关于关键热参数计算方法的研究以及不同气候区域下立面BIPV组件热性能差异的探讨

《Renewable Energy》：Research on the Calculation Method of Key Thermal Parameters and the Thermal Performance Differences in Different Climate Zones of the Facade BIPV Component

量化建筑光伏一体化（BIPV）组件热性能，提出等效附加热阻（ΔR_BIPV）和等效热传导系数（K_BIPV）计算方法，分析中国五大气候区（严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和）的ΔR_BIPV差异，并与《建筑热工设计规范》K_limit限值对比，提出外墙保温层减薄策略。研究发现，严寒和寒冷区可分别减薄42mm和39mm保温层，而夏热冬冷、夏热冬暖及温和区无需额外保温。

　　

雷曲|邓家旺|刘彦峰|邓行真|王白超|宋轩|范建华

西安建筑科技大学建筑服务科学与工程学院，中国西安市雁塔路13号，710055

摘要

在实际工程应用中评估外墙BIPV组件的热性能仍然是一个挑战。为了量化其热效应的影响，本研究提出了等效附加热阻（ΔR_BIPV）和等效传热系数（K_BIPV），以及它们的计算方法。系统分析了中国五个气候区（包括严寒区、寒冷区、炎热夏季和寒冷冬季区、炎热夏季和温暖冬季区以及温和气候区）之间ΔR_BIPV的差异。进一步将这五个气候区的K_BIPV值与建筑热规范中规定的外墙传热系数限值（K_limit）进行了比较，并基于此比较提出了减少外墙保温厚度的策略。结果表明，这五个气候区的年平均ΔR_BIPV值分别为1.07、1.01、0.98、0.97和1.03 m²·K/W。通过应用外墙BIPV组件，第一区和第二区的外墙保温厚度可以分别减少42毫米和39毫米，而第三区、第四区和第五区则不需要额外的保温层。

引言

随着光伏发电效率的不断提高和成本的持续下降，光伏模块在建筑中的应用受到了越来越多的关注[1]。然而，对于建筑密集的城市来说，仅在屋顶安装光伏模块所提供的发电量远远无法满足建筑巨大的能源需求。因此，设计师们逐渐将注意力转向了尚未得到广泛关注和有效利用的建筑立面[2]。由于BIPV比BAPV具有更高的抗风性和稳定性，因此在安全性要求较高的建筑立面上，BIPV成为了最佳选择[3]。

本研究中应用于建筑立面的光伏模块称为BIPV模块，它由前玻璃、光伏电池和后玻璃组成。将BIPV模块与建筑立面墙结合形成的围护结构类型被定义为立面BIPV组件。立面BIPV组件的构造原理如下：BIPV模块通常使用连接器连接到建筑立面墙上[4]；在BIPV模块背面和建筑立面墙之间形成空气层；该空气层可以是通风的，也可以是密封的[5]；最后，BIPV模块与建筑墙整体集成。立面BIPV组件的实际工程场景如图1所示。构造图和简化物理模型如图2所示。

然而，立面BIPV组件改变了原有建筑墙的传热过程。当立面BIPV组件不发电时，BIPV模块和空气层可以被视为在原有建筑墙上增加了一个新的围护层。当立面BIPV组件发电时，由于BIPV模块在发电过程中会产生热量[6]，空气层和建筑墙会持续升温。因此，无论立面BIPV组件处于发电状态还是非发电状态，传热方式都会从原来的单一的热传导模式[7]转变为热传导、对流和辐射的共存。这不仅会导致建筑立面围护结构的热性能发生变化，还可能与中国建筑规范中规定的热性能参数限值产生冲突。

现有研究广泛探讨了基于不同建筑类型或应用气候背景下的BIPV的发电潜力和建筑节能效果。Zomer等人[8]分析了巴西两个机场的BIPV系统的峰值安装容量和发电密度。George等人[9]模拟了办公楼在冬季和夏季的BIPV屋顶的发电输出以及相应的制冷和制热能耗节省情况。刘等人[10]系统评估了海南省办公楼、酒店、商业建筑和高层住宅建筑中BIPV模块的节能潜力和负荷匹配性能。Vassiliades[11]评估了地中海气候下单户住宅中BIPV系统对各种能耗的改善效果。傅等人[12]比较了中国不同气候区高层办公楼中BIPV幕墙的节能潜力。

另一类研究关注运行条件和改进措施对BIPV系统性能的影响。Clarissa[13]分析了非理想倾斜角度和部分遮挡条件下BIPV屋顶的年发电量和性能比。Markus[14]进行了长期实验，比较了不同朝向对BIPV墙体在实际运行中的光伏温度、转换损失和直流性能的影响。曹等人[15]通过实验和数值模型的结合，评估了不同空气层运行模式（如封闭、外部循环和内部循环）下BIPV墙体的传热和输出功率的差异。Ritzen等人[16]评估了背面通风设计对BIPV模块发电能力和光伏温度的改善效果。徐等人[17]开发了相变材料（PCM）与BIPV的集成，并测试了PCM的热储存对BIPV的电气转换效率和热性能的改善效果。

发表在《可再生能源》（Renewable Energy）上的最新研究提高了对立面BIPV热行为和传热特性的理解。阮等人[18]从多物理角度回顾了BIPV的光学、热学和电气模型研究，同时指出了缺乏量化BIPV热贡献的标准化热指标的问题。Kaplanis[19]提出了一个预测模型，用于考虑热效应对表面传热系数影响的立面BIPV的发电输出和光伏温度，但该模型并未扩展到BIPV墙体的整体传热性能。Assoa等人[20]比较了不同模块尺寸和安装方法下立面BIPV的热特性，但未将这些热行为转化为工程化的热参数。傅等人[21]量化了各种因素对立面BIPV热性能和电气性能的耦合效应，但未能提供一个全面的热参数评估框架。宋等人[22]分析了结构参数对BIPV墙体传热性能的影响，但未涉及针对气候差异的热性能评估。

总之，现有研究主要集中在立面BIPV的发电性能或与配置相关的热特性上。尽管这些工作提高了对热行为的理解，但仍缺乏一个标准化的参数系统和计算方法来定量测量BIPV模块引入的整体传热性能的变化。

为了解决上述局限性，本研究引入了等效附加热阻（ΔR_BIPV）和等效传热系数（K_BIPV），并基于热阻网络模型建立了相应的计算方法。通过这种方式，立面BIPV组件的复杂热行为被转化为具有明确物理意义的统一参数，可以直接应用于工程设计。此外，还对中国的五个建筑热设计气候区（严寒区、寒冷区、炎热夏季和寒冷冬季区、炎热夏季和温暖冬季区以及温和气候区）进行了ΔR_BIPV和K_BIPV的详细分析，揭示了ΔR_BIPV和K_BIPV的气候依赖特性。在此基础上，比较了K_BIPV与不同气候区规范中规定的传热系数限值之间的关系，从而提出了相应的建筑外墙保温厚度减少策略。

总体而言，本研究扩展了现有主要关注电气性能或热特性的BIPV研究，将其扩展到热效应的量化以及立面BIPV组件的气候适应性设计。这反映了本研究在构建热参数系统和立面BIPV组件工程适用性设计方面的创新和贡献。

部分摘录

立面BIPV组件的传热过程分析

根据立面BIPV组件的工作原理，其传热过程可以分为运行状态和非运行状态。运行状态是指立面BIPV组件在接收到太阳辐射后同时发电和产热的状态。非运行状态是指立面BIPV组件不发电也不产热的状态。为了简化分析，这里省略了相关细节。

ΔR_BIPV和K_BIPV的计算方法

如前所述，由于立面BIPV组件相当于在原有建筑墙上增加了一个新的围护结构层，因此在本研究中，“等效附加热阻（ΔR_BIPV）”被视为反映立面BIPV组件热性能变化的关键参数。同时，为了便于与建筑热性能规范进行比较，“等效传热系数（K_BIPV）”也被视为关键参数。

仿真模型的构建和求解

首先，基于第3.2节中的运行特性和热平衡方程，提出了一种获取未知过程参数的方法。然后，通过结合第3.3节中的计算方程建立了热参数的仿真计算模型。进一步提出了仿真计算模型的求解方法以获得中间参数。最后，将过程参数代入第3.3节中的方程以获得Δ

验证结果和误差分析

在晴天和阴天条件下进行实验时测量的气象参数被输入到仿真模型中，以获得不同部分的温度、发电量和热流密度的仿真数据。仿真数据、实验数据以及两种条件下的相应误差如图13所示。

如图13-a所示，在晴天条件下，E_output-t和E_output-s之间的δ_output在±3.6%的范围内，平均绝对值为

结论

本研究的主要目标是建立一种计算方法，用于工程应用中定量评估立面BIPV组件的热性能。基于立面BIPV组件的结构和工作原理，构建了等效附加热阻（ΔR_BIPV）和等效传热系数（K_BIPV）的计算方法。分析了五个热工程设计气候区（严寒区、寒冷区……）的ΔR_BIPV差异

CRediT作者贡献声明

王白超：可视化、软件处理。邓行真：可视化、数据调查。范建华：撰写 – 审稿与编辑、监督。宋轩：可视化、数据管理。雷曲：撰写 – 初稿撰写、方法论研究、数据调查、概念化。刘彦峰：监督、项目管理、资金获取。邓家旺：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法论研究、资金获取、概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金[编号：U24A20161]和国家重点研发计划[编号：2022YFC3802705]的联合资助。