彩色建筑集成光伏/热能（BIPV/T）屋顶系统：实验测试与建模分析

《Solar RRL》：Colored Building-Integrated Photovoltaic/Thermal (BIPV/T) Roof Systems: Experimental Testing and Modelling Insights

彩色建筑一体化光伏/热（BIPV/T）系统在坡屋顶应用中的设计与性能研究。通过实验测试两种颜色（陶土红和灰）对系统热电性能的影响，发现机械通风可将光伏板温度降低13℃，陶土红模块热效率达28.6%，电效率比灰模块高2%。提出适用于该系统的传热关联式，验证了颜色对光反射和温度分布的影响，为建筑光伏一体化设计提供美学与功能平衡的解决方案。

　　本研究探讨了一种基于空气的建筑一体化光伏/热（BIPV/T）系统的设计及其在倾斜屋顶上的性能表现。该系统采用了彩色光伏组件，通过实验测试评估了颜色对系统行为的影响。实验在受控的实验室条件下进行，分别测试了陶土色和灰色两种颜色的光伏模块，发现颜色对系统温度和效率有显著影响。陶土色模块在高温环境下表现稍差，而灰色模块则在温度控制方面更具优势。通过机械通风，光伏模块的温度降低了最高13°C，这表明通风系统在降低模块温度方面发挥了重要作用。实验还显示，陶土色模块的热效率范围为13.9–28.6%，而灰色模块的热效率范围为12.5–27.3%。尽管该系统在热效率方面与以往研究结果相当，但常用的对流热传递相关性未能准确描述该系统的性能，因此提出了一种新的经验公式。这项研究展示了彩色BIPV/T系统在机械通风屋顶组件中能够实现显著的热回收，同时为建筑设计提供了更大的灵活性。彩色BIPV/T系统通过同时产生电能和热能，提升了太阳能建筑包覆的能源效率和经济价值，支持可持续建筑和低碳建设实践。

随着全球城市化进程的加快，超过一半的人口居住在城市，占全球能源消耗的75%和二氧化碳排放的70%。这种趋势促使对清洁能源和本地能源生产的更高需求。建筑一体化光伏（BIPV）系统作为一种能够高效利用空间并实现多样化表面部署的新兴技术，正逐渐受到关注。然而，传统BIPV研究多集中在优化电力输出，忽视了对系统整体性能的综合评估。由于BIPV主要安装在城市环境中，因此其在技术上和美学上都需要良好地融入建筑。建筑和美学质量的概念具有多样性，有些建筑师希望BIPV系统显眼，突出建筑的能源生产功能，而另一些则追求无缝集成，使BIPV组件看起来像传统材料。这种趋势随着BIPV技术的普及而增强，尤其是在具有高建筑或历史价值的建筑中，如文化遗产建筑，通常只允许对原有外观进行最小程度的修改。

彩色BIPV技术的出现为建筑一体化光伏系统提供了更多的设计可能性，不仅能够提升建筑的美观性，还能满足建筑规范要求，从而拓展了城市中光伏安装的潜在区域。然而，彩色光伏组件在性能方面存在挑战，特别是对电气效率的影响。常见的彩色技术包括数字陶瓷印刷、光谱选择性涂层、干涉涂层、有色玻璃、太阳能电池上的抗反射涂层以及光伏活性层的彩色化等。这些技术通过减少照射到光伏电池上的光量来实现颜色效果，从而可能降低电力输出。研究显示，深色模块在标准室内测试条件下表现出更高的效率，而浅色模块则因反射更多太阳光而表现出较低的温度，但电力输出也相应减少。此外，颜色对光伏组件的温度影响显著，尤其是在没有通风的条件下，颜色的选择可能影响模块的热性能。

研究还发现，不同颜色的模块在热性能和温度变化方面表现出不同的特性。例如，陶土色模块的温度通常比灰色模块高，这主要归因于颜色反射率的差异。然而，陶土色模块在热效率方面略优于灰色模块，这表明颜色对系统整体性能有复杂的相互作用。为了应对这些挑战，研究提出了一种新的经验相关性，以更准确地描述该系统的对流热传递特性。这一发现有助于优化热模型，并提升BIPV/T系统的性能预测精度。

此外，研究强调了建筑一体化光伏/热系统在实际应用中的重要性。这些系统不仅能够同时产生电能和热能，还能为建筑物提供额外的热回收功能。例如，通过机械通风系统，可以回收光伏模块产生的热量，用于预热通风空气或作为空气源热泵的热源，从而提高建筑物的能源效率。研究还指出，传统的对流热传递相关性在描述彩色BIPV/T系统时存在不足，因此开发了一种适用于当前系统的新相关性，以更好地理解系统在不同条件下的行为。

研究结果表明，机械通风对于降低光伏模块温度具有显著效果，特别是在高空气流速度下，可以将模块温度降低13°C。陶土色模块的温度变化幅度略高于灰色模块，但两者的热效率均达到可接受的水平。研究还指出，光伏组件的颜色不仅影响其光学性能，还可能对热性能产生深远影响。例如，陶土色模块的热效率在13.9–28.6%之间，而灰色模块的热效率在12.5–27.3%之间。这种差异表明，在设计彩色BIPV/T系统时，需要综合考虑颜色、通风条件以及环境因素，以实现最佳的能源利用和系统性能。

为了进一步评估彩色BIPV/T系统的性能，研究团队在实验室环境中进行了广泛的实验测试，涉及不同颜色、不同倾斜角度、不同空气流速和风速条件下的系统表现。实验结果表明，机械通风可以有效降低模块温度，从而提高电气效率和延长系统寿命。同时，研究还探讨了空气流速对系统性能的影响，发现较高的空气流速通常会带来较低的出口温度，但可能牺牲部分热回收效率。因此，在设计BIPV/T系统时，需要在电气效率和热回收之间找到平衡，以满足建筑物的具体需求。

研究还指出，彩色光伏组件的热性能不仅受颜色本身的影响，还受到安装方式、通风条件以及环境因素的共同作用。例如，在没有通风的条件下，彩色组件可能因反射更多的太阳辐射而表现出较高的温度，这可能影响其整体性能。因此，在实际应用中，需要通过合理的通风设计和系统优化，以最大限度地减少温度对光伏效率的负面影响。

研究的最终目标是为彩色BIPV/T系统提供一个可行的设计方案，并评估其在不同环境条件下的性能表现。通过实验测试，研究团队发现机械通风在降低模块温度方面具有显著优势，而彩色组件的选择则需要根据具体应用场景进行权衡。此外，研究还强调了系统设计的重要性，特别是在确保系统性能与建筑需求相匹配方面。

总的来说，本研究为彩色BIPV/T系统的设计和应用提供了新的见解，展示了其在提升建筑美观性和功能性方面的潜力。同时，研究还指出了现有热传递模型的局限性，并提出了一种新的经验相关性，以更好地描述系统在不同条件下的热行为。未来的研究可以进一步探索如何优化系统设计，提高热回收效率，并验证其在实际建筑环境中的表现。此外，开发更精确的热模型和能量模拟工具，也将有助于更全面地评估彩色BIPV/T系统的性能和应用前景。