光伏余熱利用的蓄熱混凝土系統實驗研究

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

光伏建筑一體化（BIPV，Building Integrated PV(Photovoltaic)）是一種將太陽能發電（光伏）產品集成到建筑上的技術。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]，K ern 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，既滿足建筑夏季和過渡季光伏組件的散熱需求，又在冬季把降溫通道（空腔）內的熱空氣送到地板下的蓄熱混凝土中，實現光伏余熱的直接熱利用，為BIPV 建筑在光伏余熱直接熱利用系統的設計及應用提供參考。

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 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，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。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[4]。位于BIPV 控制中心二層的光伏余熱利用的蓄熱混凝土系統，把空冷型 PV/T 與排風機 RLY-03、蓄熱混凝土相結合，夏季和過渡季底部和頂部的電動百葉均開啟，空腔熱空氣排到室外達到散熱目的。冬季電動百葉均關閉，當空腔溫度達到設定值時，R LY-03 開啟，空腔中的熱空氣送至房間地板下的蓄熱混凝土中，和蓄熱混凝土換熱降溫后回到空腔中吸收光伏余熱升溫，蓄熱混凝土白天蓄熱溫度升高，晚上再把白天蓄的熱量緩慢釋放出來，為室內供暖，達到全天為室內供暖的目的。該系統既降低了光伏組件表面溫度，又利用熱空氣為室內全天供暖，節省了采暖能耗，實現了光伏余熱利用方式的創新。

圖2 空冷型PV/T 組成示意圖

在蓄熱混凝土中設置送風、回風靜壓箱分別與送風管和回風管相連，在靜壓箱中間布置兩層直徑為40 mm 的不銹鋼鋼管用于通風，鋼管橫向邊距60 mm，兩層鋼管間距80 mm，每層44 根。蓄熱混凝土厚度為 18cm，性能參數如下：抗壓強度 ≧30 MPa，導熱系 數≧2 W/(m·k W)， 密度 ≧2400 kg/m3， 比熱容≧900 J/(kg· ℃)，在蓄熱混凝土中均勻布置9 個溫度傳感器，用于監測混凝土平均溫度，該系統原理圖見圖3。

圖3 蓄熱混凝土系統原理圖

2 蓄熱混凝土系統性能測試分析

RLY-03 排風機額定風量700 m3/ h，在2020 年11月 23 日～12月 16 日期間進行了 5 天的測試（2 天30 Hz 運行，3 天40 Hz 運行），晴或晴間多云天氣。太陽輻照度、室外環境溫度取自光伏塔上安裝的環境監測儀數據，風量取自送風管上畢托管流量閥（妥思品牌）數據，送風、回風溫度分別取自送風和回風管上安裝的溫度傳感器數據，蓄熱混凝土溫度取9 個溫度傳感器的平均值，耗電量及功率的數據來自風機的功率表。測試時間為11:30～15:30（排風機提前 5 分鐘開啟），測試期間（11:30～9:00），5 天的室外平均溫度分別為：2.3 ℃、-0.1 ℃、-0.1 ℃、2.6 ℃、-2.9 ℃，房間空調在9:00～17:00 時間段開啟運行。

2.1 輻照度的變化趨勢

從圖4 可以看出:太陽輻照度在 12:00 前后達到最大，隨時呈拋物線下降，由于多云的影響，有兩天輻照度曲線有小的波動。5 天11:30～15:30 時間段的平均輻照度分別為：4 15.7 W/m2、397.2W/m2、395.1 W/m2、357.2 W/m2、384.5 W/m2，11月23 日最高，12月8 日最低，后面分析輻照度與送風溫度的關系。

圖4 輻照度變化趨勢

2.2 送風溫度變化趨勢

從圖5 可以看出：送風溫度在 11:30～15:30 呈先上升后下降的趨勢，1 4:00 左右達到最大，隨后緩慢降低。5 天的送風平均溫度分別為：33.2 ℃、32.7 ℃、31.1 ℃、31.0 ℃、31.8 ℃，11.23 日最高，12.10 日最低，這和11.23 日輻照度最高、12.10 日輻照度最低有密切關系，輻射度高，送風溫度也高。1 1.30 日輻照度和12.3日基本相同，但送風溫度高1.6 ℃，這是由于環境溫度比12.3 日高1.6 ℃，說明送風溫度的高低和環境溫度也密切相關。

圖5 送風溫度變化趨勢

2.3 蓄熱混凝土溫度變化趨勢

在RLY03 機組運行蓄熱期間（11:30～15:30），蓄熱混凝土平均溫度以一定的斜率直線上升，機組停機后，再以較小的斜率直線下降，詳見圖6 所示。5 天風機的運行頻率分別為：30 Hz、40 Hz、30 Hz、40 Hz、40 Hz。混凝土起始溫度分別為：15.2 ℃、16.7 ℃、16.7 ℃、16.1 ℃、14.3 ℃。平均溫升分別為：5.6 ℃、5.8 ℃、4.7 ℃、5.8 ℃、7.3 ℃。5 天混凝土的平均溫升為5.8 ℃，蓄熱效果良好；到第二天早上9:00，混凝土平均溫度仍然高于起始溫度，說明散熱過程比較緩慢。

圖6 混凝土平均溫度變化趨勢

影響蓄熱混凝土溫升的主要因素有三個：風機頻率、混凝土初始溫度、輻照度。11.30 日和 12.3 日的輻照度很接近，混凝土初始溫度相同，但30 日的溫升比12.3 日溫升高了 1.1 ℃，說明風機頻率高，送風量大，溫升也高，以40 Hz 運行的其它兩天溫升也比 30Hz高，符合此規律。以40 Hz 運行的三天里，12.16 日的輻照度不是最高的，但其溫升最高，與其混凝土起始溫度最低密切相關，說明起始溫度低，溫升更大，以30 Hz運行的兩天溫升也符合這個規律。11.30 日和12.10 日風機的頻率相同，起始溫度不一樣，但溫升相同，這是由于11.30 日起始溫度高，同時輻照度也高的緣故，說明了輻照度也是影響溫升的一個因素，輻照度高，溫升也大。

2.4 送、回風溫差變化趨勢

送風和回風溫度的溫差及風機風量決定了風機取熱量的大小，也是影響蓄熱量的重要因素，整理了 5天的溫差變化趨勢，見圖7，從圖7 可以看出：4 天的溫差呈逐步降低的趨勢，其余1 天的溫差先升高后逐漸減低。5 天的平均溫差分別為17.0 ℃、15.1 ℃、14.3 ℃、14.1 ℃、15.5 ℃。送回風溫差與輻照度密切相關，1 1.23日輻照度最高，溫差也最大，12.10 日輻照度最低，溫差也最小。

圖7 送、回風溫差變化趨勢

2.5 室內溫度變化趨勢

整理了5 天室內溫度的數據，其變化趨勢見圖8所示，17:00 以前，溫度較為平穩，有些小的波動。17:00空調停機后，溫度有個迅速降低的過程，19:00 后趨勢變得很平緩，早上7:30 以后，隨著陽光的照射，室內溫度又開始升高。房間內空調只在9:00～17:00 運行，其它時間依靠混凝土蓄熱量及建筑圍護結構的蓄熱及隔熱性能，室內溫度均保證室內溫度在15 ℃以上，蓄熱和加熱效果都較好。

圖8 室內溫度變化趨勢

2.6 取熱量、蓄熱量及耗電輸熱比

根據Q1=1.005×1 .165×(送風溫度-環境溫度)×送風量，可計算得到風機從空腔熱空氣取的熱量。根據Q2=c×m×Δt，可計算得到蓄熱系統的蓄熱量，其中c為900 J/(kg·℃)，密度 2400 kg/m3，蓄熱混凝土體積為3 m3。根據電表統計得到風機的耗電量，可以計算得到耗電輸熱比，5 天的計算分析數據見表1 所示。從表1可知，風機的取熱量在 7.37～10.57 kW·h 之間，耗電輸熱比在 8.85～12.05 之間，是空調制熱平均 COP（3.0）的3～4 倍，經濟性較好。40 Hz 運行時的取熱量明顯大于30 Hz 時的取熱量，同時40 Hz 運行時的蓄熱量也大于30 Hz 時的蓄熱量，但由于工作時間房間溫度比混凝土溫度高，室內熱量也往蓄熱混凝土中傳遞，導致有些天的蓄熱量大于取熱量，以30 Hz 運行的兩天這種現象更明顯。

表1 取熱量、蓄熱量及耗電輸熱比計算數據

3 結論及建議

1）實驗測試期間，送、回風溫差在 7.5～20.1 ℃之間，9 6%以上的時間在 10 ℃以上，說明光伏組件的發熱量穩定且較大，用風機從空腔取熱加以利用也是有意義的。空腔取熱量在7.37～11.51 kW · h 之間，約等于1 匹分體空調3～4 小時的制熱量。蓄熱量在8.46～13.14 kW · h 之間，蓄熱效果良好。

2）蓄熱混凝土的溫升在 4.7～7.3 ℃之間，平均溫升為5.8 ℃。蓄熱混凝土溫升和輻照度、風機頻率及混凝土初始溫度密切相關。輻照度高、風機運行頻率高、初始溫度低則溫升越大，反之溫升越小。

3）風機的耗電輸熱比在8.85～12.05 之間，遠大于空調制熱平均COP（3.0），可有效節省空調系統耗電量，經濟性好，有推廣利用價值。

4）在冬季運行時，為兼顧較好的蓄熱效果及經濟性，建議光伏余熱利用的蓄熱混凝土系統運行時間為11:30～15:30，風機頻率為 40 HZ，此時送回風溫差基本能維持在10 ℃以上。