光伏建筑一体化系统中通风空腔热工性能研究综述

刘瑞囡，张晓明

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

清洁能源的生产是当今人类面临的最重要和最紧迫的技术挑战之一。考虑到全球变暖和限制碳排放，必须积极寻找替代能源或新能源。其中最受欢迎的技术之一是太阳能光伏技术，光伏电池板吸收太阳能转化成电能以供使用。近年来，光伏建筑一体化系统（building integrated photovoltaic，BIPV）在建筑中得到了广泛应用。在BIPV系统中，光伏板取代了传统的建筑围护结构材料，如建筑立面，玻璃幕墙和遮阳元件等。光伏幕墙可以多种方式使用，提供供热缓冲区、预热空气、隔音、防风防污、同时作为建筑围护材料并提供电力。BIPV系统可以更具成本效益，节省材料和电力成本，减少化石燃料的使用和臭氧排放。

集成在建筑外墙或屋顶的BIPV系统在过去几年引起了学者们的注意，开始了广泛的研究。系统由两层结构组成：一层是光伏板；另一层是建筑物的外表面，即外墙或屋顶。然而，为了避免光伏板集成到建筑外墙或屋顶时过热，通常在光伏板和建筑外墙或屋顶之间留有通风空腔。通风空腔中的通风可以是自然的也可以是机械的，它可以有不同的宽度、高度。通风空腔的设计是影响系统性能的重要参数。

1 BIPV系统空气夹层中的空气流动

近几年，利用光伏组件废热的想法越来越受到关注。各种研究表明，许多研究人员试图通过几种方式了解光伏板与建筑外墙之间的气流。本节介绍了为此目的进行的研究，分别进行模拟或实验研究。

Mei［1］等提出了一个基于 TRNSYS的通风光伏立面/太阳能集热系统建筑的动态热模型。在作者的早期工作中，开发了一种用于通风光伏外墙的动态通用有限元热模型。在此基础上，结合TRNSYS软件，设计了一个完整的热模型。结果表明，在考虑通风间隙的光伏立面上，各位置的冷负荷都较大，而热负荷则取决于位置。

Hailu［2］等对考虑强制对流的光伏/光热系统进行了CFD分析。利用COMSOL多物理有限元分析软件，以不同空气流速下测量的温度曲线和太阳辐射作为边界条件，建立了BIPV/T系统的CFD模型。结果表明，当辐射边界条件与k-ε湍流模型一起使用时，使用测量的空气和背面绝缘温度分布获得更好的一致性，得出利用CFD模型预测温度分布的可能性，并建立了局部/平均对流换热系数与气流速度之间的关系。

Gan［3］对BIPV系统进行了CFD（计算流体动力学）模拟分析，以研究不同屋顶间距（垂直高度）和面板长度下，气隙尺寸对光伏性能的影响，并确定最小化光伏过热所需的最小气隙。

张瑞［4］等以上海工程技术研究中心1#楼屋面光伏阵列为研究对象，通过数值计算得出了不同深度下光伏组件温度、输出功率、以及屋面外表面温度的变化情况。通过恒定通风腔深度变化数值对应的经济效益统计方法获得了最优化通风腔深度设计，分析得出其通风腔的最佳深度为300mm。

朱丽［5］等以天津地区为例，对双层透光薄膜光伏幕墙的热工性能进行了理论计算和Fluent软件模拟，综合考虑空腔的保温隔热以及通风散热，建议双层透光薄膜光伏幕墙空腔厚度取0.15m，夏季工况下通风口竖向开口尺寸为0.25m时，通风所带走的热量最多。

直奔光伏组件过热问题，Kaiser［6］等对空气通道中强制对流冷却光伏组件进行了试验研究，探讨空气夹层大小及强制通风对电池温度及光伏组件电效率的影响。在不同的太阳辐射值、环境温度、纵横比（管道宽度/管道长度）和几种强制通风条件下，对BIPV装置进行了试验。结果表明，临界纵横比接近0.11，可将光伏板过热降至最低。研究还表明，强制通风条件下的发电功率输出比自然通风条件下增加19%。

Brinkworth和Sandberg［7］采用全尺寸试验台进行了一系列试验，以验证在无风条件下，当光伏板温度最高时通道内空气的流动和传热情况。结果表明，设计变量存在一个最佳值，对于长度为L的阵列，当L/水力直径（Dh）的比值约为20时，光伏板温度最低。此外，研究还表明，由于空气流动，光伏阵列的温度会大大降低。在全尺寸试验台上进行的测量与光伏侧加热理论估算一致。

2光伏幕墙的传热分析

本节介绍了已发表的相关研究，这些研究基于对BIPV立面的传热分析，以及自然通风和机械通风立面的各种Nu数和传热系数。

La Pica［8］等研究了垂直通道中空气的自然对流。试验过程采用2.6m高的矩形截面模型，通道宽度可变。其中一个通道壁受到均匀热通量，并且使用不同的通道间隙和加热功率值进行测试。得出了两个经验公式，其中几何参数s/H，sHh是模型的宽度，是模型的高度。在所研究的所有情况下，对流换热系数在4.8到5.1W/m2K之间，随热流密度的增加，对流换热系数略有增加。

Sparrow和Azevedo［9］和通过试验和计算，研究了平板间距对由恒温和未加热壁开放式垂直通道内自然对流的影响。他们分析了基于两个平行壁（一个加热，另一个绝热）的热通量的数据。Ra200～80000之间时，得出以下表达式：

Zollner［10］等描述了在室外双层幕墙中进行的试验。作者指出，太阳辐射引起的混合对流流体在双层幕墙通道中流动，很大程度上取决于窗的高度、外部和内部立面之间的距离以及进气口和出气口的高度。在同样的问题上，Selkowitz［11］指出，通常在空气夹层厚度为0.2～0.6cm的情况下达到最小热传。一旦达到临界状态，进一步增加空腔厚度很少或没有减少空气空间热传。

Candanedo等［12］提出了一个以室外空气作为冷却介质的开放式循环空气光伏/光热系统传热特性的试验研究。对于以强制对流为主的光伏光热系统设计，给/出了努塞尔平均数与雷诺数的关系式。由于系统的不对称性，建议使用两个Nu数方程；一个用于光伏板表面，另一个用于倾斜角为30～45°的绝热表面。Dittus和Boelter［13］推荐Nu数关联式，用于 Re≥10000，L/D≥10和0.7＜Pr＜16的光滑管道中完全发展的湍流情况。对于单相管道，最广泛使用的关DittusBoelter系式是和公式，描述了强制对流和对称加热的平均努数。应注意的是，对于矩形截面，水力直径用于估算Re数。

3结语

将光伏电池板整合为建筑元件的想法，增加了可再生能源系统的前景。考虑到建筑中需要更多的可再生能源系统，对BIPV系统进行研究以提高其性能具有重要意义。文献研究分为自然通风系统和机械通风系统的试验和理论、模拟研究。到目前为止，研究人员似乎一致认为，为了使光伏板温度保持在较低水平，光伏板和建筑立面之间的最佳气隙在10～15cm之间。

此外，在各种假设和条件下，不同的研究者每次都提出了Nu数关联式。Pica等［8］指出，在所研究的所有情况下，对流传热系数h在5.1～4.8W/m2K之间，随着热流密度的增加，对流系数略有增加的趋势。。然而，文献中呈现的每个Nu数关联式仅适用于特定流动类型的特定瑞利数范围。