光伏瓦技术主要是利用薄膜太阳能电池的柔性可弯曲、质量轻、弱光性好、颜色可调、可塑性强等优点, 将几微米厚的柔性薄膜太阳能发电芯片封装在曲面玻璃与高分子复合材料中, 具有美观、防水、隔热的特点。比较典型的是我国汉能公司研发的铜铟镓硒（copper indium gallium diselenide, CIGS）汉瓦^[18], 将其与新徽派民居屋顶小青瓦形状相结合, 可形成新一代高转化率光伏瓦屋面, 最大程度上保留了徽派民居“ 黛瓦” 的特征（如图1）。然而, 汉瓦只是具备发电功能, 且曲面电池的性能随入射角度变化有较大的差异, 进一步研究光伏瓦曲率、间距对光电性能的影响以及光伏光热综合利用极为必要。

图1

Fig. 1

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	图1 铜铟镓硒单玻三曲瓦：（a）构造图; （b）实物图[18]Fig. 1 CIGS single glass three-curve tile: (a) structure; (b) image[18]

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MnO_x-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。

图2

Fig. 2

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	图2 兼顾“ 粉壁” 的集热-除甲醛多效墙体系统：（a）热水模式构造图; （b）热空气模式构造图; （c）外观效果图[20]Fig. 2 Heat-collecting and formaldehyde-removing multi-effect wall system combined with ‘ powder wall’ : (a) structure of hot water mode; (b) structure of hot air mode; (c) external view[20]

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。

图3

Fig. 3

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	图3 与“ 马头墙” 一体化的通风-除菌杀毒太阳能烟囱系统：（a）构造图; （b）外观效果图[23]Fig. 3 Integrated ventilation-sterilization and antivirus solar chimney system with ‘ horsehead wall’ : (a) structure; (b) external view[23]

青砖型光伏组件技术, 是采用特制的砖石玻璃外壳, 实现了与传统青砖高度相似的外表, 由我国英利能源科技集团研发^[26]。这种光伏组件将高效光伏硅电池封装在双层纳米光学膜结构材料之中, 具有强度高、自重轻、耐腐蚀、易清洁、保温隔热性能优良的优点, 不仅可以利用太阳能发电以降低常规建筑能耗, 而且可以直接替代传统青砖贴面, 与建筑相和谐（如图4）。新徽派民居延续了传统建筑的黑白灰色调, 外立面装饰处如檐口、腰线、门窗外边框、局部墙体等仍采用“ 青砖” 构造, 光伏青砖组件可以因地制宜地替代南向青砖, 保持与建筑的高度统一。

图4

Fig. 4

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	图4 兼顾“ 青砖” 的光伏装饰技术：（a）构造图; （b）外观效果图[26]Fig. 4 Photovoltaic decoration technology combined with ‘ blue brick’ : (a) structure; (b) external view[26]

平板型PV/T热水系统, 是将光伏电池与太阳能平板吸热板结合, 在发电的同时制备热水, 达到能量梯级利用的目的, 综合效率更高且一机多能。结构从外到内依次为玻璃盖板、空气夹层、带有光伏的吸热板、肋管流道、绝热材料、背面盖板以及相应的连接管道、蓄热水箱等组成, 采用自然对流实现水的循环（如图5）^{[27, 28, 29]}。由于徽派民居对门楼十分重视, 素有“ 千金门楼四两屋” 之称, 可将平板型PV/T系统倾斜放置在雨篷上, 使之接收更多的太阳辐射从而光电光热转化率更高, 同时很好地保留了新徽派民居“ 门楼” 的重要特征。

图5

Fig. 5

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	图5 兼顾“ 门楼” 的平板型PV/T热水系统：（a）构造图; （b）外观效果图[27, 28, 29]Fig. 5 Flat PV/T hot water system combined with ‘ Gateway’ : (a) structure; (b) external view[27, 28, 29]

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。

图6

Fig. 6

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	图6 兼顾“ 花格窗” 的碲化镉（CdTe）光伏通风窗系统：（a）构造图; （b）外观效果图; （c）实物图[15, 16]Fig. 6 CdTe photovoltaic ventilator system combined with ‘ Latticed Windows’ : (a) structure; (b) external view; (c) image[15, 16]

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）。

图8

Fig. 8

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	图8 各层平面图Fig. 8 Floor plans

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。

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。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 BIPV/T方案参数一览表 Table 1 List of BIPV/T scheme parameters 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

表1 BIPV/T方案参数一览表 Table 1 List of BIPV/T scheme parameters

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。

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。

图9

Fig. 9

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	图9 各部位全年发电量Fig. 9 Annual generating capacity of each part

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。

建筑全年生活热水由南墙多效集热器和门楼平板型PV/T产生。在非采暖季, 全部多效集热墙体和平板型PV/T同时产热水; 在采暖季, 一楼和二楼四块多效集热墙体关闭水阀, 三楼单块多效集热墙体和平板型PV/T同时产热水。设定该民居住5人, 按照24 h供热水, 每人用水定额为40 L/d^[34], 热水出口水温分别设为45℃和60℃, 水箱体积为500 L, 初始温度为当地自来水温度, 当日水箱内剩余热水量延续到第二天使用, 当水温不足设计温度时, 采用电能作为热源或辅助热源提升温度。全年热水性能包括逐月得热量、热水负荷和热水保证率, 预测结果如图10所示。

图10

Fig. 10

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	图10 热水性能图：（a）45℃全年保证率78%; （b）60℃全年保证率65%Fig. 10 Hot water performance: (a) the annual guarantee rate of 45oC is 78%; (b) the annual guarantee rate of 60oC is 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。

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。

图11

Fig. 11

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	图11 房间1、2、4、5冬季、夏季有无BIPV/T温度对比图Fig. 11 The temperature comparison of room 1, 2, 4, 5 in winter and summer with and without BIPV/T

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。

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。

图12

Fig. 12

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	图12 房间1、2、4、5有无BIPV/T冷热负荷对比图Fig. 12 The cooling and heating loads comparison graphs of room 1, 2, 4, 5 with and without BIPV/T

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。

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。

图13

Fig. 13

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	图13 太阳能烟囱：（a）全年换气次数; （b）出口温度Fig. 13 The solar chimney: (a) annual number of air changes; (b) outlet temperature

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。