而增加，背板温度比较稳定。计算了典型夏季晴天通道内自然通风的热压变化情况，可知上午8:00 到11:00 这段时间通风效果良好。

(2)通过分析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 这段时间内平均对流换热系数达6．28 W/m3·℃。比较通道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。

(3)选取了晴天与阴天这两天作为比较对象，考察不同天气BIPV 的热工差异，看出阴天通道内外的空气温差小通风排热差，热量储存在背板与外墙中导致温度衰减慢。消除两天温差的影响，可以看出太阳辐射对通道内的温度场影响较大，使得背板温度平均比阴天高6． 64℃，通道温度平均高2．37℃。

［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］陈海，姜清海，等．太阳辐射作用下双层玻璃幕墙热通道的节能计算与实验研究［J］． 中山大学学报:自然科学版，2006，45(6):35 -39．

［4］段征强．光伏热系统的实验与模拟研究［D］．天津:天津大学，2006．

［5］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．

［6］W．J． Stec，A．H．C． van Paassen，A． Maziarz，Modelling the double skin facade with plants［J］． Energy and Buildings，2005(37):419 -427．

［7］Elisabeth Gratia，Andre'De Herde，Greenhouse effect in double -skin façade［J］． Energy and Buildings，2007(39):199 -211．

［8］何芸芸． 通风双层玻璃幕墙热工测试与节能分析［D］．南京:南京理工大学，2010．

［9］王强．双层玻璃幕墙节能效果实验研究［J］．新型建筑材料，2006，30(7):70 -72．

［10］胡建军，周嘉陵，杨向东． 通风玻璃幕墙的节能测试及改进方案［J］．建筑科学，2009，25(2):60 -63．