BIPV 建筑光伏余熱直接熱利用系統測試分析

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

光伏建筑一體化（BIPV，Building Integrated PV）是一種將太陽能發電（光伏）產品集成到建筑上的技術。BIPV 不同于光伏系統附著在建筑上（BAPV，Building Attached PV）的形式，光伏組件與建筑的集成是BIPV 的一種高級形式，它對光伏組件的要求較高，光伏組件不僅要滿足光伏發電的功能要求同時還要兼顧建筑的基本功能要求。光伏組件在接收太陽輻射發電的同時，大部分光能（80%左右)未能轉換為有用能量，且相當部分轉換為熱能，并使光伏組件溫度升高，光伏組件溫度的升高不但影響光電轉換效率，還增加夏季室內冷負荷[1]。如果在光伏組件背面設置降溫通道，由吸熱介質將熱量帶走，就能提高發電效率[2]，Kern 和Russell[3]提出太陽能光伏光熱綜合利用（PV/Tl）的概念，根據冷卻介質的不同分為空冷和水冷，水冷的冷卻效果優于空氣，但需要一個水道的循環系統，其裝置比較復雜，與BIPV 建筑結合比較困難，本文介紹的建筑采用了空冷型PV/T 與建筑相結合，可滿足建筑夏季和過渡季光伏組件的散熱需求，在冬季把降溫通道（空腔）內的熱空氣送到室內，實現光伏余熱的直接熱利用，同時對比分析了東、西、南三個朝向直接熱利用系統的實際運行性能，為BIPV 建筑在散熱及余熱利用系統設計、應用提供參考。

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750.78 m2，建筑局部二層，建筑高度（含女兒墻）8.81 m（光伏塔18.57 m）。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×1200 mm 的CIGS 薄膜光伏組件1160 塊（屋頂300 塊，北立面56 塊），控制中心實景圖見圖1。

圖1 BIPV 控制中心實景圖

以BIPV 控制中心南墻為例，介紹空冷型PV/T 的結構組成，南側外墻（入口除外）為光伏組件（4+0.75EVB+3）+玻璃幕墻（6+12A+6+12A+6）結構，兩者中間為厚度310 mm 的空腔，共同組成空冷型PV/T 的主體結構，其結構示意圖見圖2。東、西側墻體也有空腔，空腔里側大部分為160 mm 厚巖棉夾心保溫墻體。在建筑底部和頂部安裝電動百葉，通過電動百葉不同的開關模式，實現光伏組件夏季和過渡季散熱及冬季保溫的需求。為實現光伏余熱的有效利用，BIPV 控制中心把空冷型PV/T 與新風換氣機或送風機結合，冬季把空腔內的熱空氣直接送到室內，實現直接熱利用；另外一種方式是把空冷型PV/T 與多聯機室外機及空氣源熱泵熱水機組結合，提高多聯機和熱水機組的性能系數（COP），減小耗電量，達到光伏余熱間接熱利用的目的，本文只介紹直接熱利用系統的測試情況。

設置新風換氣機XF-1、XF-2 分別與西墻和東墻空腔結合，通風機PF-4 與南側空腔結合。以XF-1 為例：夏季和過渡季電動百葉開啟，空腔熱空氣排到室外達到散熱目的，新風取自室外。冬季排風百葉關閉，進風百葉打開，新風取自空腔，通過新風換氣機（風機）把新鮮的熱空氣送至室內，達到降低光伏組件溫度和余熱利用的雙重目的，原理圖見圖3。

圖3 XF-1 直接熱利用系統原理圖

2 直接熱利用系統性能測試分析

2.1 XF-1 性能測試分析

XF-1 與西側墻體空腔相結合，額定風量900 m3/h。2020 年采暖期（12 月7/8/10/11/16 日）對其進行了為期5 天的測試，以晴朗和晴間多云天氣為主。西向太陽輻射度、西向累計輻射量、室外環境溫度取自光伏塔上安裝的環境監測儀數據，風量取自新風管上的畢托管流量閥（妥思品牌）數據，新風送風溫度取自新風管上安裝的溫度傳感器數據。

2.1.1 西向輻照度的變化趨勢

從圖4 可以看出:西向輻照度在9:00～12:20 處于緩慢上升趨勢，12:20 后成拋物線趨勢上升，在15:00左右成拋物線趨勢下降，17:00 減小為零。8 日下午多云，輻照度變化沒有規律，10 日下午晴間多云，輻照度波動較多。五天9:00～17:00 時間段累計輻射量分別為：1.75 kW ·h/m2、1.04 kW ·h/m2、1.43 kW ·h/m2、1.29 kW·h/m2、1.64 kW·h/m2，7 日最大，8 日最小，后面分析當日輻照度/累計輻射量與送風溫度的關系。

圖4 西向輻照度變化趨勢

2.1.2 室外環境溫度變化趨勢

從圖5 可以看出:室外環境溫度在9:00～14:20 總體處于上升趨勢，14:40 后緩慢降低。10 日室外環境溫度最高，平均為5.7 ℃，7 日最低，平均為-0.6 ℃。后面分析環境溫度與送風溫度的關系。

圖5 室外環境溫度變化趨勢

2.1.3 送風溫度、送風和環境溫度差變化趨勢

整理了5 天的送風溫度變化趨勢，見圖6：晴天的7/11/16 日送風溫度在9:00～13:10 分之間總體處于波動上升趨勢，13:20～15:20 分之間溫升較快，最高溫度為19.5 ℃，這是由于此時間段西向輻照度較高的緣故。送風溫度16:10 以后快速降低，這是由于西向輻照度快速減小，且西側樹林對墻體有遮擋。8 日全天為多云天氣，溫度變化趨勢沒有規律，且送風溫度較低，10日下午多云，溫度變化趨勢沒有晴朗天氣明顯。送風溫度在2.4 ℃～19.5℃之間，5 天日平均送風溫度在8.9～17.1 ℃之間，大部分時間在10 ℃以上，12:00 以前，空腔熱量主要來自室內圍護結構傳熱，12:00 以后來自光伏組件余熱。12:00 以后送風溫度變化趨勢和西向輻照度密切相關，隨著西向輻照度的增大，送風溫度升高，西向輻照度降低時，送風溫度也快速下降。送風溫度高低也和室外環境溫度相關，7 日環境溫度低，送風溫度低，10 日環境溫度高，送風溫度也高。

圖6 XF-1 送風溫度變化趨勢

同時整理了送風溫度和環境溫度的溫差，見圖7：送風溫度和環境溫度的溫差在6.3 ℃～15.1 ℃之間，平均溫差在9.6～11.9 ℃之間，大部分時間溫差在10 ℃以上，呈先上升后下降再上升隨后下降的趨勢，溫差先下降是由于環境溫度逐漸升高的原因，后上升是下午西向輻照度大，送風溫度升高較快，15:50 左右，隨著輻照度減小，溫差也迅速下降。12:00 以后的溫差大小主要和西向輻照度大小相關，如7 日和16 日輻照度大，累計輻射量也大，這兩日的溫差也最大。

圖7 溫差變化趨勢

2.1.4 取熱量、耗電量及耗電輸熱比

根據公式Q=1.005×1.165×(送風溫度-環境溫度)×送風量，風量單位為m3/h，計算得到空腔的取熱量，根據電表統計得到XF-1 耗電量，從而計算得到耗電輸熱比，5 天的計算分析數據見表1 所示（XF-1 機組在10 日和11 日上午有段時間未運行）。從表1 可知，XF-1 的取熱量在13.13 kW·h～28.1 kW·h 之間，其從空腔的取熱量和1.5 匹空調制熱量大致相等。耗電輸熱比在4.08～5.04 之間，高于空調制熱平均COP（3.0）。

表1 XF-1 取熱量，耗電量及耗電輸熱比計算數據

2.2 XF-2 性能測試分析

XF-2 與東側墻體空腔相結合，額定風量500 m3/h。在2020 年采暖期（12 月7/8/10/11/16 日）對光伏余熱利用的效果進行了為期5 天的測試。

2.2.1 東向輻照度的變化趨勢

從圖8 可以看出:東向輻照度在7:20 后成拋物線升高，9:10 左右達到最大，隨后成拋物線下降，12:40 左右小于100 W/m2且趨勢變緩，17:00 時接近零。五天7:00～17:00 時間段累計輻射量分別為：2.41 kW·h/m2、2.39 kW·h/m2、2.01 kW·h/m2、1.88 kW·h/m2、2.36 kW·h/m2，7 日最大，11 日最小，7 日和8 日、16 日累計輻射量差別很小。后面分析當日輻照度/累計輻射量與送風溫度的關系。

圖8 東向輻照度變化趨勢

2.2.2 送風溫度變化趨勢

送風溫度變化趨勢見圖9，從圖9 可知：送風溫度變化滯后于太陽輻照度變化，輻照度9:10 時最高，而送風溫度11:30 達到最大，然后呈下降趨勢，中間波動較多。這說明從太陽輻射熱轉換為光伏組件的熱量，到傳遞給空腔中空氣，中間有相當長時間的延遲。

圖9 XF-2 送風溫度變化趨勢

2.2.3 送風和環境溫差變化趨勢

從圖10 可以看出：溫差在8.7～23.7 ℃之間，平均溫差在14.1～18.9 ℃之間。呈先上升后下降的趨勢，溫差升高和下降的趨勢和輻照度的變化趨勢基本一致（有時間延遲）。溫差大小和輻照度密切相關，7、8 和16日輻照度和累計輻射量大，這三天的溫差也最大。10和11 日環境溫度比7、8 日高，這兩日的送風溫度也高，但送風和環境溫度的溫差比7、8 日小，這是累計輻射量只有上述兩日的80%左右。說明溫差主要和累計輻射量相關，送風溫度能達到的最大值和累計輻射量及環境溫度均有關系。

圖10 溫差變化趨勢

2.2.4 取熱量、耗電量及耗電輸熱比

根據公式Q=1.005×1.165×(送風溫度-環境溫度)×送風量計算得到空腔的取熱量，根據電表統計得到XF-2 耗電量，從而計算得到耗電輸熱比，5 天的計算分析數據見表2 所示。從表2 可知，XF-2 的取熱量在19.5～25.7 kW·h 之間，耗電輸熱比在5.2～6.7 之間，是空調制熱平均COP（3.0）的一倍，經濟性較好。取熱量和耗電輸熱比與當日累計輻射量密切相關，累計輻射量大，取熱量大，耗電輸熱比也高。

表2 XF-2 取熱量，耗電量及耗電輸熱比計算數據

2.3 PF-4 性能測試分析

PF-4 與南側墻體空腔相結合，額定風量2200 m3/h。在2020 年采暖期（12 月7/8/10/11/16 日）對光伏余熱利用的效果進行了為期5 天的測試。

2.3.1 南向輻照度的變化趨勢

從圖11 可以看出:南向輻照度在7:20 后成拋物線升高，12:00 左右達到最大，隨后成拋物線下降，17:00左右降為零。五天7:00～17:00 時間段累計輻射量分別為：2.765 kW·h/m2、2.495 kW·h/m2、2.493 kW·h/m2、2.31 kW·h/m2、2.681 kW·h/m2，7 日最大，11 日最小，8日和10 日累計輻射量差別很小。后面分析當日輻照度/累計輻射量與送風溫度的關系。

圖11 南向輻照度變化趨勢

2.3.2 送風溫度變化趨勢

送風溫度變化趨勢見圖12：送風溫度變化趨勢和太陽輻照度變化趨勢類似，但滯后約70 分鐘。13:10 左右達到最大，然后呈下降趨勢，上升和下降過程中波動較多，沒有輻照度變化曲線那么平滑。8 日和10 日累計輻射量基本相同，10 日平均環境溫度比8 日高5.2 ℃，10 日平均送風溫度也比8 日高3.2 ℃。16 日環境溫度比11 日低3.3 ℃，但當日累計輻射量大，送風溫度比11 日還高0.2 ℃，說明送風溫度和當日累計輻射量及環境溫度均有密切的關系。

圖12 PF-4 送風溫度變化趨勢

2.3.3 送風和環境溫差變化趨勢

送風溫度變化趨勢見圖13：溫差變化趨勢和太陽輻照度變化趨勢類似，但滯后約50 分鐘。12:50 左右達到最大，然后呈下降趨勢，上升和下降過程中波動較多，沒有輻照度變化曲線那么平滑。溫差在4.6 ℃～27.7 ℃之間，平均溫差在15 ℃～19.8 ℃之間。溫差和輻照度密切相關，7 和16 日輻照度和計輻射量大，這兩天的溫差也最大。

圖13 溫差變化趨勢

2.3.4 取熱量、耗電量及耗電輸熱比

根據公式Q=1.005×1.165×(送風溫度-環境溫度)×送風量計算得到空腔的取熱量，根據電表統計得到PF-4 耗電量，從而計算得到耗電輸熱比，5 天的計算分析數據見表3 所示。從表3 可知，PF-4 的取熱量在90.7～114.4 kW·h 之間，耗電輸熱比在23.5～31.1 之間，是空調制熱平均COP（3.0）的8～10 倍左右，與空調制熱相比，每天節電量在26～34 kW·h 之間，經濟性很好。取熱量和耗電輸熱比與當日累計輻射量密切相關，累計輻射量大，取熱量大，耗電輸熱比也高。

表3 PF-4 取熱量，耗電量及耗電輸熱比計算數據

3 結論及建議

1）光伏余熱利用系統送風溫度及送風和環境溫度的溫差與輻照度密切相關，輻照度越大，送風溫度越高、溫差也越大。兩者和建筑朝向也密切相關，南側的PF-4 系統送風溫度最高，送風和環境溫度的溫差也最大，其次是東側的XF-2 系統，西側的XF-1 系統最小。

2）光伏余熱利用系統的取熱量、耗電輸熱比均與輻照度及朝向密切相關。輻照度高，取熱量及耗電輸熱比大，輻照度低，取熱量及耗電輸熱比也小；南朝向的取熱量及耗電輸熱比最

3）和南側外墻相結合的PF-4 余熱利用系統，平均送風溫度在16.2 ℃～23.3 ℃之間，50%以上的時間送風溫度在20 ℃以上，最高溫度可達31 ℃。取熱量在90.7～114.4 kWh 之間，其運行時約等于一臺5 匹空調的制熱量，與開啟空調相比，每天可節省耗電量26～34 kWh 之間，不僅為室內提供新風，還具有較好的經濟效益，具有一定的推廣應用價值。而東墻和西墻余熱利用系統送風溫度較低，耗電輸熱比較小，經濟性一般，不具有推廣應用價值。