双面光伏百叶空气腔墙系统的光热协同增强：户外实验研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Optical–thermal synergistic enhancement of a bifacial photovoltaic louver air-cavity wall system: An outdoor experimental study

　　

•提出了一种室外测试的双面光伏百叶阳光空气腔墙体系统。
•30°百叶角度在冬季测试中产生了最高的累计光伏输出。
•热学模式、光学模式和热学-光学模式的光伏增益分别为9.40%、19.08%和30.24%。
•光学模式和热学-光学模式使背面光伏输出提高50.96%和59.40%。
•热学-光学模式产生了最高的光伏输出和空气侧热量移除。

引言
随着全球向碳中和的过渡，建筑环境已成为降低能源需求和相关排放的核心领域。建筑运营能耗约占全球最终能源消费的30%，贡献了约26%的能源相关CO?排放[1]，而暖通空调相关负荷仍占建筑总能耗的约38%[2]。因此，通过建筑围护结构降低供暖和制冷需求、改善热环境条件、提高现场可再生能源利用，已成为高性能建筑研究的核心议题[3,4,5]。作为建筑与室外环境之间主要能量交换界面，立面正从被动的保温或遮阳层演变为具备太阳能转换[6,7,8]、热调节[9]、通风控制[10,11]和自适应运行[12,13]的多功能系统。这种转变在屋顶面积有限的密集城市环境中尤为相关，因为立面为太阳能捕获和能量调节提供了重要机遇[14,15,16,17]。

阳光空气腔立面为这一多功能围护结构概念提供了结构基础。这些系统通常由外层透明覆盖层、空气腔、吸热或反射边界以及通风开口组成，通过辐射吸收、气流运动和腔体热量移除的耦合调节立面热交换[18,19,20,21]。与主要设计用于热收集的传统被动式太阳能围护结构不同，现代阳光空气腔立面侧重于太阳能利用与建筑运行之间的协同互动。空气腔提供通风热缓冲，而其内部组件和光学边界重新分配太阳辐射，从而影响光伏输出、表面温度和排气热量传递。在集成光伏组件后，这些立面已成为集发电、遮阳、热管理和通风控制于一体的混合围护结构系统[8,18,21]。

现有综述表明，立面集成的光伏/太阳能一体化（BIPV/T）系统已沿多条技术路线发展，包括空气冷却[22,23]、空间供暖[24]、通风耦合[10,20]、热水加热[25]、相变蓄热[26]和光伏热电墙体[27]。其评估也从单一光伏效率转向光伏温度调节、建筑供暖制冷负荷和运行模式适应性。近期研究进一步表明，阳光立面在不同气候下的性能不仅由光伏组件决定，还受立面构型、腔体组织、光学边界和运行控制的影响[15,28,29]。

对于光伏通风空气腔立面，先前的研究已阐明了腔体构型和通风模式的作用。Tang等开发了单进风和双进风光伏通风幕墙，利用腔体气流进行光伏冷却、新风处理和热回收，与无通风光伏幕墙相比降低了年能耗并减少了光伏过热[30]。Liu等对光伏双层皮立面进行了冬季全尺寸实验，比较了内部循环和热缓冲模式，进一步量化了在增强腔体气流情况下节能效益与风机功耗之间的权衡[31]。Tang等开发了排风式光伏幕墙与空气源热泵结合的系统，表明排风通道可以改善光伏热电性能并支持室外空气处理[32]。Preet等研究了热气候下强制通风光伏双层皮系统，并以光伏透光率、腔深和风速为关键变量，建立了太阳热量增益、发电量和室内照度的经验关联式[33]。这些研究表明，腔体通风不仅是一种冷却措施，而是控制光伏温度、空气侧热量传递和建筑能耗响应的核心运行边界。

对于可调光伏组件，光伏百叶和光伏遮阳装置为阳光空气腔立面引入了额外的运行灵活性。Chen等表明光伏百叶的倾斜角和间距共同影响采光质量和光电转换性能，需要与太阳高度角和季节变化相协调[34]。Bai等通过实验验证了主动式太阳能房屋的光伏百叶模块，揭示了百叶角度、表面反射率和冬季热量利用之间的强耦合关系[35]。Lee和Ito提出了一种气流型光伏遮阳装置，将光伏板与通风太阳能百叶结合，通过上下开口的被动气流降低组件温度而不消耗额外能源，并提高了年净能效[36]。这些研究表明，可调光伏百叶不仅是发电组件，还是调节太阳入射、局部遮阳、通风阻力和热量积聚的动态界面。然而，大多数现有工作集中在单面光伏百叶、开放式遮阳装置或窗集成系统上。对于布置在封闭或半封闭空气腔内的百叶，特别是双面太阳能接收和反射边界下耦合的光学-热学-气流响应，实验证据仍然有限。

双面光伏进一步扩展了阳光空气腔立面中辐射重用的潜力。与单面光伏相比，双面光伏可以利用正面的直接和散射辐射以及来自地面、墙体、反射组件或腔体边界的背面辐照度[37,38,39]。Garrod等表明双面光伏的电学和热学性能对倾斜角、朝向、气候和反射边界条件高度敏感[40]。Assoa等对建筑集成的双面光伏通风立面进行了一年期的实验研究，发现背面反射层、通风构型和组件温度共同影响电学性能和热学行为[38]。Tina等进一步开发了数学模型来评估BIPV立面的电学和热能平衡，在瞬态条件下比较了无通风和通风单面光伏立面、通风双面光伏立面以及带背面反射面的通风双面光伏立面。其仿真结果表明，在所研究的条件下，玻璃-玻璃双面光伏立面比单面BIPV立面获得约5%更高的能量产出[41]。Zhao等研究了一种与建筑外立面集成的双面光伏墙体，高反射率墙面提高了背面发电量，而通风有助于降低建筑热量增益[42]。其他研究也表明，作为围护结构组件的双面光伏对室内热环境和舒适度的影响比单面光伏更为复杂，因为双面吸收和转换同时改变了功率输出、表面温度和围护结构热边界[43]。这些发现表明，双面光伏在立面中的效益并不简单地来自额外的发电面，而是取决于是否能够通过适当的反射边界、安装间距和腔体构型捕获并转换可用的背面辐照度。

尽管关于光伏通风空气腔立面、光伏百叶以及建筑中双面光伏应用的研究已相当广泛，但对于双面光伏百叶在空气腔内作为可旋转太阳能接收组件的系统，室外实验证据仍然有限。首先，大多数现有研究聚焦于固定光伏板、半透明光伏幕墙、常规光伏百叶或开放式双面光伏遮阳系统，对腔体集成的可旋转双面光伏百叶的正/背面功率输出和耦合的电学-热学-气流响应了解不足。其次，双面光伏研究主要涉及外部反射边界或固定安装间距，而双面光伏百叶空气腔系统中的背面输出受侧向太阳入射、百叶角度、阵列遮阳和腔体反射边界的共同影响，因此侧壁光学边界的作用在实验上仍不明确。第三，先前关于光伏空气腔立面的研究大多考虑自然通风或固定边界条件，对机械排风在腔体对流、组件温升和空气侧热量移除中的作用阐发不足。对于双面光伏百叶系统，该边界可能进一步重塑组件冷却、腔体散热和热量积聚之间的耦合关系，这需要室外实验验证。

基于上述差距，本研究开发并实验研究了一种双面光伏百叶阳光空气腔墙体系统。可旋转双面光伏百叶作为腔内核心能量转换组件，通过百叶角度控制正/背面输出分配和热-气流响应。首先确定一个代表性运行角度，然后在统一构型下通过改变侧壁光学边界和排风模式建立四个实验条件，以比较边界增强对正/背面发电、组件温度、空气温升、出口速度和空气侧热量移除能力的影响。

本研究的意义在于，为在空气腔内使用可旋转双面光伏百叶作为主动太阳能接收和能量转换组件提供了室外原型级证据，从而拓展了通风阳光空气腔立面中双面光伏的集成与控制。使用相同原型和可比的室外条件进行对照实验，进一步区分了侧壁光学边界和机械排风的独立和联合作用，阐明了太阳输入、双面光伏发电、腔体热量积聚和空气侧热量传递之间的耦合与权衡。这些发现可以为该系统的边界设计、运行模式选择和性能评估提供指导，并支持未来的多气候模拟、多参数优化和工程规模应用。

系统构型与实验条件
本研究开发了一种双面光伏百叶空气腔墙体系统，如图1所示。系统由前部玻璃覆盖层、顶部和底部通风口、垂直通风空气腔、安装在腔体中间深度的可旋转双面光伏百叶阵列以及内壁衬有高反射率漫射白色薄膜的背板组成。

前部玻璃、背板和封闭的侧向边界共同形成一个边界清晰、角度筛选有效的受保护空气腔。

角度筛选结果
图5展示了角度筛选实验中测试的四个百叶角度，分别为0°、30°、60°和90°，其中0°和90°分别代表完全开启和完全关闭状态。

图6进一步展示了第1次运行测试窗口期间的室外边界条件和不同百叶角度下的入射辐照度。在整个测试期间，倾斜面上的入射辐照度保持稳定的分层分布，60°最高，30°紧随其后，90°和0°最低。

百叶角度的影响
在玻璃侧壁条件下，侧向光传输可增加腔内可用太阳能输入，并改变百叶正面与背面的输出分布。因此，代表性运行角度由测试窗口期间正面和背面输出的平衡决定，而非单一表面的瞬时最优值。这解释了为何60°尽管在中午前后具有更高的正面输出，却未实现最高的累计输出。

结论
本研究实验研究了一种双面光伏百叶空气腔墙体系统。首先确定了一个代表性运行角度，然后在室外排风模式下考察了性能增强效果。引入了两种边界增强措施——玻璃侧壁和机械排风，以评估光学增强、热学增强和热学-光学增强对电学、热学和气流响应的独立和联合作用。

作者贡献声明（CRediT）
周颖佳：论文撰写—初稿、可视化、方法论、概念构思。
王梦梦：论文撰写—初稿、可视化。
向昌应：论文审阅与编辑、监督、项目管理、调查、概念构思。

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