不同散熱方式對 BIPV 建筑能耗影響的模擬分析

秦繼恒 史珂 秦文軍 湯洋

國家能源集團綠色能源與建筑研究中心

0 引言

1986 年，世界能源組織最先提出光伏建筑一體化的概念，即BIPV(Building Integrated photovoltaic）。它利用光伏發電組件代替建筑物的某一構件，將建筑，發電和美學有機結合，將光伏整列布設在建筑物外表面，從而產生電力[1]。該系統具有如下優點：直接對負載供電，降低了電網架設和維護費用，避免了由電網傳輸帶來的電力損耗。避免了放置光電陣板額外占用的空間。可以省去建筑圍護結構的部分費用。與建筑結構合二為一，可以省去單獨為光電設備提供的支撐結構等。由于光伏建筑一體化建筑具有上述一系列優點，并且隨著光伏組件發電效率的提高及成本的降低，目前，北京、天津、上海、重慶等 31 地均發布與BIPV 未來 3～5 年相關政策，其中 13 地明確建設BIPV 建筑是有補貼的，隨著政策的落實，BIPV 建筑會迎來一個高速發展期。

BIPV 建筑在發電的同時光伏組件的溫度會升高，而光伏電池的效率會隨電池溫度的提高而降低[2]。BIPV 建筑的散熱方式可以分為開縫、自然通風、機械通風等三種形式，本文利用 EnergyPlus 和 Fluent 兩種軟件對這三種散熱形式對BIPV 建筑采暖能耗、制冷能耗、發電量的影響做了詳細的模擬分析，為 BIPV 建筑在散熱方式的設計及選擇提供參考。

1 工程案例介紹

BIPV 控制中心位于北京市昌平區未來科學城國家能源集團科技創新園區內，占地面積 735.1 m2，建筑面積1222.2 m2，建筑高度（含女兒墻）8 .81 m（不含光伏塔）。在建筑東、西、南三個朝向設置光伏幕墻、并在屋面安裝光伏板，充分利用太陽能為建筑供能，共安裝尺寸為600 mm 塔）。在建筑東的CIGS 薄膜光伏組件865 塊（不含光伏塔）。與此同時，為降低光伏組件運行溫度，提高光電轉換效率。既在建筑底部和頂部安裝了電動百葉實現自然通風，又在光伏幕墻后設置機械通風通道，可用機械通風的方式帶走光伏余熱。同時將光伏組件的余熱加以利用，一部分通過新風機組直接送到室內實現余熱直接利用，另一部分送到多聯機空調系統和熱泵熱水機組室外機的吸熱側，用以提升多聯機/熱水機組的性能，實現光伏余熱間接利用。采用多聯機空調系統作為建筑的冷熱源，控制中心實景見圖1。

圖1 BIPV 控制中心實景圖

2 模擬分析介紹

2.1 模擬方法及流程

該項目主要采用能耗模擬軟件 Energy-plus 與計算流體動力學模擬軟件 Fluent 耦合模擬方法，對光伏幕墻取熱的節能特性進行分析。如圖 2 所示，采用Energyplus 與Fluent 相耦合的方法進行模擬分折。其中，由于 Energyplus 在模擬氣流組織換熱方面具有一定的局限性，為了提高模擬結果的可靠性，通過選取典型工況下Energyplus 的模擬結果作為Fluent 軟件的模擬邊界條件，采用有限體積法模擬分析機械通風系統空氣的溫度變化以及取熱系統的經濟性能。

圖2 模擬方法流程示意圖

2.2 模擬工作內容

本文模擬工作主要包括如下部分：

1）建立常規幕墻建筑物理模型，模擬全年動態建筑冷、熱負荷及采用多聯機空調系統能耗。

2）建立密閉空腔的光伏幕墻建筑物理模型，模擬全年動態建筑冷、熱負荷，光伏發電量及多聯機空調系統能耗。

3）建立帶通風流道的空腔光伏幕墻建筑物理模型，并分別模擬自然通風及機械通風工況下全年動態建筑冷、熱負荷，光伏發電量以及采用多聯機空調系統能耗。

4）對不同模擬工況下的模擬結果進行經濟性對比分析。

5）對帶空腔光伏幕墻建筑的空氣流道設計運行參數優化模擬。

2.3 模塊及模塊設置

本文比較建筑外墻無光伏板、有光伏板自然通風、有光伏板速度分別為 0.5 m/s、1 m/s 的機械通風 4 種工況下的建筑能耗與光伏發電量，主要用到了以下的模塊。

1）傳熱模塊：基于熱平衡的求解，使得每次計算都能對建筑內表面和外表面的輻射和對流進行精確計算，且屋頂、墻體和樓板等導熱過程時采用的是非穩態導熱過程。其中，室外與室內熱平衡控制示意圖如圖3、4 所示，室外與室內熱平衡公式具體如式（1）與式（2）所示。

圖3 室外熱平衡控制圖

圖4 室內熱平衡控制圖

式中：qasol為吸收的直接和漫射太陽（短波）輻射熱流；q LWR為與空氣和周圍環境的凈長波輻射熱量交換；q conv為與外界空氣的對流交換；qko為傳導到墻壁的熱通量。q LWX為區域表面之間的凈長波輻射交換通量。q SW為到表面的凈短波輻射通量；為來自qLWS為區域內部設備的長波輻射通量；q ki為通過墻壁的導熱通量；qsol為被表面吸收的透射太陽輻射通量；qcon為區域空氣的對流換熱量。

2）能耗模塊：采用多聯機空調系統進行建筑全年動態能耗計算。

3）自然通風與機械通風模塊：在 EnergyPlus 中通風有兩種方式，對于機械通風式幕墻利用EnergyPluszi自帶 Airflow-window 計算模塊模擬不同氣流流向的雙層幕墻建筑傳熱特性，同時可通過定義流量與時間來控制空腔中氣流流量。對于自然通風系統，空腔被作為一個獨立的分區與室內區域相鄰，即在建立通風系統建筑時需要建立兩個區域，對空腔中自然通風采用與EnergyPlus 鏈接的氣流網絡模塊進行模擬計算。

氣流網絡模型將空腔與室內結合起來進行由風壓和熱壓造成的氣流流動和傳熱問題。其在對區域內相互聯系的兩節點間的壓力分布與其氣流組織計算如下：

式中：ΔP為節點n和m之間的壓力差，P a；Ps n，Ps m為節點n和m處的靜壓，P a；Vn和V m為節點n和m處的空氣流速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；z n和z m為節點n和m的高度，m 。

在考慮室外風壓后，式（3）可寫為式（4）

Pn和Pm為n和m處的全壓；Ps為密度差和高度差引起的壓力差，P a；Pw為風壓引起的壓力差，P a。

對于機械通風來說，采用式（5）與式（6）計算：

式中：Tg ap為空腔平均溫度，K ；hgap為玻璃與空腔空氣的對流換熱系數，W/(m2· / K)。

4）光伏模塊：采用 Energyplus 中的 Sandia 光伏陣列模擬模型，而建筑圍護結構負荷則采用 heat transfer模型模擬。

根據建筑幾何參數信息，建立建筑與光伏幕墻幾何模型，如圖 5 所示，部分設計參數見表1：

圖5 建筑及光伏幕墻幾何模型圖

表1 建筑熱工參數設置

2.4 Fluent 模擬設置

1）邊界條件設置

空腔截面示意圖如圖6 所示，左側固體部分為墻體，右側流體部分為空腔，墻體內壁面設置為定壁溫邊界，冬季壁溫 20 ℃，夏季壁溫 24 ℃，墻體外壁面設置為流固耦合邊界，空腔下部為流體入口，采用速度入口邊界，上部為流體出口，采用自由出流邊界。空氣腔右側為PV 板，設置定熱流邊界，其余壁面則采用絕熱邊界。

圖6 空腔截面示意圖

2）模擬算法

本文的模擬控制方程求解均采用雙精度的隱性計算器，速度和壓力的耦合計算采用SIMPLE 算法，壓力離散方式采用 Body-Force Weighted，k方程，ε方程和速度方程中的對流項和擴散項均采用二階迎風離散格式。松弛因子按照軟件的默認設置，除能量方程和輻射方程的殘差收斂標準設置為10-6外，其余各方程的殘差收斂值均設置為10-3。

3 模擬結果分析

根據幾何模型及邊界條件的輸入及設置，模擬得到不同散熱方式下建筑能耗見表2 所示：采暖和制冷能耗均為全年能耗，發電量為BIPV 建筑（包含屋面上的光伏板）全年發電量，而凈能耗為建筑總能耗與光伏系統發電量的差值。

表2 不同散熱方式下建筑能耗模擬結果匯總

根據 BIPV 控制中心運行半年多的實驗數據：晴天時建筑發電量約為260 kWh，和模擬結果比較吻合。初冬和初夏時光伏系統發電量滿足多聯機用電需求，和模擬結果也比較吻合，說明幾何模型及邊界條件的輸入及設置是合理的。

從表 2 可知：在建筑發電量方面，隨著風速的增大，發電量也不斷增大，與密閉形式相比，開縫、自然通風、0.5 m/s、1 m/s 的機械通風全年發電量分別增加了2.08%、5.85%、6.63%、8.58%，開縫方式散熱性能差，發電量提升也最小。與玻璃幕墻建筑相比，B IPV 建筑在密閉、開縫、自然通風、0.5 m/s 與1 m/s 機械通風、冬季密閉 +夏季自然通風狀態下全年能耗分別降低了27.7%、25.6%、23.8%、21.6%、20.5%與 29.2%，對于BIPV 建筑，冬季密閉+夏季自然通風全年能耗降低最多，能耗最低，因此對于設置自然通風措施的 BIPV建筑，采取合理運行措施，可以達到降低建筑能耗的目的。

從建筑凈能耗看，冬季密閉 +夏季自然通風的運行模式最優，其次是全年自然通風模式，由于空調系統只在工作時間運行，BIPV 建筑在供自身采暖與制冷系統消耗后仍有富裕電量，可供照明及辦公設備使用。

4 結論及建議

1）本文采用 EnergyPlus 和 Fluent 軟件耦合模擬的方法，實現了對BIPV 建筑采暖能耗，制冷能耗及年發電量的模擬分析，且模擬結果和建筑實際能耗數據比較吻合。

2）冬季密閉 +夏季自然通風運行模式建筑全年能耗最低，機械通風 1 m/s 全年能耗最高，開縫、自然通風散熱方式位于兩者之間。機械通風1 m/s 是光伏系統發電量最大，密閉光伏墻體的發電量最小，說明光伏組件溫升對發電量的影響較大。

3）冬季密閉+夏季自然通風建筑凈能耗最低，夏季自然通風在提高發電量方面收益明顯，在有條件的情況下，BIPV 建筑建議設置自然通風措施。

4）BIPV 建筑與玻璃幕墻建筑和普通外墻建筑相比，BIPV 不僅是能源的消耗者，也是能源的生產者，其凈能耗為負值，隨著BIPV 建筑造價的降低及補貼政策的出臺，BIPV 建筑會越來越具有經濟性。