自然通風模式及光伏透過率對雙層皮幕墻冬季運行特性影響研究

朱 靜，馬明一，李 丕，程 征，徐春雯

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；2.青島有住信息技術有限公司，山東 青島 266580)

建筑圍護結構得熱及熱損失是引起建筑制冷和供暖能耗的主要原因之一[1].由內、外層玻璃及通風空腔組成的雙層皮幕墻(Double-Skin Fa?ade，DSF)，是一種具有節能潛力的被動式窗體[2-4].光伏發電和建筑相結合而產生的建筑一體化光伏系統具有多種功能與優點，將半透明光伏玻璃(Semi-transparent photovoltaic glass，STPV)與DSF耦合得到的半透明光伏雙層皮幕墻(STPV-DSF)是建筑一體化光伏系統的重要形式[5].在此基礎上發展而來的通風式STPV-DSF，能夠有效促進熱通道內空氣的自然對流，帶走大量太陽輻射熱，有效降低室內負荷和空調系統能耗[6].

國內外學者對通風式STPV-DSF的運行特性及節能效果進行了大量研究.王京南等[7]通過建立雙層皮幕墻數學模型，以長沙地區某外循環式雙層皮幕墻為例，進行夏季自然通風工況下雙層皮幕墻的熱工性能模擬.陳友明等[8]在已搭建的實驗平臺上，對夏季自然通風和機械通風下DSF熱通道內的流場和溫度場進行對比分析，得出自然通風效果較好的4種工況，并利用Fluent模擬和分析自然通風下最佳玻璃幕墻空腔間距及遮陽百葉位置.郭猛等[9]基于區域方法和氣流網絡模型，結合雙層皮玻璃幕墻機械通風的特點，綜合考慮了通風空腔內熱壓、風壓和橫向交叉氣流的作用，建立了機械通風雙層皮玻璃幕墻的模型.朱麗等[10]模擬在寒冷地區應用透光薄膜光伏幕墻，結果表明夏季通風口單位寬度帶走約72.92 W熱量.文獻[11]將通風型STPV-DSF、單層光伏窗以及封閉型STPV-DSF三種類型窗體進行比較，發現通風型STPV-DSF在降低光伏電池運行溫度、減少夏季室內得熱方面表現最優.

上述研究成果對光伏雙層皮幕墻的優化設計起到一定的借鑒作用，但現有研究大多是針對夏季工況外循環通風展開[12].冬季STPV-DSF運行中能否應用自然通風，目前尚不清楚.另外，少量文獻對冬季STPV-DSF的節能效果進行了研究，如Chow等[13]發現光伏雙層皮幕墻可降低冬天熱耗散，同時吸收太陽能產生電能以減少建筑耗能；高峰等[14]針對寒冷地區冬季雙層光伏窗辦公建筑，利用Energyplus軟件模擬研究了不同運行模式下雙層光伏外窗對建筑節能特性的影響.但冬季STPV-DSF的運行效果是否優于DSF，并未見報道.本文通過搭建實驗裝置，實測多種通風模式下STPV-DSF的運行參數，以研究自然通風對窗體傳熱特性的影響，明確冬季應用自然通風的可行性；并通過與DSF運行參數的對比，分析光伏材料對冬季雙層皮幕墻運行特性及節能效果的影響.

1 研究方法

1.1 實驗裝置

通過建立實驗房進行實際測試是探究窗體運行特性有效且直觀的方式[15-16].在山東省膠州市(東經119°37＇，北緯36°)搭建光伏雙層皮幕墻全尺寸實驗房.該地處北溫帶季風區域，屬寒冷區，實驗房尺寸如圖1所示.南向窗體為三個尺寸相同的雙層皮窗戶，從西至東依次為：半透明光伏雙層皮STPV-DSF(τ=40%)(外層皮透過率為τ=40%的碲化鎘光伏玻璃)、雙層皮DSF(τ=90%)(外層皮為τ=90%的普通6 mm玻璃)、半透明光伏雙層皮STPV-DSF(τ=20%)(外層皮透過率為τ=20%碲化鎘光伏玻璃)，內外層之間為0.4 m的空腔，內層皮均為普通雙層6 mm中空玻璃.三個窗體之間相互獨立，中間設絕熱隔板.在內外層皮的上、下端設置尺寸相同的通風口(0.6 m×0.6 m).外層皮上、下通風口均可向上開啟，開啟角度為30°，內層皮上下通風口采用向內開啟的平開窗.通過改變內外通風口的開閉組合，可實現不同的運行模式，本實驗選取三種不同運行模式進行測試，具體見表1.

圖1 實驗房尺寸(單位：mm)

表1 運行模式設置

1.2 實驗儀器及測點布置

實驗測點布置見圖2.T為溫度測量，采用頂峰科技20100熱電阻，內、外層皮內表面沿中間軸線上各均勻布置3個熱電阻，空腔內沿中心軸線布置5個熱電阻，伸展在空腔內相應位置.C和R分別為通過窗體進入室內的傳導熱流密度和總輻射熱流密度，采用傳導熱流傳感器及輻射熱流傳感器測量，其中傳導熱流傳感器貼附在各系統內層皮中間位置處，輻射熱流傳感器由三腳架支撐，放置在靠近各內層皮中間位置附近.輻射熱流傳感器感應面垂直向外，白天測量透射到室內的太陽輻射熱流密度，夜間可測量室內向外的輻射熱流損失.

圖2 實驗系統的測點布置

另外，熱流及溫度電信號均連接Agilent 34970A數據采集儀進行記錄；PV玻璃發電功率、電壓、電流由MPPT記錄并上傳到電腦；室外溫濕度、風速氣象條件采用DAVIS Vantage Pro2 plus 06162型氣象站進行記錄；太陽總輻射及散射輻射強度采用Delta OHM LP PYRA02輻射強度計進行測量.實驗儀器規格及技術參數見表2.

表2 實驗儀器規格及技術參數

1.3 評價指標

雙層皮幕墻內部能量流動及傳熱過程極其復雜，以STPV-DSF封閉模式為例：外層皮接收到的太陽輻射一部分被玻璃層反射，一部分被太陽能電池層吸收并產生余熱，其余部分進入空腔內；空腔內空氣與外層皮內表面及內層皮外表面通過自然對流進行換熱；內層皮得到熱量并通過透射、對流及輻射作用將熱量傳遞到室內.

本文主要的評價指標包括：太陽得熱系數(Solar Heat Gain Coefficient，SHGC)、內外層皮溫度、輻射熱流強度、傳導熱流強度、圍護結構導熱系數U值及發電功率.SHGC值及U值需要通過以下公式計算得到，其他參數可由儀器直接測量.

SHGC指通過圍護結構成為室內得熱量的太陽輻射占投射到圍護結構上的太陽輻射的比例，采用公式(1)進行計算.

(1)

式中：G1為通過透光圍護結構透射到室內的太陽輻射，W/m2；G2為太陽輻射被透光圍護結構吸收后再傳熱室內得熱量，包括圍護結構通過長波紅外輻射向室內輻射的熱量G3及圍護結構與室內的傳導熱量G4兩部分，W/m2；G5為窗體接收到的總的太陽輻射，W/m2.

其中，G1+G3由輻射熱流傳感器TS-34C測得，G4由傳導熱流傳感器CHS-30測得，G5由輻射強度計Delta OHM LP PYRA02測得.

U指圍護結構的導熱系數，表示圍護結構在單位面積上允許熱量通過的能力.U值可在室內外都沒有輻射的夜間測量得到，表征建筑結構的保溫能力.根據測試條件，按照公式(2)[17]近似計算.

(2)

式中：G6為夜間室內向外的輻射熱損失，W/m2；G7為夜間室內向外的傳導熱損失，W/m2；ΔT為夜間室內空氣溫度與室外空氣溫度之差，K.

其中，G6由輻射熱流傳感器TS-34C測得，G7由傳導熱流傳感器CHS-30測得.

1.4 實驗測試

實驗測試條件選擇室外晴天微風時進行，選取室外氣象條件及太陽輻射強度接近的晴天工況進行比較.確定12月23日、12月27日及1月1日分別作為封閉模式、日間自然通風模式及中午自然通風模式的典型日，三天內天氣狀況接近，太陽輻射日波動曲線及室外空氣溫度日波動曲線基本重合，減小了天氣情況造成的實驗誤差，圖3、圖4分別為典型日太陽輻射日波動曲線及室內外空氣溫度日波動曲線.實驗過程中對室外氣象條件、玻璃各表面溫度、空腔及室內外溫度、進入室內的平均輻射熱量與平均傳導熱量等進行了測量記錄.

圖3 太陽輻射日波動曲線

圖4 室內外空氣溫度波動曲線

2 結果與討論

2.1 通風模式對冬季STPV-DSF(以τ=20%為例)運行特性的影響

2.1.1 STPV-DSF空腔內溫度分布

空腔內溫度分布是決定冬季自然通風效果的重要因素.自然通風狀態下，室外冷空氣從底部進入，在空腔內被加熱后從頂部進入室內.若進入室內空氣溫度較高，則有利于室內得熱，降低冬季室內熱負荷.

圖5為STPV-DSF在case1時空腔內溫度分布圖，由圖可知，各測點溫度及溫度梯度均隨太陽輻射強度增強而增大，12∶00左右達到峰值，空腔頂部溫度約29.9 ℃，空腔頂部和底部最大溫差為8.9 ℃.

圖5 STPV-DSF case1時空腔溫度分布

圖6為STPV-DSF在case2時空腔內溫度分布，由圖可知，最高溫度26.0 ℃，較case1模式下降3.9 ℃，這是由于室外新風流經空腔時通過對流換熱作用吸收熱量，降低了空腔溫度.若將冬季室內設計溫度設定為20 ℃，10∶40～14∶00時間段Tca5高于20 ℃，可為室內提供高于供暖設計溫度的新風，降低室內熱負荷；其他時間段Tca5低于20 ℃，由于冷風滲透可增加室內熱負荷.

圖6 STPV-DSF case2時空腔溫度分布

圖7為STPV-DSF在case3時空腔內溫度分布.由圖7可見，12∶00左右Tca5達到峰值約29 ℃，此時打開外層皮下窗及內層皮上窗通風，室外冷空氣從底部進入，被加熱后在空腔內向上移動，空腔上層熱空氣進入室內形成自然通風.雖然開窗后由于冷空氣的滲入造成空腔內溫度整體降低，但通風時間段進入室內的熱空氣溫度Tca5不低于20 ℃，因此在提供新風的同時有利于室內得熱.

圖7 STPV-DSF case3時空腔溫度分布

2.1.2 內外層皮表面溫度分布

圖8為STPV-DSF三種通風模式下的外層皮溫度對比圖.由圖8中可以看出，不同通風模式下外層皮溫度變化趨勢一致，均隨著室外輻射強度和溫度的變化而變化，呈現先升高后降低的趨勢.其中，case2溫度分布整體低于case1和case3溫度分布，這是由于流經空腔的新風與外層玻璃進行對流換熱，帶走熱量使得外層皮溫度降低；且隨室外輻射強度和溫度的升高，外層皮與室外空氣的溫差逐漸增大，對流換熱作用增強，與case1外層皮溫差逐漸增大，最大溫差可達5.02 ℃.case3與case1相比，12點之前由于都處于封閉狀態外層皮溫度分布基本一致，12點開窗后溫度略有下降，最大溫差2.1 ℃左右.

圖8 STPV-DSF三種通風模式下的外層皮溫度

圖9為STPV-DSF三種通風模式下的內層皮溫度對比圖.由圖可見，通風模式對內層皮溫度的影響并不太大.其中，case3與case1相比，內層皮溫度并沒有明顯變化；case2內層皮溫度始終最低，但最大溫差不超過2 ℃.分析原因，由于STPV-DSF外層皮光伏材料大量吸收太陽輻射能量，使得日間外層皮溫度迅速升高，正午時分明顯高于內層皮溫度，進入空腔的冷空氣與外層皮的對流換熱作用更為強烈，因此對內層皮溫度的影響不大.由上可以得出，不同通風模式下STPV-DSF內表面與室內的對流換熱量和輻射換熱量相差不大.

圖9 STPV-DSF三種通風模式下的內層皮溫度

2.1.3 太陽得熱系數(SHGC)

圖10和圖11為STPV-DSF三種通風模式下的傳導熱流密度和輻射熱流密度，由圖可見，傳導熱流密度和輻射熱流密度均隨著室外輻射強度和溫度的變化而變化，呈現先升高后降低的趨勢，10∶00～12∶00左右達到峰值.從數值來看，三種通風模式下的傳導熱流密度和輻射熱流密度基本一致，無明顯差異和規律.分析原因：(1)傳導熱流密度取決于內層皮與室內的溫差，室內初始溫度相同時，即取決于內層皮溫度，由于三種通風模式下的內層皮溫度差異不大，所以傳導熱流密度也差異很??；(2)輻射熱流密度包括透過窗體進入室內的直射太陽輻射和內層皮向室內的輻射兩部分，取決于室外輻射強度及內層皮溫度，三種通風模式下的室外輻射強度及內層皮溫度相近，因此其輻射熱流密度數值相近.另外，有些時間段的輻射熱流密度及傳導熱流密度出現負值，說明隨室外輻射強度及室內外溫度的變化，此時熱量的傳遞方向由室內向室外.

圖10 STPV-DSF三種通風模式下的傳導熱流密度

圖11 STPV-DSF三種通風模式下的輻射熱流密度

根據測得的傳導熱流密度和輻射熱流密度的數值，帶入公式(1)，計算得到SHGC值平均為0.091左右，運行模式對SHGC值無明顯影響.

2.1.4 發電功率

選取封閉模式及日間自然通風模式進行STPV-DSF冬季發電性能分析，如圖12所示.光伏組件從7∶00左右開始出現發電功率，10∶00～11∶30發電功率達到最高水平，11∶30后隨太陽輻射強度減弱發電功率急劇下降，16∶00左右發電結束.與前期測量的夏季發電性能相比，冬季發電時間明顯縮短，發電功率明顯下降，這是由于寒冷地區冬季光照時間短，太陽輻射強度弱，能夠激活光伏組件進行發電的時間更短.實驗測得STPV-DSF封閉模式下日發電總量約24 W·h，日間自然通風模式下日發電總量約54 W·h，遠低于該實驗裝置測得的同地區夏季日發電總量(約160 W·h).通風模式對發電功率有明顯影響，日間自然通風模式下，由于空氣流通強化了換熱，外層皮溫度低于封閉模式，較低的運行溫度更有利于提高發電功率.

圖12 STPV-DSF發電功率

2.2 冬季STPV-DSF(以τ=20%為例)及DSF傳熱特性對比

夏季STPV-DSF可降低室內得熱及空調冷負荷，較DSF具有更大的節能潛力.由于冬季室內得熱有利于降低供暖熱負荷，因此冬季STPV-DSF并不一定為最優窗體.冬季影響室內熱負荷的因素主要包括室內得熱量、SHGC值、內層皮溫度以及窗體的保溫性，以下以封閉模式為例對兩種窗體的性能進行對比.

2.2.1 熱流密度及SHGC值對比

圖13為一日內STPV-DSF及DSF熱流密度對比圖.

圖13 case1時STPV-DSF及DSF熱流密度

由圖可知，DSF輻射熱流密度峰值及傳導熱流密度峰值分別為133 W/m2、120 W/m2；STPV-DSF熱流密度值大幅度下降，輻射熱流密度峰值為39 W/m2，較DSF降低71%，傳導熱流密度峰值為18 W/m2，較DSF降低85%.這是因為在相同的室外太陽輻射下，STPV-DSF由于外層光伏玻璃大量吸收太陽輻射能量，致使透射進入的太陽輻射熱流密度大幅度降低，而到達內層皮的輻射熱流密度降低，致使內層皮溫度降低，傳導熱流密度也相應減少.根據測得的DSF傳導熱流密度和輻射熱流密度的數值，計算得到其SHGC值平均為0.396.已測得STPV-DSF的SHGC值平均為0.091，因此較DSF降低約77%.

2.2.2 內外層皮溫度對比

圖14為STPV-DSF及DSF內外層皮溫度對比圖.由圖可知，STPV-DSF外層皮溫度明顯高于DSF外層皮溫度，這是因為STPV-DSF外層皮光伏材料大量吸收太陽輻射能量，部分轉化為電能，部分被自身吸收使其溫度升高，而DSF外層皮為低吸收率、高透過率的普通玻璃，二者最大溫差可達15 ℃.而STPV-DSF內層皮溫度低于DSF內層皮溫度，DSF內層皮最高溫度為24.6 ℃，STPV-DSF內層皮最高溫度降低3.92 ℃.可見由于STPV-DSF透射進入的太陽輻射熱流密度大幅度降低，致使內層皮溫度降幅明顯.內層皮溫度決定了內層皮與室內的對流換熱量和輻射換熱量，因此DSF更有利于室內得熱.

圖14 case1時兩種窗體的玻璃表面溫度分布

2.2.3 導熱系數(U)對比

U值測量在夜間無太陽輻射時進行，通過測量夜間的室內外溫度、室內向外的輻射熱損失及傳導熱損失，由公式(2)計算得STPV-DSF及DSF兩種窗體的平均U值分別為0.74 W/(m2·K)、0.81 W/(m2·K)，說明窗體透過率對U值有一定影響，但影響較小.STPV-DSF的U值略低，這是由于夜間室內溫度高于室外溫度，室內向室外輻射熱量，透過率較低的光伏外層皮阻礙了夜間室內向室外的輻射換熱過程，保溫效果更優.兩種窗體的U值都遠低于普通中空玻璃的傳熱系數約3 W/(m2·K)，說明雙層皮結構冬季具有更好的保溫效果.

3 結論

(1)自然通風對外層皮溫度影響較大，日間自然通風模式外層皮溫度最低，與封閉模式最大溫差可達5.02 ℃.三種通風模式下內層皮溫度、傳導熱流密度和輻射熱流密度差異較小，說明通風模式對室內得熱量基本無影響.日間自然通風模式下空腔最高溫度較封閉模式下降3.9 ℃，且10∶40～14∶00時間段Tca5高于20 ℃；中午自然通風時空腔最高溫度基本不變，且通風時間段Tca5均高于20 ℃.因此，合理選擇自然通風時間可同時為室內提供熱量和新風.另外，日間自然通風模式由于外層皮溫度降低更有利于提高發電功率.綜上，冬季太陽輻射強度較高的正午時間利用自然通風可行，有利于提高STPV-DSF的節能效果.

(2)光伏材料可改善雙層皮幕墻的保溫性能，STPV-DSF較DSF的導熱系數降低；但冬季室內得熱量大幅度降低，封閉模式下STPV-DSF較DSF的輻射熱流密度峰值降低71%，傳導熱流密度峰值降低85%，SHGC值降低77%，內層皮最高溫度降低3.92 ℃.由于STPV-DSF夏季具有較顯著的節能及發電功能，因此需結合全年節能總效果綜合考慮.