《Renewable Energy》：Parameter Optimization and Performance Evaluation of Building Integrated Photovoltaics (BIPV) Across Climate Zones Based on a Multi-Node Thermal Model
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本研究开发了一种多节点热模型，集成热传导与光伏发电评估，验证了气候和设计参数对BIPV性能的影响，提出了跨气候区优化策略。
Xuan Song|Dengjia Wang|Hanyu Jiang|Yingying Wang|Tao Ma|Gang Wang
中国西部绿色建筑国家重点实验室，西安建筑科技大学，延安路13号，西安710055
摘要
建筑集成光伏（BIPV）对于提高建筑能源效率和可再生能源利用至关重要，其性能受气候和设计参数的影响。本研究采用经过实验验证的多节点热模型来分析不同气候和设计因素下的热电行为。开发了一个综合发电、热性能和节能效果的评估系统。在中国六个气候区的参数研究表明，当BIPV高度在2.5~3米时，传热系数达到峰值。空气通道间距在100~300毫米之间时有显著影响，而超过300毫米的间距则没有明显的热量增益。建筑墙体传热系数的变化范围为±40%，在哈尔滨导致年平均加权传热系数从-57.83%波动到38.57%，在广州则从-35.69%波动到19.31%。光伏效率从16%提高到24%时，发电量线性增加，年平均加权热阻增强系数减少了8.16%。多参数耦合分析表明，BIPV的高度显著影响年遮荫收益和节能效率，而光伏效率对年发电量的贡献最大。建筑墙体传热系数影响所有性能评估，其中通道间距的影响最小。本研究为优化不同气候条件下的BIPV设计提供了定量指导。
引言
缓解气候变化和加速低碳能源转型的需求正在重塑建筑行业的能源结构
[1]。建筑集成光伏（BIPV）系统结合了发电和建筑功能，对可持续城市发展至关重要
[2]。通过将光伏模块嵌入建筑立面或屋顶，BIPV系统替代了传统材料，并提供了清洁电力，尤其是在城市地区
[3]。国际能源署（IEA）预测，到2030年BIPV将占新安装光伏容量的30%以上，强调了其在实现碳中和中的作用
[4]。
与传统光伏系统不同，BIPV系统必须同时优化发电效率和建筑热舒适性
[5],[6]。其主要挑战在于光伏转换和热传递过程之间的复杂相互作用
[7]。太阳辐射驱动发电，但也会提高模块温度
[8]。环境因素，如环境温度、风速
[9]、空气通道设计
[10]和墙体热性能
[11]，共同影响系统内的能量传递。这种多物理场的相互作用使得BIPV优化成为一个复杂的多变量任务：需要在发电和热损失之间取得平衡，同时满足不同气候的需求——高太阳辐射地区需要增强散热以保持效率
[12]，寒冷气候需要隔热以减少供暖需求
[13]，而潮湿炎热地区则面临发电损失和增加的冷却需求
[14]。因此，创建一个响应气候的BIPV设计框架对其可持续实施至关重要。
所提出框架的基础是热电耦合建模方法。值得注意的是，具有空气通道配置的BIPV立面在传热和通风原理上与通风立面系统有显著相似之处[15]。因此，BIPV建模研究可以与已建立的空腔对流-辐射耦合和快速预测方法紧密结合[16]。现有的BIPV模型从高保真度到系统级别都有：一维稳态或集总参数模型计算成本较低[17]，但往往简化了表面对流、辐射和通道内的流动[18]，这在混合对流或强瞬态边界条件下可能导致系统误差[19]。计算流体动力学（CFD）模型及其耦合方法可以准确捕捉通道内的流动模式和热传递[20]，揭示了通道间距和风速等因素如何显著影响冷却效率和温度分布[21]。然而，这些模型计算成本较高，限制了其在年度模拟和参数空间探索中的应用[22]。为了在准确性和效率之间取得平衡，通常使用多节点热模型[23]、控制体积[24]和区域模型[25]来分析通风空腔中的热传递[26]。虽然这些方法可以描述非均匀温度场和耦合热传递过程，但它们的结果仍受边界条件、参数校准和年度尺度评估中的离散化策略的影响[27]。此外，还需要额外的现场数据验证来更好地定义其适用性并考虑不确定性[28]。因此，本研究旨在开发一个在物理准确性和计算效率之间取得平衡的建模框架，确保其适用于年度尺度计算，同时利用现场测量来验证其在跨气候应用中的可靠性。
除了方法论挑战外，通风BIPV系统的性能还受到结构参数与气候条件相互作用的影响。设计参数，如通道间距、进出口配置和立面高度，直接影响通道内的流动组织和对流热传递强度[29]，进而影响模块温度、室内热增益/损失和发电输出[30]。在现实世界的室外环境中，风向和风速的变化[31]、局部湍流以及立面几何形状和太阳入射角的综合作用会导致参数影响的显著时间和区域差异[32]。此外，当前的性能评估通常关注个别指标[33],[34]，并且在热分析和电气分析中使用不一致的边界条件和时间尺度，使得跨研究比较和系统级优化变得复杂[35]。在这种情况下，虽然等效传热系数等指标可以有效表征围护结构侧的热强度（如我们之前的研究所述[36]，但通风BIPV系统需要一个统一的、年度尺度的综合评估框架，具有一致的边界条件和时间尺度。这对于指导设计决策和提取不同气候下的性能模式至关重要。基于之前关于等效传热系数的研究，本研究提出在一个统一的年度尺度加权框架内结合热性能和电气性能评估。这种方法将识别影响热电性能的关键设计参数的主要机制和变化范围，提供关于它们在不同气候条件下的影响的见解。
本研究开发了一个综合框架，整合了机制建模、实验验证和跨气候设计原则（图1）。我们提出了一个创新的多节点热模型，结合了气流网络、分区能量平衡和光伏电气建模，确保了计算效率，同时准确捕捉了对流和温度分层等关键过程。该模型的预测能力通过多季节现场数据和跨气候模拟得到了验证。创建了一个多维度性能评估系统，涵盖了发电、热特性和节能效益。在中国六个气候区的参数研究量化了关键设计参数对系统性能的非线性影响，揭示了热电协同作用的地理差异。基于参数耦合分析和多目标优化，我们提出了针对不同气候适应目标的定制设计策略和优化方法。这项研究为优化BIPV系统性能和适应性设计提供了支持和定量证据。
部分摘录
多节点热模型
BIPV立面被建模为一个分层结构：光伏模块、空气通道和建筑墙体层（分为外层、中层和内层）。主要的传热机制是传导、对流和辐射。图2显示了其热阻网络，不同颜色的路径代表层与环境之间的能量流动。
BIPV中的热传递通过光伏模块、空气通道和建筑墙体层的传导来表征；对流
实验概述
本节通过在陕西省西安市隆基绿色能源科技有限公司（经度107°4′，纬度33°42′）进行的实验来验证多节点热模型。BIPV立面由385瓦的模块（2089毫米×1033毫米×8毫米）组成，安装在朝南的实验室墙上。实验室（2.2米×2.0米×2.5米）配备了BIPV系统，包括光伏模块、空气通道和建筑墙体。通道间距为300毫米，绝缘混凝土结构具有矩形通风口
仿真设置
在进行系统参数研究和使用验证模型进行性能分析之前，定义仿真边界条件和评估框架是必要的。本节指定了模拟的气候区、关键参数值和用于综合评估指标的计算方法。
建模方法和理论讨论
多节点热模型通过离散化BIPV层并参数化核心热传递过程，在合理的计算成本下捕捉了温度分层和浮力驱动对流等动态特征，介于详细模型和简化的集总模型之间。该模型揭示了非单调关系，例如腔体高度和热阻，这些关系在简单模型中可能会被忽略。
结论
本研究开发了一个用于BIPV的多节点热模型，并通过多季节现场数据和跨气候区模拟进行了验证。建立了一个多维度性能评估系统，涵盖了发电、热性能和能源效率。量化了关键设计参数对中国六个气候区系统性能的影响。基于参数耦合分析和多目标优化，我们提出了分层设计策略
CRediT作者贡献声明
Yingying Wang：监督、资金获取。
Hanyu Jiang：撰写——原始草稿、验证、调查。
Gang Wang：监督。
Tao Ma：验证、监督。
Dengjia Wang：撰写——审稿与编辑、资源、方法论、资金获取。
Xuan Song：撰写——原始草稿、可视化、方法论、正式分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划项目（2025YFE0106400）、国家自然科学基金（U24A20161、52322801）、陕西省自然科学基础研究计划重点项目（2025SYS-SYSZD-114）以及西藏自治区重点研发与转型专项（XZ202501ZY0121）的支持。
