节点开放式双层光伏幕墙热-电性能及其对空调系统负荷影响研究

Photovoltaic technology has many advantages in building applications, especially photovoltaic double skin facades (PV-DSF), which have good overall energy benefits. In this study, the thermal-electrical performance of open-joint PV Double-skin Façades (OJ-PV-DSF) was studied for the first time. According to the structural characteristics of OJ-PV-DSF, the unsteady heat transfer and flow characteristics under multi-boundary conditions were studied by experimental research and CFD simulation method. Two-dimensional unsteady heat transfer model is established to solving the dynamic operating temperature of photovoltaic modules, combined with the dynamic power prediction model of photovoltaic power generation, the heat transfer-generation dynamic coupling model suitable for the OJ-PV-DSF is constructed by using the correlation coupling iterative solution. Based on the above theoretical model, the heat gain of the building envelope under outdoor multi-environment parameters (solar radiation, outdoor wind speed and direction, ambient temperature, etc.) are further calculated, and the impact on the air conditioning load is analyzed. Furthermore, a complete set of building heating and air conditioning load calculation methods with OJ-PV-DSF structure is established.

光伏发电技术建筑应用有诸多优点，尤其是双层光伏幕墙，具有良好的综合能源效益。本研究首次对节点开放式双层光伏幕墙（Open-joint PV Double-skin Façades，OJ-PV-DSF）热-电性能进行研究。针对OJ-PV-DSF的结构特点，通过实验研究和CFD模拟计算的方法，对其多边界条件下的非稳态传热和流动特性进行研究；并对其结构整体热特性和组件发电性能进行解耦分析，通过建立多边界条件的二维非稳态传热理论模型，求解光伏组件动态运行温度，进而与光伏发电动态功率预测模型进行关联耦合，由此构建出适用于此结构光伏幕墙的传热—发电动态耦合模型。基于上述模型，进一步对室外多环境因素下（太阳辐射强度、外部风向风压、环境温度等）建筑室内得热情况进行计算，并分析其对空调负荷的影响。进而建立一套用于计算具有OJ-PV-DSF结构的建筑室内供暖空调负荷方法。

光伏建筑一体化应用有诸多优点，尤其是双层光伏幕墙，具有良好的综合能源效益。本项目针对非透明与半透明光伏组件与建筑结合形成的不同类型的节点开放式光伏幕墙（Open-joint PV Double-skin Façade，OJ-PV-DSF）整体传热过程与机理的不同，分别建立了相应的实验平台，并结合数值模拟仿真技术对过程中室内外环境参数、光伏组件发电性能、各部位热性能，以对室内供暖空调负荷的影响等方面进行了研究。基于光伏组件实时工作温度与动态功率预测模型间的关联关系，对围护结构与组件相互影响下的动态功率输出与墙体内传热过程进行解耦分析，实现了对光伏幕墙发电量和室内得热量的传热-发电动态耦合求解；针对OJ-PV-DSF结构特点，结合我国不同地域、不同季节对围护结构保温隔热性能的不同要求，对其整体结构参数进行了优化分析，明晰了影响因素、设计原则和评价方法等；并针对光伏幕墙自身热惰性与空调、照明等机电系统快速响应特性不相匹配问题，采用等效建筑模型理论与太阳得热系数（SHGC），实现了对光伏建筑整体能耗模拟仿真与对光伏幕墙综合能效评价。通过在不同工况下与实验数据对比，表明建立的半透明晶体硅光伏窗和非透明晶体硅光伏幕墙热-电耦合计算模型有较好的准确度，相关算法模型已集成于清华大学牵头开发的DeST3.0软件中；采用上述模型对OJ-PV-DSF在我国不同地区、不同的结构形式对光伏发电、室内供暖空调及采光照明等方面产生的影响进行了综合分析；借助FLUENT软件针对夏季以通风散热为目的时，光伏幕墙中组件与墙体的间距，以及组件与组件的间距进行了优化分析，结合组件尺寸模数，得出间距无量纲a=0.1~0.15，b=0.1，c=0.1时，对内部温度的降低有明显效果；而后针对PV-DSF与光伏/光热（PV/T）、半导体制冷（TEC）及相变材料（PCM）等结合对整体热性能的影响做了探索研究；并基于GIS技术对我国城市和农村建筑上光伏可安装空间、节能潜力及投资价值等进行了计算评估，为全面推进光伏建筑一体化应用相关政策制定提供依据。

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