薄膜光伏幕墻結(jié)構(gòu)及節(jié)能性能分析

摘 要

摘要：介紹了薄膜光伏幕墻的結(jié)構(gòu)、節(jié)能率計(jì)算。選定北京、上海、廣州，在夏季氣候條件下，對(duì)結(jié)合薄膜光伏組件的非節(jié)能墻體、節(jié)能墻體的節(jié)能率進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)合薄膜光伏組件的非
摘要：介紹了薄膜光伏幕墻的結(jié)構(gòu)、節(jié)能率計(jì)算。選定北京、上海、廣州，在夏季氣候條件下，對(duì)結(jié)合薄膜光伏組件的非節(jié)能墻體、節(jié)能墻體的節(jié)能率進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)合薄膜光伏組件的非節(jié)能墻體，節(jié)能率可達(dá)72%；結(jié)合薄膜光伏組件的節(jié)能墻體，節(jié)能率可達(dá)34%。
關(guān)鍵詞：薄膜光伏幕墻；薄膜光伏組件；節(jié)能墻體；非節(jié)能墻體；節(jié)能率
Structure and Energy-saving Analysis of Thin-film Photovoltaic Curtain Wall
ZHANG Jun-mei，ZHENG Xin-min，LV Jian，DOU Xiao-qiu，YU Bin
Abstract：The structure and the calculation of energy-saving rate of thin-film photovoltaic curtain wall are introduced. Under the summer climate conditions in Beijing，Shanghai and Guangzhou，the energy-saving rates of both non-energy-saving wall and energy-saving wall with thin-film photovoltaic modules are analyzed and calculated. The former has energy-saving rate of 72%，and the latter has energy-saving rate of 34%.
Key words：thin-film photovoltaic curtain wall；thin-film photovoltaic module；energy-saving wall；non-energy-saving wall；energy-saving rate
   薄膜光伏組件與建筑結(jié)合，不僅可作為建筑外窗玻璃、幕墻，還可根據(jù)建筑物整體要求改變顏色與透明度。因此，近年來(lái)薄膜光伏組件與建筑結(jié)合的一體技術(shù)得到迅速發(fā)展。本文結(jié)合夏季工況，對(duì)薄膜光伏組件作為建筑幕墻的結(jié)構(gòu)和節(jié)能性進(jìn)行分析。
1 薄膜光伏幕墻的結(jié)構(gòu)與節(jié)能率計(jì)算
   ① 薄膜光伏幕墻的結(jié)構(gòu)
本文研究的薄膜光伏幕墻是在基礎(chǔ)墻體外部加設(shè)薄膜光伏組件，基礎(chǔ)墻體與薄膜光伏組件中間有空氣夾層。薄膜光伏組件為雙層中空玻璃結(jié)構(gòu)，在內(nèi)層玻璃上鍍膜，外層玻璃為保護(hù)層。薄膜光伏組件與非節(jié)能墻體、節(jié)能墻體結(jié)合的薄膜光伏幕墻(以下分別簡(jiǎn)稱為薄膜光伏幕墻1、2)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、2。薄膜光伏組件的物性參數(shù)見(jiàn)表1，非節(jié)能、節(jié)能墻體的物性參數(shù)見(jiàn)表2、3。
 
    將薄膜光伏組件與墻體之間的空氣層視為純導(dǎo)熱層，這樣薄膜光伏幕墻夏季傳熱過(guò)程可以分為兩部分：幕墻表面的傳熱，包括幕墻內(nèi)外表面與室內(nèi)外環(huán)境以輻射、對(duì)流形式進(jìn)行的傳熱；幕墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳熱，包括幕墻通過(guò)內(nèi)外表面與室內(nèi)外環(huán)境傳熱時(shí)，在幕墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)中以導(dǎo)熱形式進(jìn)行的傳熱
表1 薄膜光伏組件的物性參數(shù)
材料
厚度/mm
熱導(dǎo)率/(W·m-1·K-1)
密度/(kg·m-3)
比定壓熱容/(kJ·kg-1·K-1)
保護(hù)層玻璃
6
0.780
2500.000
0.840
空氣層
10
0.023
1.205
1.005
菠膜層玻璃
8
0.780
2500.000
0.840
表2 非節(jié)能墻體的物性參數(shù)
材料
厚度/mm
熱導(dǎo)率/(W·m-1·K-1)
密度/(kg·m-3)
比定壓熱容/(kJ·kg-1·K-1)
水泥砂漿
20
0.93
1800
1.050
磚墻
240
0.81
1800
0.879
石膏板
12
0.33
1050
1.050
表3 節(jié)能墻體的物性參數(shù)
材料
厚度/mm
熱導(dǎo)率/(W·m-1.K-1)
密度/(kg·m-3)
比定壓熱容
/(kJ·kg-1·K-1)
水泥砂漿
20
0.930
1800
1.050
聚苯乙烯板
80
O.042
30
1.380
泡沫混凝土
160
0.209
600
1.050
石膏板
20
0.330
1050
1.050
    ② 節(jié)能率計(jì)算
    薄膜光伏幕墻的傳熱過(guò)程基于穩(wěn)態(tài)傳熱理論[1]，夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度θo,d的計(jì)算式為：
    θo,d=θo,av+(θo,dr-θo,av)cos(15t-225)   (1)
式中θo,d——夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度，℃
    θo,av——夏季空調(diào)室外計(jì)算平均溫度，℃
    θo,dr——夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度，℃
    t——時(shí)間，h
考慮到太陽(yáng)輻射，夏季空調(diào)室外綜合溫度的計(jì)算式為：
 
式中θc——夏季空調(diào)室外綜合溫度，℃
    ε——薄膜光伏幕墻外表面對(duì)太陽(yáng)輻射的熱吸收率，取0.65
    E——太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度，W/m2
    H——室外空氣與薄膜光伏幕墻外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
根據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱原理有：
 
式中θi——室內(nèi)溫度，℃
    Rtot——薄膜光伏幕墻的總熱阻，m2·K/W
    θj——薄膜光伏幕墻結(jié)構(gòu)中第j個(gè)交界面的溫度，℃
    Ri——薄膜光伏幕墻結(jié)構(gòu)中第i層的熱阻，m2·K/W
結(jié)合薄膜光伏組件后產(chǎn)生的節(jié)能率△η的計(jì)算式為[2]：
 
式中△η——結(jié)合薄膜光伏組件后產(chǎn)生的節(jié)能率
    Фpv——薄膜光伏幕墻的熱流密度，W/m2
    Фb——基礎(chǔ)墻體的熱流密度，W/m2
由式(4)可得：
 
式中Rb——基礎(chǔ)墻體的總熱阻，m2·K/W
    Rpv——薄膜光伏組件和空氣層的熱阻，m2·K/W
2 算例分析
   ① 薄膜光伏幕墻1
   以北京、上海、廣州為例，北京θo,av，取28.6℃，θo,dr，取33.2℃；上海θo,av取30.4℃，θo,av取34℃；廣州θo,av取30.1℃，θo,dr取33.5℃。經(jīng)計(jì)算可得，不同地區(qū)南向薄膜光伏幕墻1與非節(jié)能墻體的熱流密度見(jiàn)圖3。由圖3可知，這3個(gè)地區(qū)墻體熱流密度最高值均出現(xiàn)在12:00左右。經(jīng)計(jì)算可得，對(duì)于這3個(gè)地區(qū)，非節(jié)能墻體結(jié)合薄膜光伏組件后的節(jié)能率可達(dá)72%。
 
   ② 薄膜光伏幕墻2
   經(jīng)計(jì)算可得，不同地區(qū)南向薄膜光伏幕墻2與節(jié)能墻體的熱流密度見(jiàn)圖4。相比薄膜光伏幕墻1，節(jié)能墻體結(jié)合薄膜光伏組件后的節(jié)能率較低，經(jīng)計(jì)算得，節(jié)能率可達(dá)34%。
 
   ③ 節(jié)能率與基礎(chǔ)墻體熱阻關(guān)系
   設(shè)定Rpv=1.323m2·K/W，由式(5)得到△η與Rb的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5。節(jié)能率隨基礎(chǔ)墻體的熱阻增大而降低。
 
3 結(jié)論
    ① 非節(jié)能墻體結(jié)合薄膜光伏組件，節(jié)能率可達(dá)72%。
    ② 節(jié)能墻體結(jié)合薄膜光伏組件，節(jié)能率可達(dá)34%。
    ③ 節(jié)能率隨基礎(chǔ)墻體的熱阻增大而降低。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王金良復(fù)合外墻內(nèi)外保溫的傳熱分析與應(yīng)用探討[J].能源技術(shù)，2004，(6)：250-253.
[2] 楊洪興，周偉.太陽(yáng)能建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.
 
(本文作者：張君美1 鄭新敏1 呂建2 豆小秋2 于彬3 1.天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 天津 300072；2.天津城市建設(shè)學(xué)院能源與機(jī)械工程系 天津 300384；3.天津市筑土建筑設(shè)計(jì)有限公司 天津 300201)