耦合中置式光伏Trombe墻的室內熱舒適性評價

摘要：基于能量平衡原理對耦合中置式光伏Trombe墻的房間建立熱舒適性動態評價模型，在冬季供暖模式下，對室內熱舒適性進行評價，并研究了吸熱板安裝位置對室內熱舒適性的影響。結果表明，中置式光伏Trombe墻雖能提升室內熱舒適性，但僅能將室內熱環境維持在基本舒適狀態，從9：00到13：00室內熱環境都偏冷，人體感覺不舒適。在太陽輻射強度較低時，太陽電池板和玻璃蓋板形成的封閉空氣夾層能使室內仍可以維持在較為舒適的溫度。將吸熱板安裝到集熱墻外表面，能在不增加成本的前提下，有效改善室內熱環境，縮短室內不舒適時間1 h。采用文中構建的熱舒適性評價模型可以方便地預測不同時刻室內熱舒適性的變化情況，實現室內溫度的動態管理。

關鍵詞：光伏Trombe墻；室內熱環境；熱舒適性；標準有效溫度；評價模型

中圖分類號：TK519 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）12-013-11

基金項目：重慶市技術創新與應用發展專項項目（cstc2019jscx-msxmX0213）。Supported by the Project of Technological Innovation and Application Development of Chongqing （cstc2019jscxmsxmX0213）.

Indoor thermal comfort evaluation of a room coupled with builtmiddle PV-Trombe wall

YANG Hongliang1， QIN Liangliang2， WU Shuangying2

（1. CHN Energy Chongqing Power Co.， LTD.， Chongqing 401120， P. R. China； 2. School of Energy and Power Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， P. R. China）

Abstract： A thermal comfort evaluation model， based on energy balance principles， is developed for assessing indoor thermal comfort in a room equipped with a built-middle PV-Trombe wall during the heating season. The study also investigates how the installation location of the absorber plate affects indoor thermal comfort. Results show that while the built-middle PV-Trombe wall improves indoor thermal comfort， it maintains only a basic level of comfort overall. Between 9： 00 and 13： 00， the indoor environment remains cold， resulting in occupant discomfort. However， when solar radiation is low， the enclosed air layer formed by the photovoltaic panel and glass cover can still help maintain a more comfortable room temperature. Positioning the absorber plate on the outer surface of the massive wall enhances the indoor thermal environment， reducing discomfort duration by one hour without additional costs. The thermal comfort evaluation model constructed here allows for easy prediction of indoor thermal comfort variations over time， facilitating dynamic management of indoor temperature.

Keywords： PV-Trombe wall； indoor environment； thermal comfort； standard effective temperature； evaluation model

太陽能Trombe墻是一種被動式太陽能利用技術，能有效改善室內環境，被廣泛使用。目前，國內外對太陽能Trombe墻的研究主要集中在多功能型Trombe墻上[1]。作為一種常見的多功能型Trombe墻，根據太陽（光伏）電池板安裝位置不同，光伏Trombe墻（PV-TW）分為外置式（OPV-TW）[2]、中置式（MPV-TW）[3]和內置式（IPV-TW）[4]3種類型。由于OPV-TW受外界環境影響較大，所以IPV-TW的熱效率會高于OPV-TW，但IPV-TW的太陽電池板溫度偏高，導致其電效率低于OPV-TW[5]。通過對OPV-TW建立二維理論分析模型發現[2]，光伏玻璃和普通玻璃的溫差能達到10.6 ℃，帶有OPV-TW的房間室內溫度能比普通房間高13.4 ℃。對于IPV-TW，當流道高度為3 m，流道寬度為0.4 m時，通風量最大，且當流道寬度大于0.5 m時，流道內會出現回流[6]。對于垂直入口的IPV-TW，當流道寬度與流道高度的比為1/5時通風量最大[7]。通過對MPV-TW進行理論分析和實驗研究發現[8]，MPV-TW的平均電效率、熱效率和總效率分別為12%、38.2%和58.5%。雖然，MPV-TW的電效率比OPV-TW低2.5%，但MPV-TW的熱效率和總效率均高于OPV-TW，因此MPV-TW更適合在冬季使用[9]。

目前，對PV-TW的研究主要集中在通過不同方法提升PV-TW的熱電性能[10]，把PV-TW和室內環境耦合在一起進行綜合分析和性能評價的文獻還較少。作為室內溫度管理和建筑節能的基礎，熱舒適性評價也是太陽能Trombe墻性能評價的一個重要組成部分。只有少量研究采用溫度、濕度[11]或預測平均評價指標（PMV）[3]等對帶有Trombe墻的房間室內熱舒適性進行評價。研究表明，人體的熱感覺受很多因素影響[12]，雖然PMV能反映溫濕度等因素的影響，可以對室內熱舒適性進行定性分析，但由于其簡化了人體對環境的熱反應，比較適合穩態環境的熱舒適性評價[13]。耦合太陽能Trombe墻的建筑會引起室內環境的變化，只使用PMV評價室內熱舒適性是不合適的。標準有效溫度（SET）能反映人體對環境的動態響應，更適合用來評價耦合太陽能Trombe墻房間的室內熱舒適性[14]。基于SET對耦合PV-TW的室內熱舒適性進行評價還少有文獻報道。

鑒于MPV-TW自身具有較高的熱效率和總效率，文中以耦合中置式PV-Trombe墻的房間為研究對象，使用SET作為評價指標，構建室內熱舒適性動態評價模型，在冬季運行模式下，對室內熱舒適性進行分析和評價。

1 物理和數學模型

1.1 物理模型

如圖1所示，MPV-TW由玻璃蓋板、太陽電池板、吸熱板、空氣流道、4個通風口、4個通風擋板和集熱墻組成，其中太陽電池板和吸熱板之間使用EVA黏合，玻璃蓋板和太陽電池板組成封閉空氣夾層，吸熱板和集熱墻組成空氣流道。在冬季供暖模式下，2個室外通風口保持關閉，2個室內擋板打開。流道內的空氣被加熱后從室內上通風口進入室內，室內空氣由于熱虹吸作用，從室內下通風口進入空氣流道。一部分太陽能被太陽電池板轉化成電能，另一部分太陽能被太陽電池板和吸熱板轉化成熱能。

圖2給出了帶有2個MPV-TW的單個房間的物理模型，該物理模型由Trombe墻模型、室內空氣模型和圍護結構模型3部分耦合而成。Trombe墻模型和圍護結構模型的詳細參數如表1和表2所示。

1.2 能量平衡模型

1.2.1 相關假設

為了研究帶有MPV-TW房間的室內熱舒適性變化，在模型建立過程中，假設：1）所有材料的物性參數均為常數[16]；2）由于厚度很小，忽略玻璃蓋板、太陽電池板和吸熱板沿厚度方向的導熱熱阻[9]；3）忽略門窗冷風滲透和室內人員活動的影響，室內無其他熱源[15]；4）圍護結構的導熱為一維導熱[3]；5）室內溫度沿高度方向變化，水平方向分布均勻[9]。

1.2.2 能量平衡分析

1.3 熱舒適性模型

標準有效溫度（SET）是指當人體在實際環境和標準環境中有相同的皮膚溫度tsk和皮膚濕潤度Pwet時，如果產生相同的皮膚散熱量qsk，en和相同的熱感覺，此時標準環境的溫度即為SET[14]。二節點模型是計算SET的基礎，二節點模型將人體分為核心層和皮膚層兩個部分，核心層和皮膚層的能量平衡方程分別為

根據ASHRAE Standard 55-2017[19]的要求，SET的熱舒適性模型需要與該標準所給出的標準值相驗證。表4給出了在人體所做機械功W=0 W/m2、服裝熱阻Rcl=0.08 m2·K/W情況下，SET的計算值SETPre和標準值SETSta之間的比較，平均相對誤差為2.27%，因此，文中所使用的熱舒適性模型是可靠的。

3 結果分析與討論

圖6給出了帶有MPV-TW的房間室內溫度tr和熱舒適性評價指標SET隨時間變化情況。可以看出，隨著太陽輻射強度的變化，室內溫度tr先上升后下降，tr在15：00達到最大值20.1 ℃。從9：00到17：00，帶有MPVTW的房間室內平均溫度為16.5 ℃。從室內溫度變化可以看出，隨著MPV-TW的運行，室內熱舒適性得到改善，且下午的室內熱舒適性要優于上午。從圖6還可以看出，隨著太陽輻射強度的變化，SET先增大后減小。9：00時室內溫度較低，SET僅為13.4 ℃，此時人體感覺冷，室內熱環境非常不舒適。隨著MPV-TW的運行，室溫增加，SET逐漸增大，室內熱舒適性也得到改善。10：24時，SET達到14.5 ℃，人體熱感覺從冷過渡到涼，室內熱環境也從非常不舒適過渡到不舒適。之后，SET繼續增大，到13：00時，達到17.5 ℃，此時人體熱感覺從涼過渡為微涼，室內熱環境也從不舒適過渡為基本舒適。隨后，SET在15：30達到最大值19.6 ℃后開始減小。在整個有效運行時間內，從9：00到10：24室內熱環境為冷，人體感覺非常不舒適；從10：24到13：00室內熱環境為涼，人體感覺不舒適；從13：00到17：00室內環境為微涼，人體感覺基本舒適。17：00時，室外太陽輻射強度I已低于200 W/m2，但此時室內環境在15.6 ℃，仍能維持在基本舒適狀態，這說明光伏電池板和玻璃蓋板形成的封閉空氣夾層起了良好的保溫作用。由此可以發現，在MPV-TW運行時間內，室內熱舒適性在上午較差，在下午卻能維持一個較為舒適的狀態。總之，MPV-TW在一定程度上可以提升室內熱舒適性，但在冬季單純依靠MPV-TW供暖并不能完全滿足用戶的供暖需求。

一般情況下，MPV-TW的吸熱板是放置在太陽電池板的背面，且對集熱墻外表面沒做特殊處理，在研究中發現集熱墻外表面的溫度最高只能達到35 ℃。因此，提出將吸熱板安裝在集熱墻外表面上，從而增加通過集熱墻向室內傳遞的熱量，以提高室內溫度。圖7給出了改變吸熱板位置后的室內溫度tr，mod和室內熱舒適性評價指標SETmod隨時間變化情況。可以發現，tr，mod要高于tr，兩者之間最大溫差能達到2.5 ℃。這是由于吸熱板的集熱效果優于集熱墻外表面，從而導致吸熱板的溫度會達到70 ℃，高于集熱墻外表面溫度，通過集熱墻向室內傳遞的熱量增加，室內溫度得到提升。從圖7中還可以看出，由于室溫的提高，室內熱舒適性較未改變吸熱板位置前也得到了改善。在11：47后室內人體熱感覺都為基本舒適，15：30時SETmod達到最大值21.2 ℃。在整個有效運行時間內，從9：00到9：41室內熱環境為冷，人體感覺非常不舒適；從9：41到11：47室內熱環境為涼，人體感覺不舒適；從11：47到17：00室內環境為微涼，人體感覺基本舒適。與未改變吸熱板位置的MPV-TW相比，人體感覺非常不舒服的時間減少了43 min，人體感覺不舒服的時間減少了73 min，人體感覺基本舒適的時間增加了73 min。因此，通過對室內熱舒適性動態分析發現，將吸熱板安裝在集熱墻外表面與將吸熱板安裝在太陽電池板背面相比，能在不增加額外成本的前提下有效改善室內熱環境，提高室內熱舒適性，減少室內不舒適的時間。

4 結 論

通過建立熱舒適性動態評價模型，研究了帶有MPV-TW房間的室內熱舒適特性，并討論了吸熱板位置對室內熱舒適性的影響。主要結論如下：

1）基于能量平衡原理對耦合MPV-TW的室內熱舒適性提出了綜合評價模型，并驗證了其可靠性。使用文中模型可以方便地預測不同時刻室內熱舒適性的變化情況，實現室內溫度的動態管理，在保障室內熱舒適性的前提下減少建筑運行能耗，為MPV-TW在不同地區的實際應用和運行管理提供理論依據。

2）MPV-TW中光伏電池板和玻璃蓋板形成的封閉空氣夾層起了良好的保溫作用，當太陽輻射強度較低時，MPV-TW的空氣流道仍能保持較高溫度，從而使耦合MPV-TW的室內在太陽輻射強度低于200 W/m2時，仍可以維持在較為舒適的溫度。

3）吸熱板位置對耦合MPV-TW的室內熱舒適性有重要影響，將MPV-TW的吸熱板安裝在集熱墻外表面上可提高室溫1～2 ℃，與未改變吸熱板位置的MPV-TW相比，人體感覺非常不舒服的時間減少了43 min，人體感覺基本舒適的時間增加了73 min，即改變MPV-TW中的吸熱板位置，能在不增加額外成本的前提下減小熱量向室內傳遞的熱阻，改善室內熱舒適性，延長MPV-TW的有效運行時間。

4）多功能型Trombe墻除了光伏Trombe墻之外，還有凈化型Trombe墻，文中以中置式光伏Trombe墻為對象，評價了耦合光伏Trombe墻的室內熱舒適性，未來可結合室內污染物濃度的變化進一步研究凈化型Trombe墻對室內熱舒適性和空氣潔凈度的影響。

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（編輯 陳移峰）