（化工过程机械专业论文）光伏屋顶形式优化的实验和理论研究.pdf

摘要 随着建筑能耗在社会总能耗中的比重越来越大，将太阳能等可再生能源利用 技术与建筑物相结合，对于缓解常规能源短缺，改善建筑环境具有重要意义。光 伏建筑一体化提出了一种新的可再生能源的利用方式。 本文针对现有光伏建筑一体化理论模型的缺点和不足，对三种典型的光伏屋 顶，即带有通风流道的光伏屋顶，封闭通风流道的光伏屋顶，不带通风流道的光 伏屋顶，以及普通屋顶，提出新的理论模型。该模型将光伏组件分成五层来考虑， 从上到下依次为：玻璃盖板、上层e v a ( 聚乙烯一醋酸乙烯酯) 、太阳电池、下 层e v a 、背板t p t ( t e d a l r 复合氟塑料膜) 层，分别考虑各层之间的传热以及光 伏组件表面和环境之间的传热；发展了s a n d i a 光伏组件电性能模型，考虑光伏 组件的电性能；以辐射时间系数( r t s ) 负荷计算方法为基础，计算通过光伏屋 顶的室内冷热负荷。 本文在天津地区建立了三种光伏屋顶和普通屋顶的对比实验台，并分别考察 了它们的热性能。将理论计算结果和实验结果进行对比，结果表明所建立理论模 型能够很好的预测光伏屋顶的性能。在此基础上，对比了三种光伏屋顶对光伏组 件电性能的影响、光伏组件和建筑结合之后对建筑外围护结构保温隔热性能的影 响，以及光伏屋顶对建筑室内冷热负荷的影响。最后，选取我国五个建筑热工 分区( 严寒地区，寒冷地区，夏热冬冷地区，夏热冬暖地区以及温和地区) 典型城 市的气象数据，分析了三种光伏屋顶的性能，得出了不同气候条件下最优的光伏 屋顶形式。 关键词：光伏屋顶围护结构热性能建筑冷热负荷数学模型 a b s t r a c t t oi m p r o v eb u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c ya n dr e d u c ef o s s i lf u e ld e p e n d e n c e ，i ti s i m p o r t a n tt oc o m b i n es o l a re n e r g yt e c h n o l o g yw i t he n e r g y - e f f i c i e n tc o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s b i p v ( b u i l d i n gi n t e r g r a d e dp h o t o v o l t a i c ) c a r lp l a yad e c i s i v er o l e i n t r a n s f o r m i n gb u i l d i n gf r o m a l le n e r g yc o n s u m e rt oa l le n e r g yp r o d u c e r t op r e d i c ta c c u r a t e l yt h eb i p vs y s t e mp e r f o r m a n c e ，n e wm o d e l sw a sd e v e l o p e d f o rt h r e ed i f f e r e n tb u i l d i n gi n t e g r a t i o n s ，w h i c ha r ep vr o o f sw i t hv e n t i l a t e da i rg a p ， n o n v e n t i l a t e d ，a n dt h ec l o s em o u n t ，r e s p e c t i v e l y p vm o d u i ew a sr e g a r d e da sf i v e l a y e r s ：t e m p e r e dg l a s sc o v e r , u p p e re v a ，s o l a rc e l l ，l o w e re v a ，a n dt p th e a t t r a n s f e rb e t w e e nf i v el a y e r sa n db e t w e e np vm o d u l ea n da m b i e n te n v i r o n m e n ta r e t a k e ni n t oa c c o u n t t h en e wm o d e l sc o m b i n e dt h ep vs a n d i ae l c c t r i c a lp e r f o r m a n c e m o d e la n dr a d i a n tt i m es e r i e sm o d e lf o r b u i l d i n gh e a t i n ga n dc o o i n gl o a dt o c a l c u l a t et h ep v p o w e ro u t p u ta n db m l d i n gt h e r m a ll o a dt h r o u g hp v r o o f t h r e ep vr o o f sa n dc o n v e n t i o n a lr o o fw e r es e tu pi nt i a n j i n ，c h i n aa n dt h e i r t h e r m a lp e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lv a l u e sa n dt h e o r e t i c a lv a l u e s - a r ec o m p a r e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lc a np r e d i c ta c c u r a t e l yt h e r m a l p e r f o r m a n c eo fp vr o o f s t h e nb a s e do nt h em o d e l ，t h ep vp o w e ra n db u i l d i n g t h e r m a lp e r f o r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e da f t e ri n s t a l l i n gd i f f e r e n tp vi n t e g r a t i o n s l a s t l y , t h ea p p r o p r i a t em e t h o df o rp vr o o fw a se v a l u a t e di nf i v eb u i l d i n gz o n e s ( s e v e r ec o l dz o n e ，c o l dz o n e ，h o ts u m m e ra n dc o l dw i n t e rz o n e ，h o ts u m m e ra n d w a r mw i n t e rz o n e ，t e m p e r a t ez o n e ) k e yw o r d s ：p vr o o f s ，t h e r m a lp e r f o r m a n c eo f b u i l d i n ge n v e l o p e ， c o o l i n g h e a t i n gl o a d ，m a t h e m a t i c a lm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纵 签字日期：伽否年倜夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盔盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：锄雾；矗l 导师签名： 签字日期：狐i 年，月f 71 3签字日期： 训 矽6 年厂月，歹日 前言 前言 2 1 世纪，人类面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和 环保严格要求的双重制约下发展经济已经成为全球热点问题。而能源问题将更加 突出，不仅表现在常规能源匮乏不足，更重要的是化石能源的开发和利用带来了 一系列的问题，如环境污染、温室效应都与化石燃料的燃烧有关。能源和能源消 耗引起的环境问题已经成为制约实现我国可持续发展的重要问题之。 在我国的建筑能耗中，采暖能耗和空调能耗随着国民经济的不断发展及人民 生活水平的不断提高，逐步成为建筑能耗中的一个主要部分。据统计2 0 0 0 年我 国的建筑用能共计3 5 6 亿吨标准煤，占社会总能耗的2 7 8 ，位居各类能耗之 首。在这种情况下，建筑行业的节能工作引起了全社会的极大关注。 从上个世纪9 0 年代开始，我国就在居住建筑设计中开始推行节能工作。建 筑节能工作包含两部分内容，一部分是加强围护结构的保温隔热能力，从住宅外 墙保温、门窗设计和屋顶保温这三方面入手；另一部分就是从供暖、供冷的热源、 输送渠道入手，将可再生能源的利用技术和建筑相结合，即“节流”和“开源”。 1 9 9 5 年建设部颁布的建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年规划中提出了建筑节 能分三步走的奋斗目标，第一步是从1 9 8 6 年开始，在原有住宅能耗水平( 1 9 8 1 年住宅能耗水平) 的基础上节能3 0 ；第二步是从1 9 9 6 年开始，再节约3 0 ， 即在原有住宅能耗的基础上节约5 0 ；第三步是从2 0 0 5 年开始在二步节能的基 础上再节约3 0 ，即在原有的基础上节约6 5 。但是三步节能只是降低了建筑 所需要的能耗，处于“节流”阶段，为了实现可持续发展将太阳能等可再生能源 利用技术和建筑物相结合，大力发展零能耗、负能耗的生态建筑，使建筑物减少 对常规能源的依赖，是今后建筑节能工作开展的重要方向。 因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技的进步， 大规模地开发和利用可再生能源。光伏建筑一体化提出了一种新的可再生能源的 利用方式，在为建筑物提供电能的同时，改变了建筑外围护结构的热性能，降低 了建筑能耗，创造了一个舒适的室内环境。本文在大力开发可再生能源与建筑相 结合的背景下对光伏建筑一体化系统进行了研究，建立了新的光伏屋顶的理论模 型，并建立了三种光伏屋顶以及普通屋顶的对比实验台，将实验测试结果和理论 模型的计算结果进行对比，结果表明所建立的理论模型比较准确；在此基础上， 研究了不同形式的光伏屋顶对于光伏组件性能以及建筑室内冷热负荷的影响；最 前言 后对我国五个建筑热工分区典型城市中的光伏建筑一体化系统进行研究，确定不 同气候条件下最优的光伏建筑形式，为光伏建筑一体化系统的设计提供了理论依 据。 2 天津大学硕士学位论文光伏屋顶形式优化的实验和理论研究 1 1 能源、资源与环境 第一章文献综述 能源是经济和社会发展的重要战略资源之一，是发展工业、农业、国防、科 学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。随着常规能源的枯竭和环境的日益 恶化，新能源和可再生能源的开发和利用对于缓解能源危机和改善环境问题都具 有重要的意义。太阳能以其独具的优势，必将得到长足的发展，并将在世界能源 结构转移中担当重任，成为2 1 世纪后期的主导能源。 1 1 1 化石能源利用现状 2 0 世纪以来，世界范围内一次能源消费量大幅度增长，2 0 0 4 年b p 公司发布 的 2 0 0 4 年全球能源展望中指出，2 0 0 3 年世界一次能源消费量已经达到9 7 4 亿 吨油当量i ”。2 0 0 5 年6 月1 5 日发布的( 2 0 0 5 年全球能源展望中指出，2 0 0 4 年全 球一次能源消费需求同比增长4 3 ，这是自1 9 8 4 年以来全球能源消费需求量最 快的一年【2 】。据美国能源信息署( e i a ) 最新预测结果显示，随着世界经济和社 会的发展，未来世界能源需求量将继续增加，预计至u 2 0 1 0 年世界能源需求量将达 n 0 5 9 9 亿吨油当量，2 0 2 0 年达n 1 2 8 8 9 亿吨油当量，2 0 2 5 年达至u 1 3 6 5 0 亿吨油 当量，年均增长率为1 2 【3 l 【4 】。可以说，现代社会的发展是建立在常规能源巨大 消费基础之上的。随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒 物等环境污染物的排放量逐年增大，化石能源对环境污染和全球气候的影响日趋 严重。据e i a 统计，1 9 9 0 年世界二氧化碳的排放量约为2 1 5 6 亿吨，2 0 0 1 年达到 2 3 9 0 亿吨，预计到2 0 1 0 年将为2 7 7 2 亿吨，年增长率为1 8 5 删。鉴于此，越来越 多的国家在制定本国的能源政策时，己将环境因素放在了优先考虑的地位，而且 由于化石能源的利用造成的环境污染问题已经提到全球的议事日程，有关国际组 织已经召开多次会议，限制各国温室气体的排放量p j 。 从长远来看，人们必须及早进行能源消费结构的转型，大力发展太阳能、水 电、风能、生物质能等各种可再生能源，大力推广节能降耗技术，采取能源多元 化和开源节流等多种措施，实现能源的可持续发展，已经成为全球的共识。太阳 能在可再生能源的发展中占有重要的地位，据有关专家预测：到2 1 世纪中叶，太 第一章文献综述 阳能发电所占比重将增加到5 0 ，在2 1 0 0 年占世界一次能源构成的5 0 以上【叼。 1 1 2 太阳能利用技术 自古以来，人类就在利用着太阳能( 如晒盐、晒谷) ，但是太阳能作为 一种能源来利用仅有3 0 0 多年的历史，由于长期以来人们都没有充分认识到能源 储量的有限性和常规能源使用对于环境污染的严重性，太阳能利用技术发展很缓 慢。1 9 7 3 年以来的世界能源危机，以及全球环境污染的日益严重，促进了可再 生能源利用技术的快速发展。太阳能以其储量的无限性、存在的普遍性、使用的 清洁性、利用的经济性，在可再生能源利用技术中占有重要的地位。 2 0 0 4 年全世界光伏电池产量为1 1 9 5 m w p ，比2 0 0 3 年增加5 7 1 7 j ，而且在今后 的5 年内仍将以3 0 以上的速度增长，同时光伏组件的价格也大幅度下降，晶体 硅电池大约为3 0 元，w p 【8 】，预计到2 0 1 0 年世界光伏产量将达到5 3 g w p 【9 】，据欧洲 光伏产业协会( e p i a ) 统计，截止至u 2 0 0 3 年世界范围内已经有3 5 0 0 0 人使用光伏 发科1 0 l 。截止到2 0 0 3 年底，我国太阳能光伏发电系统总装机容量约为5 5 m w p ， 主要为边远地区居民供电。我国太阳能热水器从8 0 年代开始起步，发展较快，从 9 0 年代开始我国的太阳能热水器产量已经在世界市场上占有最大的份额。截止到 2 0 0 3 年，我国太阳能热水器使用量为5 2 0 0 万m 2 ，年产量约为1 2 0 0 万，年产值 近1 1 0 亿元，年增长率为3 0 左右，生产厂家超过1 0 0 0 家，从业人数超过2 0 万人 【1 1 】。到2 0 0 4 年我国各类太阳能热水器产量达1 3 0 0 万m 2 ，2 0 0 4 年底我国太阳能热 水器保有量为6 0 0 0 万m 2 ，为1 9 9 7 年的5 倍，占世界总量的7 0 以上1 1 2 j 。除此之外， 我国太阳能热发电、太阳能海水淡化、太阳能制氢等技术也有了长足的发展。由 于建筑能耗在全社会总能耗中所占比例的急剧增大，将太阳能利用技术与建筑相 结合已经成为国内外学者研究的重点。 1 2 建筑节能与太阳能建筑 随着人们生活水平的提高，对于人均住房面积、居住室内舒适度的要求也不 断提高。建筑面积急剧增加以及采暖和空调的使用越来越普遍，使得建筑能耗在 全社会总能耗中的比例也急剧增加。随着太阳能利用技术的进步，太阳能利用技 术与建筑物结合对于降低建筑能耗，改善建筑室内环境具有重要的意义，太阳能 建筑的研究引起了人们普遍的关注。 1 2 1 建筑能耗 建筑能耗可以有两种定义方法：一种是狭义建筑能耗( 或称为建筑使用能 4 天津大学硕士学位论文光伏屋顶形式优化的实验和理论研究 耗) ，它是指建筑物在使用过程中所消耗的能量，其中包括用于供暖、通风、照 明、家用电器、输送、动力、烹饪、给排水和热水供应等的能耗l l 习。另一种是广 义建筑能耗，是指从建筑材料生产制造、建筑物建设施工，一直到建筑物使用的 全过程所消耗的能量。与国际上的认识和统计方法相一致，我国目前所称的建筑 能耗，是指狭义建筑能耗，即建筑使用能耗。 美国能源部2 0 0 0 年调查资料显示，目前欧美等发达国家的建筑能耗占社会 总能耗的4 0 左右【1 4 1 。其中，法国建筑能耗占社会总能耗的比例最高，达到4 5 ；以下依次为英国、加拿大、德国、美国、意大利和日本。 在我国的建筑能耗中，采暖、空调能耗占有很大的比例。目前我国单位建筑 面积的采暖能耗约比发达国家高两倍以上。我国的严寒和寒冷地区都是采暖区， 包括东北、华北和西北地区的1 4 个省、市、自治区以及其它4 个省的部分地区， 这些地区的总面积达6 8 0 万妇a 2 ，占全国国土面积的7 0 8 。随着人民生活水平 的不断提高，人们对于建筑室内舒适度要求也不断提高，现在采暖区已经开始向 我国南部地区扩展，并且空调在我国城镇地区的安装率急剧增加，据统计全国城 镇每1 0 0 户居民家庭空调的拥有量，从1 9 9 1 年的o 7 1 台增加到2 0 0 0 年的3 0 多 台，而空调住宅能耗约为一般住宅能耗的6 7 倒”】。另外，在全面建设小康社会 目标的指引下，我国城市化将加速发展，每年建成的房屋达1 6 2 0 亿i n 2 ，到2 0 0 2 年底我国城乡房屋建筑面积共计3 8 8 亿m 2 ，其中城市面积为1 3 1 8 亿m 2 ，但是 不仅现有的建筑中9 9 为高能耗建筑，而且新建建筑中的9 5 以上属于高能耗 建筑，单位面积建筑能耗为同等气候条件国家的3 5 倍u “。 据统计，2 0 0 0 年我国的建筑能耗为3 5 6 亿吨标准煤，占全国总能耗的2 7 8 【l 刀，其中采暖和空调能耗占建筑总能耗的5 5 【阍。按照目前建筑能耗水平发 展，到2 0 2 0 年，我国的建筑能耗将达到1 0 8 9 亿吨标准煤，超过2 0 0 0 年的3 倍， 空调负荷相当子1 0 个三峡电站的满负荷 1 6 1 ，如果不给予高度重视，不采取坚决 的措施，将对我国经济社会的发展产生严重的障碍，对能源安全和大气环境造成 重大威胁。 1 2 2 建筑节能 建筑节能包含两部分内容，一部分是加强围护结构的保温隔热能力，加大 住宅外墙保温、门窗设计和屋顶保温这三方面的研究力度，另一部分就是从供暖、 供冷的热源、输送渠道入手，大力发展可再生能源与建筑相结合的技术，即“节 流”和“开源”。 从1 9 7 0 年在世界范围内发生能源危机以来，各国政府都非常重视建筑节能 工作的开展，纷纷制定了建筑节能标准和相应的政策。德国建筑节能体系及技术 在欧洲乃至全世界都处于领先地位，其建筑节能的政策体系和技术措施对中国发 第一章文献综述 展节能建筑应有一定借鉴作用。从2 0 0 2 年2 月1 日起德国开始实行新的建筑节 能规范e n e v 2 0 0 2 ，其核心思想是从控制单项建筑围护结构( 如外墙、外窗、屋 顶) 的最低保温隔热指标，转化为对建筑物真正能量消耗量的控制，从而达到严 格有效的能耗控制【1 9 1 。日本在建筑节能方面的政策制定、法规实施与监管方面有 很多值得借鉴和总结的经验。早在1 9 7 9 年日本政府就颁布了关于能源合理化 使用的法律并于1 9 9 2 年和1 9 9 9 年进行了两次修订，2 0 0 1 年日本又提出了“建 筑的节能与环境共存设计”的概念，其思想是建筑设计时必须把长寿命、与自然 共存、节能、节省资源与能源的再循环等因素考虑进去，以保护人类赖以生存的 地球环境，构筑大家参与的“环境行动”的氛围，同时对住宅也提出了类似的概 念一一“环境共生住宅”【2 0 】。美国、英国等其它国家也纷纷制定了自己的建筑节 能相关政策。我国从上个世纪9 0 年代开始推定节能工作并制定了建筑节能“九 五”计划和2 0 1 0 年规划，提出了建筑节能分三步走的奋斗目标，第一步是从 1 9 8 6 年开始，在原有住宅能耗水平( 1 9 8 1 年住宅能耗水平) 的基础上节能3 0 ； 第二步是从1 9 9 6 年开始，再节约3 0 ，即在原有住宅能耗的基础上节约5 0 ； 第三步是从2 0 0 5 年开始在二步节能的基础上再节约3 0 ，即在原有的基础上节 约6 5 【2 l 】。为实现这一建筑节能目标，先后编制了建筑节能设计标准( 采暖 居住建筑部分) 和夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准。这些工作都为我国 的建筑节能事业奠定了基础。 但是绝大多数建筑节能标准和法规的颁布都是围绕加强建筑外围护结构的 保温隔热能力进行的，仅仅降低了建筑物所需要的能源消耗，处于建筑节能工作 的节流阶段。将太阳能等可再生能源利用技术和建筑物相结合，在为建筑物提供 能源的同时，改变了建筑外围护结构的保温隔热性能，是今后建筑节能工作开展 的重点方向。 1 2 3 太阳能建筑 所谓太阳能建筑是指综合考虑社会进步、技术发展和经济能力等因素，在建 筑物的策划、建造、设计、使用、以及改造等活动中，主动与被动地利用太阳能 的建筑圈。 自古以来我们的祖先在修建房屋时，都尽可能坐北朝南，以充分利用太阳的 光和热，这种太阳能的利用是感性的、自发的、处于低级的阶段。随着煤、石油 等天然资源的开发和利用，人们对太阳能的依赖程度相应降低，使得太阳能在建 筑中的利用技术发展缓慢。2 0 世纪7 0 年代以来的能源危机和环境恶化使人们意 识到太阳能在建筑中的重要性，从而把太阳能建筑的研究、应用、开发推向了新 的阶段。 6 天津大学硕士学位论文 光伏屋顶形式优化的实验和理论研究 1 2 3 1 被动式太阳能建筑 被动式太阳能建筑是通过建筑朝向和周围环境的合理配置以及建筑材料和 结构的恰当选择，依靠房屋本身来完成采集、存储和分配太阳能的建筑形式。被 动式太阳能建筑的冬季采暖主要是依靠建筑热工措施，收集、存储和分配由太阳 能转换的热能，使室内温度维持一定的水平，以满足冬季采暖需求。t r o m b e 墙 是被动式太阳能建筑的代表 2 3 1 1 2 4 1 1 2 5 2 6 1 ，白天利用厚墙外表面吸收太阳能，加热 透明盖板和厚墙外表面之间夹层的空气，通过热虹吸使之流入室内给室内供热， 同时墙体通过导热储存部分能量或直接通过墙体热传导向室内传热；夜问，储存 于墙体内的能量慢慢地释放到室内。当环境温度较低的情况下，传统t r o m b e 墙 对环境的热损失是比较大的，国际上一般在传统的t r o m b e 墙后面再增加一绝热 墙，间隔有空气层，形成复合t r o m b e m i c h e l 墙，以减少对环境的热损失【2 7 】。另 外，在夏季利用太阳能被动通风技术，可以降低室内温度，提供相对舒适的室内 环境 2 8 1 。自1 9 7 5 年在甘肃威武地区建成了我国第一座小型被动式太阳能建筑以 来i 柳，我国的太阳能建筑取得了长足的发展，据统计截止到2 0 0 0 年底我国累计 建成被动式太阳房1 0 0 0 多万m 2 【3 0 】。被动式太阳能建筑是一种经济、有效地利用 太阳能的方式，但是随着人民生活水平的不断提高，效率低下、室内舒适性差的 被动式太阳能建筑已经不能满足人类对室内居住舒适度的要求，加之所需集热体 面积大、浪费建筑空间等缺点，迫切需要将太阳能“主动”利用技术与建筑物相 结合。 1 2 3 2 太阳能建筑一体化 在充分利用被动式太阳能建筑优点的基础上，将太阳能集热、太阳能光伏发 电，太阳能采光等多种太阳能利用技术与建筑物本身相结合，为建筑供热、供冷、 供电以及提供室内采光等形成太阳能建筑一体化体系。太阳能建筑一体化提高了 太阳能利用效率；并且室内温度稳定舒适，日波动小；相对于常规太阳能利用技 术，将太阳能利用与建筑相结合不破坏建筑景观，而且能够替代一部分建筑材料， 使建筑外观更具魅力。因此，太阳能建筑一体化在世界范围内得到了广泛的发展。 1 ) 国外太阳能建筑一体化的发展状况 早在1 9 8 9 年国际能源组织( i e a ) 就启动了t a s k l 3 ：新式低能耗太阳能建筑 ( a d v a n c e ds o l a r l o w e n e r g y b u i l d i n g ) ，t a s k l 3 的重点就是充分利用“主动”和 “被动”太阳能技术为住宅建筑供暖，同时还包括供冷、通风、采光，以及使用 光伏电池为建筑提供照明和设备用电，并通过能量储存降低冷热负荷j 。t a s k l 3 执行期间，欧洲的许多国家都建立了自己的太阳能建筑一体化系统，其中最为著 7 第一章文献综述 名的是在瑞士吉恩乌( c o e n e v e ) 西部建造的单元住宅建筑，该太阳能建筑在屋顶 的南面用太阳能热水器替代了传统的屋顶材料，改善了该建筑的经济性，同时屋 顶采用柔和的曲面型设计，增加了建筑整体的美学效果，该太阳能建筑能够稳定 的供暖和提供生活热水【3 2 】。随后国际能源组织又启动了一系列的项目，绝大多数 项目都是为了促进太阳能在建筑上的应用，2 0 0 5 年1 月1 日又启动了t a s k 3 5 - 光伏 光热太阳能系统( p v t h e r m a ls o l a rs y s t e m s ) ，其目的是促进高性能的光伏光热 系统的发展，以及光伏光热系统在建筑行业的应用田j 。 英国建筑研究中心b r e ( b u i l d i n gr e s e a r c he s t a b l i s h m e n t ) 的环境楼为2 l 世纪的办公建筑提供了一个绿色建筑样板，可以说是近几年来太阳能建筑最突 出、最成功的例子。该大楼为三层框架结构，建筑面积6 0 0 0 m 2 ，其设计新颖， 环境健康舒适，不仅提供了低能耗舒适健康的办公场所，而且用作评定各种新颖 绿色建筑技术的大规模实验设施。它每年的能耗和二氧化碳排放性能指标定为： 燃气4 7 k w h m 2 ；用电3 6 k w h m 2 ；二氧化碳排放量3 4 k g m 2 。该大楼最大限度利 图1 - i 英国建筑研究中心环境楼 f i l l - 1b r ee n v i r o n m e n t a lb u i l d i n g 用日光，南面采用活动式外百叶窗，减少阳光直接射入，既控制眩光又让日光进 入，并可外视景观；采用自然通风，尽量减少使用风机；采用新颖的空腔楼板使 建筑物空间布局灵活，又不会阻挡天然通风的通路；顶层屋面板外露，避免使用 空调。白天屋面板吸热，夜晚通风冷却；埋置在地板下的管道利用地下水进一步 帮助冷却；安装综合有效的智能照明系统，可自动补偿到日光水准，各灯分开控 制；建筑物各系统运作均采用计算机最新集成技术自动控制；用户可对灯、百叶 天津大学硕士学位论文 光伏屋顶形式优化的实验和理论研究 窗、加热系统的自控装置进行摇控，从而对局部环境拥有较高程度的控制。环境 建筑配备4 7 m 2 建筑用太阳能薄膜非晶硅电池，为建筑物提供无污染电力州。环 境楼如图1 1 所示。 另外，德国弗莱堡( f r e i b u r g ) 太阳能住宅工程、爱森r w e 办公楼、柏林的 新议会大厦、旋转式太阳能房屋、法兰克福商业银行、柏林m a m a h m 区节能住 宅、文德堡青年教育学院学生宿舍，英国诺丁汉税务中心，丹麦k a b 咨询所设 计的斯科特帕肯低能耗建筑、科灵市郊区住宅开发项目，法国巴黎的联合国教科 文组织( u n e s c o ) 的办公楼、美国匹兹堡的c c i 中心，澳大利亚悉尼的奥林匹克 村，荷兰d e l f u t 大学图书馆、日本九州绿色高层住宅等，这些建筑通过精妙的总 体设计，结合自然通风、自然采光、太阳能等可再生能源利用技术，充分展示了 太阳能建筑的魅力和广阔的发展前景。 2 ) 我国太阳能建筑一体化的发展状况 我国的太阳能建筑一体化发展在很长一段时间内相对比较落后，但是近几年 来随着太阳能利用技术的不断提高，太阳能建筑一体化有了长足的发展。 2 0 0 4 年9 月上海市首幢生态办公示范楼竣工，该示范楼座落于上海市建筑 科学研究院莘庄实验园区，占地面积9 0 4 m 2 ，建筑面积近2 0 0 0 m 2 【3 5 】。该生态示 图1 - 2 上海市莘庄生态办公示范楼 f 嘻1 - 2 g e o l o g y a r c h i t e c t u r ei ns h a n g h a i 范楼设计中，在加强了墙面、屋顶、门窗保温隔热性能的同时结合了太阳能通风、 太阳能集热器、太阳能空调、太阳能光伏并网发电等多种太阳能应用技术。该生 态建筑示范楼的综合耗能仅是同类建筑的四分之一，可再生能源利用率占建筑使 第一章文献综述 用耗能的2 0 3 6 1 ，室内环境达到了健康、舒适的指标。 作为2 0 0 8 北京绿色奥运的重点示范工程，2 0 0 5 年3 月清华超低能耗示范楼 落成，如图1 3 所示。超低能耗楼将太阳能发电和太阳能采光技术与建筑本身完 美结合，在示范楼的屋顶上安装了一套碟式聚光热发电系统，系统通过双轴跟踪 装置对太阳进行跟踪，使碟式聚光镜反射的太阳光聚焦到集热器上，集热器位于 聚光镜的聚焦面上并与聚光镜一起运动，其功能是使聚集的太阳光有效地转化为 斯特林发动机工作流体的热能，驱动发动机一发电机体系运转，发出电能。由于 输出的交流电不稳定，还需要经过整流逆变装置得到特性稳定的交流电才能输 送到配电系统中去。系统将太阳能转换为电能的净效率可以达到2 0 以上，峰 值发电功率为3 k w 。另外，在楼南侧的外墙上装有玻璃窗式太阳能单晶硅高效 电池，电池使用两层平板玻璃，中间封有膜状电解液和导电膜，形成夹层结构。 电池虽带有颜色但可以透过光线，这样无论室外射入的阳光还是室内照明的光线 都可以转化为电能。光伏玻璃的安装面积有3 0 m 2 左右，峰值发电能力为5 k w ， 转换效率为1 2 左右。其发出的电能主要用于开启百叶和玻璃幕墙上的窗扇。 示范楼还采用了导光管技术利用自然光。在楼顶设置主动式集光器，通过传感器 控制来跟踪太阳，最大限度地采集阳光。在楼梯间垂直敷设直径约5 0 0 m m 的管 体，利用全反射或镜面反射把自然光传导到地下室，导光管的出光部分采用漫反 射的方式控制光线进入地下室印j 。 图1 - 3 清华大学超低能耗楼 f 嘻1 - 3l o w - e n e r g yc o n s u m p t i o np r o j e c ti nt s i n g h u au n i v e r s i t y 超低能耗示范楼的建立，为我国生态建筑的发展提供技术支持，推动我国生 1 0 天津大学硕士学位论文光伏屋顶形式优化的实验和理论研究 态建筑领域的产业化发展和科技进步。但是，目前真正能实现产业化的绝大多数 都是太阳能光热技术，将光伏技术和建筑物相结合尚处于起步阶段，超低能耗楼 的光伏系统也只是作为一种理念提出，将光伏发电和建筑结合的太阳能利用技术 有待于进步的研究。 1 3 光伏建筑一体化 所谓光伏建筑一体化b i p v ( b u i l d i n gi n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c s ) 即建筑物和光 伏组件的集成化，在建筑物的外围护结构上铺设光伏阵列产生电能。光伏建筑一 体化提出了一种“建筑物产生能源”的新概念1 3 叼，为光伏电池在城市中的应用提 供了一个新的技术领域 3 9 1 。 1 3 1 光伏建筑一体化的形式 光伏组件与建筑物相结合最主要的应用场所为屋顶和立面，也可以作为其它 建筑构件，如遮阳装置、窗玻璃等1 4 0 。 1 3 1 1 光伏组件与建筑屋顶相结合 光伏组件与建筑屋顶相结合主要有以下几种方式：一种方式就是作为屋顶外 表面的一部分，也就是作为屋顶结构的防水层 4 1 1 | 另一种方式就是将光伏组件安 装在防水层上部。光伏组件的使用减少了屋顶材料的使用，降低了系统成本，另 外用光伏组件将屋顶完全覆盖，需要使用小块的光伏组件，例如p v 瓦和p v 瓷 砖等，这些小块的光伏组件在现有建筑中的使用很方便。 1 3 1 2 光伏组件与建筑立面相结合 建筑外立面最初都是采用砌砖或混凝土结构，外面安装预制组件或建筑金属 立面，混凝土结构通常要覆盖保温层和涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃等外饰层 4 2 1 。 对于豪华的办公建筑，一般都设置比较昂贵的外饰材料，如天然石头和昂贵的玻 璃立面等，铺设光伏组件并不比普通外饰材料贵。对于框架结构的建筑物，可把 其整个围护结构做成光伏阵列，选择适当光伏组件，既可以吸收太阻直射光，也 可以吸收太阳散射光。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块，可以实现以上功 能。 1 3 1 3 光伏组件作为其它建筑构件 光伏组件除了和屋顶、建筑立面结合之外，还可以作为屋顶的天窗、遮阳板 第一章文献综述 等。通常，光伏组件和天窗相结合时相互之间应该保持一定的距离，这样才能保 障春天和秋天太阳高度角较低的时候能够有更多的太阳光进入室内。光伏组件和 天窗系统相结合，夏天阻止热量进入室内，降低光污染，改善室内采光环境。 光伏组件和遮阳装置相结合，夏天具有遮阳作用，降低建筑制冷负荷；同时， 在需要取暖的季节，太阳光可以进入建筑物内，降低建筑热负荷，并且提供照明 【4 3 】。 1 3 2 光伏建筑一体化的发展计划 光伏建筑一体化已经成为近年来p v 应用的主要方向和热点。联合国能源机 构最近发布的调查报告显示，b i p v 将成为2 1 世纪的市场热点，太阳能建筑业将 是2 1 世界最重要的新兴产业之一。国际社会很重视和支持光伏建筑一体化的发 展，国际能源组织于1 9 9 7 年启动了p v p s ( p h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m ) t a s k 7 - 光伏在建筑环境中的应用( p v i n t h e b u i l t e n v i r o n m e n t ) ，该计划的目的是提高建 筑品质、提高光伏系统在建筑环境中应用的经济性【删。最近启动的t a s k l 0 ：城 市大规模光伏并网发电的应用( u r b a n - s c a l eg r i d - c o n n e c t e dp va p p l i c a t i o n s ) ，从 2 0 0 4 年2 月正式开始，计划执行5 年，目的是尽可能在城市中大规模利用光伏 技术，以提高建筑能源利用效率，使光伏发电成为城市中的主流发电技术1 4 5 1 。2 0 0 0 年欧盟也执行过城市光伏指南计划( p v c i v y g u i d e ) 4 6 1 。美国、德国、日本等都 有自己的光伏屋顶计划。 1 3 3 光伏建筑一体化的研究进展 1 3 3 1 光伏建筑一体化理论研究 光伏建筑一体化的理论研究主要是光伏组件的热模型的研究，光伏组件的热 模型可以分为稳态模型和非稳态模型。 1 ) 稳态模型 稳态模型可以给出一些结构参数和给定的操作参数对系统性能的影响，对系 统的年产出和日产出进行预测。n o c t ( n o m i n a l o p e r a t i n g c e l l t e m p e r a t u r e ) 模 型是一种典型的预测太阳电池操作温度的稳态模型。太阳电池的标准操作温度 n o c t 是太阳电池组件在辐射度为8 0 0 w m 2 、环境温度为2 0 ，风速为l m s 的 环境条件下，太阳电池的操作温度【4 7 】。a s t m 标准e 1 0 3 6 ma n n e xa 1 中对用标 准电池操作温度来预测太阳电池操作温度进行了说明 4 s l 。但是n o c t 模型的应 用也有局限性：光伏组件两侧必须要有相同的环境温度和风速，总传热系数为常 数，即太阳电池操作温度和环境温度之差与太阳辐射成线性关系。虽然n o c t 1 2 天津大学硕士学位论文光伏屋顶形式优化的实验和理论研究 模型用于预测光伏组件的温度应用很广泛，但是从n i s t ( n a t i o n a li n s t i n l t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 的测量数据来看该模型所预测的光伏组件操作温度存 在较大误差，最大可达2 0 - c 1 4 9 。s t e w a x t 5 0 1 等建立了一种用于分析不同类型太阳 能电池板的热流动和操作温度的一维稳态模型，该模型分析了不同环境温度、太 阳辐射、安装倾角和安装方式对太阳能电池操作温度的影响；对平衡状态下太阳 电池的正面和背面的对流和辐射热损失也给出了定量分析。将该模型应用于分析 a d e l a i d e 光伏屋顶太阳电池阵列的操作温度，其与实际测量值误差在4 c 以内。 目前，s o u t ha u s t r a l i a 大学正在应用该模型进行相变材料储能系统的研究。何伟 【5 l 】等通过能量守恒，建立了光伏组件的一维稳态模型。应用该模型对有通风流道 的光伏墙体和直接贴墙的光伏墙体建立了各自的数理模型，并在香港地区建立了 两种不同自然冷却方式的光伏墙体的对比实验台进行对比实验，通过实际环境中 的实验数据与模型的计算结果的比较，以确定模型的精确性和光伏墙体的实际效 率以及传热性能的变化。 2 ) 非稳态模型 由于光伏组件本身热容的存在，稳态模型不能用来研究辐照度的瞬时变化对 光伏组件的温度变化的影响。而非稳态模型则可以对系统性能随时间的变化关系 进行预测，给出比稳态模型更为详细的信息。j o n e s l 5 2 1 等用非稳态模型来研究光 伏组件的温度变化，该模型是一个光伏组件的温度依照天气状况随时间变化的微 分方程。其中能量传递的变量表达式包括：短波辐射、长波辐射、热对流和输出 的电能。采用真实的天气状况通过模型计算光伏组件的温度，并与实验值相比较， 结果表明：综合的传热模型所得的计算结果与实验所测的光伏组件的温度随辐照 度的变化有很好的一致性。但用该模型预测的光伏组件的温度与实测的光伏组件 的温度也存在一定的误差，实验结果表明：在阴天状态下，9 5 的时间里用该模 型预测的模板温度与实际测量值相差在5 c 以内。d a v i s 4 9 1 等在n o c t 模型的基 础上，提出了一种用于预测光伏组件操作温度的一维非稳态模型，该模型假设被 光伏组件吸收的太阳辐射除了转化为电能的部分全部转化为热能。热能通过热传 导的方式被传到光伏组件表面，表面上的热量以热对流和热辐射的方式传到环境 中。将该模型和n o c t 进行了比较，结果表明：该模型更能精确的预测光伏组 件的操作温度，尤其在光伏组件与建筑物之间安装绝热板时，用该模型预测的温 度将更准确。l im e i e 5 3 】等提出了一种适用于通风p v 表面的一维非稳态动力学模 型。该数字模型能够很容易的和其它动力学模拟程序( 例如1 r i 矾s y s ) 相结合。 通过对比b a r c e l o n a 附近的m a t a r o 实验室的6 5 米高的光伏建筑的实验数据来验 证该模型，结果表明：用该模型预测的空气温度和实测的空气温度吻合的很好。 第一章文献综述 日本的y u t a k ag e n c h i 【蜘等建立了光伏系统的非稳态能量平衡模型，用于评价光 伏系统大规模应用对东京城市热岛效应的影响。 1 3 3 2 光伏建筑一体化的实验研究 1 ) 光伏建筑一体化对光伏组件性能的影响 光伏组件吸收太阳辐射，一部分转化为电能；一部分以对流和辐射热的形式 传播到周围空气、地面和外层空间中；另外一部分入射的太阳辐射从p v 表面被 反射和传播到外层空间和周围空气中。 太阳电池的操作温度影响着它的性能，光伏组件的标准输出功率是在2 5 c 的实验室中测得的【5 5 】【5 叼，但是和建筑结合后其操作温度可以达到8 0 c 左右。目 前，国内外对光伏组件热性能的实验研究，主要是分析不同结构形式和不同操作 参数对光伏组件操作温度和热流损失速度的影响。国际能源组织i e a 的p v p s t a s k 2 ：光伏系统的性能、可靠性研究( p e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n da n a l y s i so f p h o t o v o l t a i cs y s t e m s ) ，对1 5 个国家3 7 0 个不同安装方式的光伏系统建立了数据 库，该数据库中包含测量得到的平均模块温度。通过该数据库中的数据能够得到 太阳辐射对光伏组件温度的影响以及特定的安装方式下，组件温度升高对能量损 失的影响5 7 1 。赵春江等5 明研究了光伏组件作为建筑模块时其背面温度的上升规 律及对太阳电池性能的影响，研究表明，只要通风设计良好，太阳电池方阵温度 的上升程度与支架布置型太阳电池方阵基本相同；当环境温度为4 0 ，太阳辐 照度达到1 0 0 0 w m 2 时，太阳电池背面温度最高将达到5 5 。c ，输出电压下降1 3 。 b r i n k e w o r t h 等【5 5 1 的研究表明，不带背面通风流道的光伏组件其操作温度最高可 达8 0 c ，增加通风流道以后，由于对流热损失其操作温度能够降低2