0 引言
众所周知,建筑是太阳能利用的最佳载体,太阳能光伏光热与建筑结合能够极大程度地降低建筑能耗和改善室内环境,是未来太阳能大面积推广应用的主要途径。
太阳能光伏光热建筑一体化（building integrated photovoltaic thermal, BIPV/T）技术自提出以来就成为国内外研究的热点问题之一,MAGHRABIE等[1]首先对BIPV/T系统的原理、应用及现状做了梳理;YU等[2]介绍了基于立面的7种BIPV/T系统的设计,得出其光电光热性能对建筑采暖和制冷有着较大影响;BUONOMANO等[3]对应用于住宅屋顶和立面的BIPV/T系统用TRNSYS模拟,得出冬季和夏季建筑被动式能源效应,并进一步进行系统参数优化;IBRAHIM等[4]提出了一种由高效多晶硅光伏组件和螺旋流吸热层组成的BIPV/T系统安装在建筑向阳面,实验表明系统一次节能效率达73% ~ 81%;WAJS等[5]介绍了一种空气冷却型光伏瓦屋顶的BIPV/T系统,实验得出可使屋盖层温度下降最大达6.3 K,总效率为32%;RAJORIA等[6]针对安装在屋顶上的BIPV/T系统,对光伏瓦和半透明光伏阵列的电热特性进行对比,得出热负荷与换气次数的关系;MONGHASEMI等[7]提出了太阳能烟囱与土壤-空气热交换器耦合系统,能同时具备夏季制冷和冬季采暖功能,并对其进行了参数优化。近年来一些新技术、新材料、新装置应运而生,不仅提高了太阳能利用效率,且具有多种功能。JI等[8,9]提出了一种多功能太阳能Trombe墙系统,能全年发电的同时,在夏季制热水、增强通风并在冬季采暖、除甲醛;HE等[10,11]提出了一种百叶型Trombe墙,研究了不同百叶角度对建筑能耗的影响,结果显示其比传统Trombe墙更节能;YU等[12,13]提出了一种具备集热与除甲醛功能的Trombe墙系统,能在全年发电的同时净化空气,为室内营造健康环境;HU等[14]提出了一种适用于屋顶的瓦型空气集热器,能在夏季制热水并在冬季采暖;WANG等[15,16]提出了一种半透明碲化镉电池的光伏通风窗系统,可以在全年发电与采光的同时,具备夏季通风和冬季采暖多功能。这些新进展,拓展了太阳能建筑一体化研究和应用的新途径,进一步实现了全年的太阳能高效利用。
因此,探讨BIPV/T技术在影响深远的新徽派民居中的应用,是降低建筑能耗、改善室内空气品质的重要途径,为实现太阳能建筑大规模应用及创造健康舒适的室内环境提供新的思路。
1 适宜新徽派民居的太阳能技术探索
随着研究的不断深入,BIPV/T系统凭借高可靠、低成本、多功能、高效率的特性将会大量运用在建筑中。新徽派民居具有鲜明的建筑风格,如何在太阳能建筑一体化应用中兼顾“粉壁”“黛瓦”“马头墙”“青砖”“门楼”“花格窗”的特点是值得探索的问题。在保持建筑典型特点的前提下,探讨适宜新徽派民居的BIPV/T技术,主要包括以下几个方面。
1.1 兼顾“黛瓦”的光伏瓦技术
1.2 兼顾“粉壁”的集热-除甲醛多效墙体系统
集热-除甲醛多效墙体系统是与建筑南墙一体化的集热系统,不仅能降低室内冷热负荷,而且兼具产热水、被动采暖、催化甲醛的多重功能[12,19]。结构从外到内依次为玻璃盖板、空气夹层、背面涂有热催化材料MnOx-CeO2的肋管吸热板、空气流道、隔热层、上下通风口及可开启绝热块、墙体,如图2[20]。其中,热催化甲醛是利用催化剂的氧化还原原理,当催化剂达到启动温度时,晶格氧会挥发出来将甲醛降解为二氧化碳和水,空气中的氧气将补充到缺失的晶格氧,完成氧化还原[21]。系统在非采暖季,采用制热水模式,关闭上下通风口并开启水阀,集热器吸收太阳能制备热水,同时减少了夏季由太阳辐射形成的室内得热,降低空调冷负荷;在采暖季,采用热空气被动采暖模式,将水阀关闭并打开上下通风口,利用“热虹吸效应”实现被动采暖,降低了热负荷,同时甲醛被热催化降解,按功能需求实现了太阳能的全年利用[22]。此外,外层盖板可采用白色钢化玻璃,有效避免黑色选择性涂层对白色墙壁的影响,保留了徽派民居“粉壁”的基本特征。
1.3 与“马头墙”一体化的通风-除菌杀毒太阳能烟囱系统
通风-除菌杀毒太阳能烟囱系统,是利用太阳能空气集热和热除菌杀毒原理构建,利用马头墙的高度优势,不仅可以增加室内换气次数以改善通风效果,还可以实现除湿、降温、排除有害气体的多重功能。结构从外到内依次为玻璃盖板、空气夹层、吸热板、空气流道及出风口、隔热层、进风口及墙体[23]（如图3）。其中,热除菌杀毒是利用细菌和病毒在高温下失活的原理,主要与温度和停留时间相关,停留时间越长,所需的失活温度越低。Gauss-Eyring模型可以用来描述细菌热失活率与温度和停留时间的关系,而病毒在一定温度下的失活过程可由一级动力学模型描述,其速率常数随温度的变化由阿伦尼乌斯公式给出[24]。当集热器吸收太阳能加热空气,在“烟囱效应”的抽吸作用下实现室内通风换气,空气中以气溶胶形式存在的病菌暴露在高温环境下迅速失活,并且温度越高,失活速率越快[25]。此外,外层玻璃盖板可以采用白色钢化玻璃,与新徽派民居西侧“马头墙”一体化,保持了原有建筑特征。
1.4 兼顾“青砖”的光伏组件技术
1.5 兼顾“门楼”的平板型PV/T热水系统
1.6 兼顾“花格窗”的碲化镉光伏通风窗系统
碲化镉（cadmium telluride, CdTe）光伏电池具有温度系数低、弱光性好、高温电性能更稳定的特点,可按需设计成半透过电池,特别适宜建筑窗户和幕墙的使用。采用碲化镉光伏通风窗不仅能利用窗户发电,且能在夏季大大降低直接进入室内的太阳辐射,减少空调负荷和室内眩光[15,16],同时也解决了单层玻璃窗保温隔热性能较差、功能单一的问题。结构从外到内依次为光伏玻璃及外侧通风口、空气流道、单层玻璃及内侧通风口（如图6）[15,16]。在冬季,打开内侧通风口并关闭外侧通风口,电池发电的同时流道内空气被加热,在热虹吸作用下实现室内被动供暖,同时降低了电池温度以增加其电效率;在夏季,将内侧通风口关闭并打开外侧通风口,流道内空气与室外空气形成外循环,光伏玻璃产生的余热被带到室外,在提高光伏电力输出的同时,降低了室内得热。我国浙江龙焱公司已研发出图案式碲化镉玻璃窗[30],通过激光切割技术得到需要的电池图案,可生动地描绘出传统木雕或格栅的形状,再现了徽派民居“花格窗”的特征。
2 新徽派民居BIPV/T方案设计
本文以一栋坐北朝南的新徽派民居为研究对象,在保持建筑典型特点的前提下,结合太阳能光伏光热新技术应用,进行太阳能光伏光热建筑一体化方案设计（如图7）。
Fig. 7 Architectural rendering图7 建筑效果图 |
2.1 建筑概况
建筑位于安徽省黄山市屯溪区,118.33°E,29.72°N,总建筑面积182.25 m2,为两层半双坡屋顶的独立式住宅,砖混结构。民居面阔8.1 m,进深8.7 m,层高3.3 m,屋顶起坡30°,东西山墙采用略高于屋面的马头山墙,高10.5 m。共有8个分区（如图8）。
Fig. 8 Floor plans图8 各层平面图 |
由于建筑处于夏热冬冷地区,根据规范[31-32]墙体采用200 mm厚承重黏土多孔砖,外墙设有50 mm厚保温材料模塑聚苯乙烯泡沫塑料;室内墙体为100 mm厚轻质隔墙;屋顶及楼地面均采用100 mm厚现浇钢筋混凝土结构。
2.2 太阳能建筑一体化设计
基于经济性和电热需求,考虑到屯溪地区东西向太阳辐射强度较低、日照时间较短,方案主要考虑在南向围护结构上采用BIPV/T新技术和西墙上采用太阳能烟囱技术,相关参数见表1。
Table 1 List of BIPV/T scheme parameters表1 BIPV/T方案参数一览表 |
| 位置 | 面积 / m2 | 朝向 | 角度 | BIPV/T设计尺寸 | 电池种类 | 电池尺寸 / mm | 电池覆盖率 / % | 设计效率 / % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 屋顶 | 21.87 | 南向 | 30° | 光伏瓦19.20 m2 | CIGS | 721×500×35 （长×宽×拱高） | 100 | 13 |
| 房间1 | 34.00 | 南向 | 垂直 | 光伏窗1.44 m2 | CdTe | 按功能需求 | 50 | 12 |
| 集热-除甲醛墙3.12 m2 | / | / | / | / | ||||
| 房间2 | 9.20 | 南向 | 垂直 | 光伏窗2.08 m2 | CdTe | 按功能需求 | 50 | 12 |
| 集热-除甲醛墙3.12 m2 | / | / | / | / | ||||
| 光伏青砖1.20 m2 | SC-Si | 166×166 （长×宽） | 100 | 15 | ||||
| 房间4 | 34.00 | 南向 | 垂直 | 光伏窗3.12 m2 | CdTe | 按功能需求 | 50 | 12 |
| 集热-除甲醛墙3.12 m2 | / | / | / | / | ||||
| 房间5 | 19.20 | 南向 | 垂直 | 光伏窗2.08 m2 | CdTe | 按功能需求 | 50 | 12 |
| 集热-除甲醛墙3.12 m2 | / | / | / | / | ||||
| 光伏青砖2.60 m2 | SC-Si | 166×166 （长×宽） | 100 | 15 | ||||
| 房间7 | 19.60 | 南向 | 垂直 | 光伏窗1.92 m2 | CdTe | 按功能需求 | 50 | 12 |
| 集热-除甲醛墙2.40 m2 | / | / | / | / | ||||
| 房间8 | 18.10 | 南向 | 垂直 | 光伏窗2.88 m2 | CdTe | 按功能需求 | 50 | 12 |
| 马头墙 | 6.93 | 西向 | 垂直 | 太阳能烟囱0.79 m3 | / | / | / | / |
| 门楼 | 3.90 | 南向 | 45° | PV/T | SC-Si | 166×166 （长×宽） | 100 | 15 |
| 格栅 | 6.90 | 南向 | 垂直 | PV | SC-Si | 166×166 （长×宽） | 50 | 15 |
建筑南向屋顶采用光伏黛瓦技术,直接覆盖在南向坡屋面上,为避免马头墙对屋顶的遮挡,降低马头墙高度并退让两侧山墙0.5 m铺设光伏瓦。南向墙体一是采用集热-除甲醛墙体;二是采用青砖型光伏组件,通过干挂法设置在外墙面,考虑到早晚可能的遮挡,只设在房间2和房间5部分南墙面;南向窗户采用碲化镉光伏通风窗,兼顾“花格窗”虚实相间的特点及获得更多的采光,利用电池的半透过性设计成需要的图案;门楼采用PV/T热水技术,倾斜45°设置在入口雨篷上,以获得更多太阳辐射;南向平台护栏同样将电池设计成格栅的形状,保持了原有建筑的典型特征;在西向马头山墙面上,采用通风-除菌杀毒太阳能烟囱技术,对房间1、房间4、房间7室内加强通风。
3 能耗预测及结果分析
该建筑分别采用了兼顾“粉壁”“黛瓦”“马头墙”“青砖”“门楼”“花格窗”六种徽派民居特点的最新BIPV/T技术,通过Energyplus软件模拟建筑全年发电量、室内温度变化、热水性能、房间冷热负荷差异、通风换气次数等。本次气象参数采用中国安徽省黄山市屯溪区典型气象年数据[33],结果预测分析如下。
3.1 全年发电量
该建筑在南向屋顶、窗户、护栏、门楼等处设计有多种光伏发电系统,分别对各系统的全年发电量进行预测,结果如图9所示。
Fig. 9 Annual generating capacity of each part图9 各部位全年发电量 |
结果表明,该建筑全年发电总量5 367.079 kW∙h,各发电系统电量有较大差异,这是由于采用了三种不同的光伏电池即单晶硅电池、铜铟镓硒电池、碲化镉电池,其效率不同、面积不同、安装倾角不同,故发电比例呈现明显差异。其中光伏瓦因面积最大且倾斜放置,发电最多。其次为平板型PV/T门楼,面积虽仅有3.90 m2,但由于采用光电效率最高的单晶硅电池并倾斜放置,依然有较高的发电比例,同时PV/T门楼还有产热水功能。再次为光伏窗,由于上下通风口不设光伏电池,窗身碲化镉电池覆盖率只有50%,实际发电面积仅6.76 m2,且垂直放置,发电量仍占比超过10%。同时,碲化镉通风窗还具有防止夏季过热、冬季实现被动采暖等多种功能。此外,光伏青砖与格栅实际发电面积接近,均不足4 m2,考虑到采用了光电转化率最高的单晶硅电池及垂直安装角度,占比仍然可观。
3.2 全年热水得热
Fig. 10 Hot water performance: (a) the annual guarantee rate of 45oC is 78%; (b) the annual guarantee rate of 60oC is 65%图10 热水性能图：（a）45℃全年保证率78%;（b）60℃全年保证率65% |
由模拟结果可知,逐月平均得热量均小于热水负荷,冬季更加明显,但全年仍降低了热水负荷1 170.95 kW∙h。这是由于徽州地区全年多雨、冬季日照较差且热水温度设定为60℃,全年热水保证率为65%。当热水温度设定为出水口温度45℃时,全年热水保证率达到78%,逐月得热量在冬季差距相对减少,夏季几乎完全达到热水负荷量,全年共降低热水负荷490.15 kW∙h。由此可知,系统基本可满足全年热水需求工作,并大大降低了常规能源使用。
3.3 全年室温变化
由于BIPV/T不仅能提供高品质电力,而且能改善室内热环境,针对主要南向使用房间分别采用了太阳能多效集热器和光伏通风窗,围护结构热性能也发生了相应的改变,从而影响了室内热环境。以房间1、2、4、5为例,在冬季和夏季有无BIPV/T设计的典型室内温度对比结果如图11所示。
Fig. 11 The temperature comparison of room 1, 2, 4, 5 in winter and summer with and without BIPV/T图11 房间1、2、4、5冬季、夏季有无BIPV/T温度对比图 |
模拟结果表明,在夏季,有BIPV/T的房间温度比无太阳能装置的低2℃左右,这是由于照射到南墙的太阳辐射被集热器大量吸收,制备热水储存,照射到南窗的太阳辐射被光伏电池吸收发电并通过自然对流排除余热,从而大大减少了室内得热;在冬季,有BIPV/T房间温度明显高于无太阳能装置的对比间温度,最大温差可达5 ~ 6℃,这是由于集热器和光伏通风窗同时开启空气制热模式实现被动采暖。由此可知,太阳能多效集热器和光伏通风窗的采用,能很好地改善夏季室内过热和在冬季实现房间被动采暖。当然,室内热环境的改善与太阳能集热面积、房间体积、空间密闭性紧密相关,集热面积越大、房间体积越小、空间密闭性越好其改善效果越好。
3.4 全年冷热负荷
作为皖南新徽派民居,按照使用人员的行为习惯,设定空调制热月份为12月、1月、2月、3月,冬季白天温度为22℃,夜晚温度18℃,空调开启时间为中午10:30-13:30,17:30至次日7:30;空调制冷月份为6月、7月、8月、9月,夏季白天温度为26℃,夜晚28℃,空调开启时间为中午10:30-13:30,17:30至次日7:30。以房间1、2、4、5为例,预测有无BIPV/T设计的空调房间冬夏季冷热负荷比较如图12所示。
Fig. 12 The cooling and heating loads comparison graphs of room 1,2,4,5 with and without BIPV/T图12 房间1、2、4、5有无BIPV/T冷热负荷对比图 |
由模拟结果可知,夏季BIPV/T设计房间共降低冷负荷766.74 kW∙h,占全年空调负荷的20.4%,冬季BIPV/T设计房间共降低热负荷559.06 kW∙h,占全年空调负荷的18.3%,全年节能总量达1 325.80 kW∙h,占全年空调总负荷的38.7%。这表明该案例设计可以大大降低建筑能耗,但有无BIPV/T设计的各房间在不同季节的冷热负荷变化差异较大。这是由于各个房间大小、方位、层楼不同,墙体厚度、构造、墙上门窗洞口尺寸及BIPV/T设计参数不同,此外,日常使用中需考虑风渗透、材料保温隔热性能等造成的能量流失。
3.5 全年太阳能烟囱通风
该民居西向马头墙体设计有太阳能烟囱,可加强室内通风换气,流道尺寸为0.1 m × 0.7 m × 9.9 m,分别与房间1、4、7相连。以房间1、4为例,全年换气量和出口温度的模拟结果如图13所示。
Fig. 13 The solar chimney: (a) annual number of air changes; (b) outlet temperature图13 太阳能烟囱：（a）全年换气次数;（b）出口温度 |
根据规范[31],冬季采暖室内设计温度应取18℃,换气次数应取1.0次/h,夏季空调制冷室内温度应取26℃,换气次数应取1.0次/h。由模拟结果可知,房间4换气次数基本维持在1 ~ 4次/h之间,房间1换气次数基本维持在4 ~ 14次/h之间,室内换气次数明显增加。同时,太阳能烟囱的出口温度较高,夏季最高可以达到约80℃,而细菌和病毒在40℃左右时开始失活,且温度越高失活速度越快[19],因此太阳能烟囱的设计可以帮助排除废气、营造健康舒适的室内环境。
4 结论
在保持新徽派民居典型特点的前提下,将新型BIPV/T技术与屋顶、窗户、墙体等构造相结合,具备发电、供热水、采暖、冷却、除菌、杀毒、除甲醛等多种功能,不仅能够大大降低建筑能耗,而且能提高室内环境舒适度和健康性,同时外观上与环境和谐,更具现代美感,值得进一步研究和探索。
首先,在新徽派民居坡屋面中采用光伏瓦技术,不仅传承了传统“黛瓦”的特点,与环境协调性更好,而且是建筑光伏发电的最佳位置,因为倾斜屋面能使光伏瓦全年产生最多电力。但鉴于东西马头墙的遮挡,在设计时需降低马头墙高度并退让两侧马头墙体一定距离。
其次,在新徽派民居玻璃窗中应用碲化镉光伏通风窗技术,不仅传承了传统“花格窗”的特点,且全年发电,并在夏季大大减少了太阳直射造成的室内过热和负荷增加,在冬季实现了被动采暖和减少室内采暖负荷,同时,可通过调整适宜的电池覆盖率避免眩光,提高了采光舒适性。
再者,在新徽派民居立面采用集热-除甲醛多效墙体技术,不仅传承了传统“粉壁”的特点,而且在夏季大大减少了墙体传热形成的负荷,同时获得热水,在冬季利用Trombe墙原理实现被动采暖,大大提高了太阳能的全年利用率。此外,系统根据热催化原理实现了室内空气的净化,使得新徽派建筑真正成为节能与健康建筑。
最后,在新徽派民居西山墙采用通风-除菌杀毒太阳能烟囱技术,不仅保留了传统“马头墙”的特点,而且充分利用墙体高度优势产生的“烟囱效应”对空气的抽吸作用,解决了夏季室内过热,同时增加了室内通风换气,不断向房间输送新鲜空气,对除菌杀毒是一种可行的解决方案。
本文虽然针对的是新徽派民居的BIPV/T探索,但其中的新原理、新技术、新方法对于其他地域建筑的太阳能建筑一体化设计,同样具有一定的借鉴和参考意义,可促进地域建筑的传承与创新。
