用于评估城市住宅阳台太阳能资源潜力及光伏/热泵（PV/T）系统可行性的参数化建模

《Energy and Buildings》：Parametric modelling for evaluating solar resource potential and PV/T system feasibility on urban residential balconies

高密度城市住宅阳台光伏/光热（PV/T）系统开发及性能经济性评估，通过参数建模分析建筑间距、布局及气候对南向阳台太阳能辐射的影响，并建立综合评价框架。研究开发出适用于阳台的PV/T模块，其光热和光电转换效率分别达47.83%和20.58%，优化布局可使年辐射提升70.94%，系统满足家庭42.86%-43.25%的热电需求，LCOH为0.13-0.22元/千瓦时，经济性具气候依赖性。

　　

徐成倩|孙良成|饶云辉|吴晓冉|刘壮|罗希莲

西安交通大学人居与土木工程学院，中国西安710049

摘要

高层住宅建筑中阳台立面的广泛存在为城市太阳能利用提供了可行的途径。然而，实际应用受到城市密度和成本效益的限制。为了解决这些问题，本研究开发了一种适用于立面安装的光伏/热能（PV/T）模块，并利用参数化建模来量化建筑间距、布局和气候分区对南向立面阳台太阳能辐射的不同影响。在此基础上，通过整合系统性能、精细的太阳能辐射数据和家庭热电需求，建立了一个耦合的性能-资源-经济评估框架。结果表明，新型PV/T模块的光热转换效率和光伏转换效率分别达到了47.83%和20.58%。通过优化建筑布局，南向阳台的年太阳能辐射量最多可增加70.94%。阳台接收到的太阳能辐射呈现出明显的垂直梯度，这一现象在较高纬度地区尤为明显，垂直差异可达1.76倍。采用错落有致的建筑布局可以有效缓解这种不均匀的辐射分布。相应的PV/T系统能够满足典型家庭42.86%的热水需求和43.25%的电力需求。此外，该系统的经济性能明显依赖于气候条件，其平准化热成本（LCOH）在0.13至0.22元/千瓦时之间。本研究为立面太阳能资源的精细评估和用户侧分布式PV/T太阳能系统的推广提供了重要的理论参考和实际指导。

引言

城市住宅建筑占总建筑能耗的37.8%[1]。推广太阳能利用是减少能源消耗和碳排放的有效方法[2]。然而，分布式太阳能系统的广泛应用面临关键限制，包括住宅建筑特有的热电复合能源需求特性[3]，以及高密度城市环境中屋顶和立面太阳能潜力的复杂性，这受到多种因素的影响[4]。此外，碎片化的所有权和复杂的管理机制进一步阻碍了太阳能系统在住宅环境中的整合和大规模应用[5]。因此，针对高密度城市住宅建筑的特点制定有针对性的太阳能部署策略对于推进建筑行业的低碳转型具有重要意义[6]。

太阳能技术以多种形式应用于城市建筑中，主要包括光伏（PV）、太阳能热能（ST）系统和光伏/热能（PV/T）混合系统。住宅PV系统的采用和经济可行性在很大程度上取决于国家财政补贴政策和电价框架[7]。Pirker等人在五个欧盟国家进行的比较研究表明，小型住宅PV系统的回收期差异显著，介于4.5至18.59年之间[8]。相比之下，ST系统的性能更容易受到环境因素（如环境温度和季节变化）的影响[9]。Notton等人通过设计一种新型平板太阳能热收集器，成功将热水系统的年太阳能利用率提高了76%[10]。然而，PV和ST技术通常只提供一种形式的能源输出[11]，而住宅能源消耗表现出明显的热电复合特性。热需求（包括生活热水）占总能源消耗的50%以上，而照明和电器等电力负荷则占20%以上[12]。这两种需求共同构成了住宅建筑能源消耗的主要部分，这与PV/T系统同时提供热能和电能的能力相符。

在这种情况下，PV/T系统被认为是提高住宅建筑太阳能综合利用效率的有前景的技术解决方案[13][14]。Kazemian等人针对高密度城市环境开发的评估框架表明，PV/T系统在满足住宅建筑的制冷和热水需求方面表现出优于单一技术系统的整体性能[15]。Han等人在对26个欧洲国家的住宅太阳能系统进行的大规模研究中报告称，PV/T系统可实现高达44.7%的年综合节能率，相应年二氧化碳减排量为1275公斤[16]，显著优于独立的太阳能热系统。然而，大多数现有的PV/T技术采用制冷剂为基础的配置与热泵结合或基于水的设计并配备金属热交换器，这些方案涉及复杂的系统结构和相对较高的初始投资成本[17]，从而阻碍了其广泛应用。

由于安装和维护的便利性，屋顶一直是建筑太阳能资源开发的主要焦点[18]。Saeed Rayegan等人对蒙特利尔的57,000栋建筑进行了模拟分析，发现屋顶光伏（PV）系统的城市规模部署可以满足年度建筑能源需求的27.3%[19]。Mangiante等人分析了德克萨斯州布朗斯维尔的住宅太阳能经济可行性，表明屋顶光伏可以供应年度住宅能源需求的11%[20]。Ni等人开发了一种基于深度学习的算法，估计上海的年度屋顶太阳能辐射潜力可达257,204吉瓦时[21]。然而，在高密度城市环境中，有限的屋顶面积使得收集的太阳能资源难以完全满足建筑的总体能源需求。因此，在建筑立面上开发太阳能资源已成为一个新兴的研究方向。

建筑立面的表面积远大于屋顶，研究表明它们接收到的年总太阳能辐射量可与屋顶相当甚至更大，显示出巨大的开发潜力[18][22][23]。然而，立面上太阳能资源的分布比屋顶更为复杂，因为立面接收到的太阳能辐射受到建筑布局、密度、高度和朝向等因素的显著影响[24]。Alfouly等人开发了一个综合模拟框架，系统地量化了建筑形态参数（如建筑朝向、屋顶坡度和周围障碍物）对建筑屋顶和立面接收到的太阳能辐射的综合影响[25]。Lei等人提出了一个城市规模的评估框架，该框架结合了参数化模拟和优化机器学习模型，在西安的案例研究中表明，建筑表面的光伏潜力可满足城市年电力需求的46.88%[26]。Xu等人研究了窗墙比对立面太阳能资源的影响，确认此类评估比屋顶评估更依赖于详细的建筑信息[27]。然而，当前的研究主要集中在城市或整个立面规模的资源评估上。在垂直立面上，不同高度区域（如每层的阳台）的太阳能资源存在显著差异，上述城市形态因素对这些资源的耦合影响机制尚不清楚。

对于高层住宅建筑，由于所有权碎片化和复杂的管理结构，基于立面的太阳能利用开发仍然有限。相比之下，阳台作为具有明确产权和标准化几何形状的建筑构件，为集成满足住宅热电需求的PV/T系统提供了可行的途径。此外，阳台较大的安装倾角有助于模块的自动清洁[28]，也便于手动冲洗。然而，在关注住宅阳台时，PV/T系统的部署面临特定挑战。垂直或接近垂直的安装会导致较大的太阳入射角，从而显著降低太阳能转换效率[29]。因此，有必要开发适用于阳台应用的PV/T模块，平衡效率和成本，并在实际运行条件下建立性能和经济评估方法。

本研究针对城市住宅阳台应用，开发了一种新型PV/T模块和系统。利用参数化建模方法，量化了建筑间距、街区布局和气候分区对不同高度立面（即每层的阳台）太阳能资源的影响。在此基础上，将精细的辐射数据与PV/T系统性能和典型住宅热电需求相结合，全面评估系统在实际条件下的能源贡献和经济可行性。研究结果为城市住宅建筑中用户侧分布式PV/T系统的部署提供了技术支持。本研究的主要贡献如下：

•

开发了适应阳台场景的PV/T模块，能够在各种安装倾角下保持高转换效率，同时提供热水和电力生产，并具有良好的经济性能，从而解决了建筑立面安装中效率和成本平衡的挑战。

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开发了一种住宅阳台太阳能资源评估模型，系统分析了不同高度立面（阳台）的太阳能资源变化，并综合考虑了多种影响因素，实现了精细评估。通过整合系统性能、详细资源数据和家庭能源需求，进一步量化了系统的能源贡献和经济效益。

方法与材料

本研究主要分为三个部分，整体框架如图1所示。首先，开发了一种适用于城市住宅阳台场景的新型PV/T模块，并系统研究了安装倾角、室外空气温度和流量对其性能的影响。其次，基于参数化建模方法，分析了建筑间距、街区布局和气候分区对南向立面太阳能资源的影响

结果与讨论

为了解决PV/T系统在接近垂直立面安装下的效率限制和高成本问题，本研究开发了一种新型PV/T模块。同时，构建了一个参数化评估模型，以精细评估建筑立面（阳台）的太阳能潜力。然后，将组件性能、资源评估结果和典型住宅热电需求相结合，系统分析了系统的能源贡献和经济性

经济分析

本研究的经济分析基于平准化热成本（LCOH），考虑了系统的投资成本、运营成本和维护成本。在分析中，总能源的平准化成本以等效热能的形式进行评估，其中实际热能输出是产生的热能和从电能转换而来的等效热能之和。热能到电能的转换因子为0.55

结论

本研究通过开发专用的PV/T模块、构建参数模型和建立耦合评估框架，解决了住宅建筑阳台上的太阳能利用问题。评估了在住宅建筑中实施基于阳台的PV/T太阳能系统的潜力和可行性，为分布式住宅能源自给自足提供了解决方案。主要结论如下：

1.

开发的PV/T太阳能系统

局限性与未来工作

本研究建立了用于评估高层住宅建筑中阳台集成PV/T系统的参数化性能-资源-经济框架。未来的研究将在以下方面进行深入：当前的城市街区模型采用了简化的几何形状以确保通用性，但未来的工作可以纳入立面细节（如阳台深度和平面布局），以提高阳台尺度上辐射评估的准确性；扩展该方法论

作者贡献声明

徐成倩：撰写——原始草稿、方法论、调查、概念化。孙良成：调查、数据整理。饶云辉：调查、数据整理。吴晓冉：调查、数据整理。刘壮：调查。罗希莲：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、调查、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

资金来源

本工作得到了陕西省科学家和工程师团队（2025QCY-KXJ-187）和国家自然科学基金（52078417）的资助。