光伏遮陽板與建筑一體化的綜合節(jié)能效果分析

　　節(jié)能：引言

　　太陽能光伏建筑一體化(BIPV)是未來城市中應(yīng)用太陽能的主要方式，是綠色建筑和建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢。光伏遮陽系統(tǒng)利用光伏電池組件作為建筑外遮陽構(gòu)件，兼?zhèn)湔陉柡桶l(fā)電功能，是典型的光伏建筑應(yīng)用形式，獲得日益廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外關(guān)于建筑遮陽技術(shù)和建筑光伏幕墻技術(shù)的研究較多：近年來，針對光伏遮陽系統(tǒng)的研究受到關(guān)注。Yoo和Manz等人對光伏遮陽板表面和臨近室內(nèi)的溫度場和速度場進(jìn)行了模擬分析。庾漢成等人對光伏遮陽構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究。James等人對光伏遮陽系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用進(jìn)行了分析。然而，上述研究并未對外遮陽建筑空調(diào)節(jié)能和光伏發(fā)電的綜合效果進(jìn)行分析。

　　長沙處于夏熱冬冷地區(qū)，夏季漫長悶熱，冬季濕冷，全年太陽輻照總量約為3905MJ／m2。夏季供冷能耗占全年空調(diào)能耗比重大，外遮陽對減小夏季空調(diào)峰值負(fù)荷及降低建筑能耗意義重大。因此，在長沙地區(qū)采用光伏遮陽系統(tǒng)可獲得較好的綜合節(jié)能效果。合理利用光伏遮陽系統(tǒng)關(guān)鍵在于結(jié)合建筑本身特點(diǎn)及當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)夥鼧?gòu)件的安裝位置及尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以到達(dá)最佳遮陽和產(chǎn)電效果。

　　本文以長沙地區(qū)典型辦公建筑為研究對象，耦合建筑負(fù)荷計(jì)算，利用Energyplus和Trnsys軟件建立了光伏遮陽板的傳熱和發(fā)電模型，模擬了全年建筑能耗和系統(tǒng)產(chǎn)電量。分析了光伏遮陽板在建筑不同朝向以不同傾角和寬度安裝時，光伏遮陽系統(tǒng)的遮陽和產(chǎn)電的綜合節(jié)能效果。研究結(jié)果為光伏遮陽板與建筑一體化技術(shù)的優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供了有益的參考。

　　1、計(jì)算模型

　　1．1物理模型

　　本文以長沙市典型辦公建筑為研究對象，如圖l。該建筑朝向?yàn)槟舷?，長為60m，寬為20m，共8層，層高為3.5m，總建筑面積為9600m2：窗高1.8m，各朝向窗墻比均為50％。圖2為光伏遮陽板安裝示意圖。光伏板為單晶硅光伏電池板，寬度L分別為0.8m、1.2m、1.6m，在辦公樓東(E)、南(S)、西(W)面沿各層窗戶的上端安裝，因此，光伏遮陽系統(tǒng)的總長度為各面外墻長度，即東、西面為20m，南面為60m，光伏陣列垂直間距為建筑層高3.5m。計(jì)算中光伏構(gòu)件安裝傾角。

　　1.2數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

　　1.2.1建筑能耗計(jì)算

　　利用Energyplus動態(tài)能耗模擬軟件對該建筑全年能耗進(jìn)行模擬。由于光伏遮陽板主要影響建筑的太陽輻射得熱量，所以文中所指的建筑能耗僅考慮全年空調(diào)能耗。計(jì)算過程采用熱平衡法模擬負(fù)荷，其基本熱平衡方程如(1)：

　　式中：(a)為計(jì)算區(qū)域空氣中存儲總能量；

　　(b)為區(qū)域內(nèi)部總的對流負(fù)荷；

　　(c)為區(qū)域表面的對流負(fù)荷：

　　(d)為區(qū)域間空氣混合造成的熱交換：

　　(e)為外部空氣滲透造成的熱交換；

　　(f)為系統(tǒng)輸出的熱量，即為區(qū)域的冷／熱負(fù)荷。

　　負(fù)荷模擬是整個能耗模擬過程的起點(diǎn)，為空調(diào)系統(tǒng)模擬提供必要參數(shù)?？照{(diào)系統(tǒng)模擬過程中提供空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際的供能量，再根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的供能量與房間冷熱負(fù)荷的需求量的平衡關(guān)系來對區(qū)域空氣溫度進(jìn)行必要的調(diào)整，從而完成整個建筑能耗模擬過程。能耗模擬計(jì)算時間步長為0.5h，當(dāng)房間溫度和負(fù)荷絕對誤差分別低于0.4℃和0.04w時認(rèn)為計(jì)算收斂。