设计、实验测试以及对一种夏季集成供气空调系统的通风半透明光伏立面的数值分析

《Renewable Energy》：Design, experimental testing, and numerical investigation of a ventilated semi-transparent photovoltaic facade integrated with supply-air conditioning in summer

光伏建筑一体化幕墙与空调节能耦合系统研究。通过双腔通风光伏幕墙（STPV-DSF）回收光伏废热预热空调节入空气，实现光伏发电效率提升与空调能耗降低的协同效应。实验表明STPV-DSF较传统 opaque PV幕墙热效率提升40.1%，废热回收率达966W，空调系统能耗降低18%。东南向幕墙综合性能最优，PMV值控制在-0.7至0.7，PPD不超过11.42%。基于MATLAB开发的动态耦合模型验证误差低于7%。

　　

Suyue Xu|Xinran Wang|Zhiying Song|Yayun Tang|Jie Ji

中国科学技术大学热科学与能源工程系，安徽省合肥市230026

摘要

建筑集成光伏（BIPV）仍面临诸多挑战，如效率有限、废热利用不足以及空调能耗较高。为解决这些问题，本研究提出了一种结合空调送风的通风半透明双层光伏立面（STPV-DSF）系统。建立了一个全尺寸实验平台，并在典型的夏季条件下与不透明光伏立面（OPV）进行了对比测试。结果表明，STPV立面的平均热效率达到了40.1%，最大热回收量为966瓦，比OPV立面高出36.6%。在MATLAB中开发并验证了一个动态电热耦合模型，该模型与实验数据的对比显示Cv(RMSE)值低于7%，证明了其准确性。参数分析表明，将送风旁通比例从0.1增加到0.6可降低光伏组件的温度，并使净能量增益提高18%。朝东南和南方向的立面表现更为均衡。系统运行期间，光伏效率有所提升，同时室内舒适度也保持在可接受范围内（PMV -0.7至0.7；最大PPD ≤ 11.42%）。这些结果展示了STPV-DSF系统在整合BIPV和空调系统方面的潜力，从而支持可持续、节能的建筑设计。

引言

全球能源消耗和碳排放持续增加，给建筑行业带来了巨大压力。建筑物约占全球二氧化碳排放量的34%[1]。根据国际能源署（IEA）的报告，建筑物的运营排放占全球能源相关二氧化碳排放量的26%，其中直接来源占8%，间接来源占18%，后者主要归因于电力和热能需求[2]。在建筑能耗中，供暖、通风和空调（HVAC）系统占总需求的约35-40%，因此成为碳减排的关键目标[3]。

为应对这些挑战，建筑集成光伏（BIPV）作为一种可持续解决方案应运而生，它同时实现了绿色电力生成、建筑围护结构的功能性和建筑美学[4]。与传统的外部光伏安装不同，BIPV系统将光伏电池直接集成到建筑围护结构中，而无需依赖外部安装结构[5]。在保持建筑围护结构基本功能的同时，BIPV技术可以应用于立面、屋顶和窗户，替代传统建筑材料[6]。这种集成不仅提升了建筑美学，还具有显著的节能和减碳潜力[7]。

光伏双层立面（PV-DSF）作为一种复合围护结构系统，集成了发电、热调节和视觉舒适性，既产生了电力，又具有动态适应性，同时缓解了过热问题。典型的PV-DSF由外部立面、内部立面和中间空气腔组成，光伏模块通常集成在外层以实现太阳能发电和遮阳[8]。空气腔不仅引导热量传递，还提供了自然或强制通风，从而降低模块温度并提高电效率[9]。由于其多功能集成，PV-DSF在提高建筑能源效率和室内热舒适度方面具有巨大潜力，因此吸引了越来越多的研究关注，如表1所示。

最近的研究转向了将其与主动建筑能源系统（如空气源热泵（ASHP）、空气处理单元（AHU）和热轮（TW）的集成。这种集成旨在实现废热回收、空气预处理以及供暖和制冷负荷的协调调节[16]。如表2所示，这些研究突显了PV-DSF作为耦合建筑能源接口单元的巨大潜力。

尽管PV-DSF在发电、通风和能源优化方面的研究取得了进展[20]，但大多数研究仍集中在电效率、热负荷减少和能源需求重构上。相比之下，对于PV-DSF与建筑热源系统在主动送风调节和室内热管理方面的协同潜力关注较少。现有的BIPV/T–HVAC集成主要侧重于热泵辅助和冬季新鲜空气预热/供暖[21]、[22]。关于夏季除湿后送风的再加热需求的研究仍然很少，尽管这一过程占实际空调能耗的很大一部分[23]。在许多实际系统中，接近露点的除湿后送风要么直接送入房间，要么通过电加热器重新加热。此外，大多数PV-DSF研究依赖于稳态或半经验模拟方法，缺乏在真实送风条件下的动态响应特性研究[24]。虽然热电耦合框架相对成熟[25]，但很少有研究考虑PV-DSF与送风参数（风速、温度、再加热负荷）之间的耦合。因此，与空调系统集成的光伏立面的多能源协同作用尚未得到充分量化[26]。

传统的BIPV和空调系统面临挑战，包括由于过热导致的光伏电效率低下、功能主要限于发电，以及在送风再加热部分的高能耗或省略再加热时舒适度降低[27]。为解决这些问题，我们之前的工作提出了一种与送风再加热协同工作的通风半透明光伏墙（STPV-W）[26]。在此基础上，本研究设计并构建了一个将STPV-DSF与空气处理单元结合的全尺寸原型。在所提出的设计中，除湿后的低温送风通过光伏立面腔体，同时冷却光伏模块并再加热送风，从而减少了空调单元的再加热需求。该系统通过废热回收实现了发电、通风冷却和送风再加热的集成，建立了光伏立面与空调系统之间的多能源协同作用。

本研究的主要创新如下：（1）不同于独立运行的BIPV系统，开发了一种与空调结合的新型STPV-DSF系统，集成了发电、通风冷却和废热回收。该系统利用光伏废热再加热除湿后的低温送风，实现了光伏冷却、HVAC效率和整体建筑能源性能的协同提升。（2）与仅限于实验室规模或单模块测试的先前研究不同，建立了一个集成空气处理单元的模块化室外设施。在真实运行条件下对STPV和不透明光伏立面（OPV）系统进行了对比实验，为所提出的概念提供了工程级别的验证。（3）除了稳态方法外，还开发了动态电热耦合模型和全面的性能评估方法，以捕捉系统对室外条件的动态响应；该模型经过现场测量校准和验证，能够可靠地预测性能。

本文详细介绍了系统的配置和工作原理。提出了耦合建模方法和评估方法，并使用实验平台进行了验证。对STPV和OPV立面进行了对比分析，评估了通过立面通道的送风比例和立面朝向的影响。这项工作将概念设计转化为全尺寸工程示范，为光伏和空调系统的深度集成提供了实验证据和实际指导，对实际建筑应用具有重大意义。

配置和工作原理

PV-DSF由外部半透明铜铟镓硒（CIGS）光伏玻璃、中间通风空气通道和内部透明玻璃组成。CIGS薄膜光伏玻璃可以制成半透明形式，允许可见光透过同时保持有用的功率输出。它们具有较低的温度系数，在低辐照度条件下表现良好，颜色均匀，特别适合集成到

电热建模

为了全面分析系统性能，开发了一个耦合的电热模型。该模型包括太阳辐射入射和传输、电力生成以及多层之间的热传递，包括光伏玻璃、通风空气腔、透明玻璃、墙壁和室内空气。为了降低计算复杂性和提高效率，做出了以下假设：

• 1.
  通过墙壁的热传递被简化为一维

模型验证

为了验证理论模型的准确性，将数值预测与相应的实验测量结果进行了比较。根据美国供暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）的标准，选择均方根误差的变异系数（Cv(RMSE）作为评估指标[42]。Cv(RMSE)反映了预测值和测量值之间的分散度和相对偏差，从而提供了有效的

结论

本研究设计并构建了一个与空调系统结合的STPV-DSF系统。通过理论建模、数值模拟和全尺寸实验测试，评估了系统的电热性能和室内热舒适度。分析了送风旁通比例和立面朝向对系统性能的影响。主要发现如下：

首先，自主研发的STPV的数值模型

CRediT作者贡献声明

Xinran Wang：调查、数据管理。Zhiying Song：资金获取、正式分析、数据管理。Suyue Xu：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、数据管理。Yayun Tang：撰写——审阅与编辑、验证、软件、方法论、调查、数据管理、概念化。Jie Ji：监督、资金获取

未引用的参考文献

[43], [44]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。