《Journal of Building Engineering》：A Phase-Change-Cooled, Naturally Ventilated Photovoltaic–Thermal Colored Fa?ade for Hot-Arid Residential Envelopes
编辑推荐：
本研究提出一种集成彩色建筑一体化光伏（BIPV）、自然通风腔体和石蜡相变材料（PCM）的幕墙系统，通过多季节全尺寸实验与多物理场模拟（OpenFOAM-Abaqus-EnergyPlus），验证其在高温干旱气候下降低光伏组件温度（9.0°C）、提升发电量（7.4%）及减少结构应力的综合效益。通过贝叶斯标定将测量与参数不确定度传导至建筑级KPI，为住宅建筑光伏幕墙设计提供决策依据。
Faizah Mohammed Bashir | Nadia Hasen Rassas | Haifa Youssef Hamdoun | Zahra Andleeb | Ibtihaj Saad Rashed Alsadun | Yakubu Aminu Dodo | Norhayati Mahyuddin
沙特阿拉伯海勒大学工程学院装饰与室内设计工程系，海勒 55427
摘要
在炎热干旱的气候条件下，以制冷为主的住宅建筑迫切需要一种能够兼顾建筑色彩与实际热电效率的立面解决方案。目前的彩色光伏组件常常受到热效应的影响，导致效率下降，从而限制了其广泛应用。本研究通过评估一种新型的可建造混合立面系统来克服这一难题，该系统结合了彩色建筑集成光伏（BIPV）、自然通风腔体以及25毫米厚的石蜡相变材料（PCM）层。研究旨在提供高质量的证据，证明这种特定配置如何在热、电和机械性能方面减轻颜色带来的负面影响。研究方法结合了在沙特阿拉伯海勒进行的全尺寸多季节实验和多物理场仿真流程（OpenFOAM–Abaqus–EnergyPlus）。整个流程通过基于ISO/IEC 17025标准的校准方法，将测量数据和参数不确定性转化为建筑尺度的关键性能指标（KPI）。结果表明，与没有PCM的通风型彩色BIPV立面相比，混合PV/T-PCM系统可使模块在中午时的温度降低9.0°C（置信区间：7.1–10.9°C），季节性电能产出提高7.4%（6.1–8.6%），并使固定部件处的峰值拉伸应力降低31%（24–37%）。这些立面层面的改进转化为实际建筑效益：年制冷能耗减少10.8 kWh/m2·年（8.2–13.1 kWh/m2·年），峰值制冷需求降低12.6 W/m2（9.4–15.5 W/m2），居住者的舒适度提升19%。总体而言，这些发现证实了所提出的系统是一种科学验证的有效方法，可以消除颜色带来的负面影响。这项研究为炎热干旱地区提供了经过验证的设计方案，证明了在不牺牲建筑美观性的前提下，潜热缓冲技术能够有效降低负荷。
引言
建筑物在气候缓解和韧性方面起着关键作用：建筑与施工系统的运营和固有影响约占能源系统排放总量的三分之一，因此建筑围护结构的效率和现场发电能力至关重要[1][2][3]。在沙特阿拉伯等炎热干旱地区，住宅用电需求主要由空间制冷需求驱动，且峰值负荷与强烈的太阳辐射同步[4]。建筑集成光伏（BIPV）技术有望同时实现电力供应和减少太阳得热[5][6]，但其普及程度仍受到立面美学、热效应以及建筑尺度效益不确定性的限制[7][8][9]。现代设计指南将BIPV立面视为翻新和新建建筑中实用的脱碳途径[10][11]。
近期关于色彩调优的BIPV研究致力于实现视觉上的无缝集成[12][13][14]，而光伏-热（PV/T）策略则旨在通过散热来减少温度引起的电能损失并管理建筑围护结构的热流[15]。应用物理学研究量化了颜色亮度与短路电流密度之间的权衡关系，探讨了多层结构与玻璃粗糙度对光谱透射率的影响[16][17]；实验还表明，即使满足美学要求，颜料吸收层也可能提高组件工作温度[18]。早期的立面研究主要关注在立面相关角度下颜色/图案效果的影响[19][20][21][22]，并将颜色机制、亮度和显色度作为首要的设计变量[23]。在主动覆层背后的自然通风腔体能够有效降低组件温度和墙体热流，在强浮力作用下其动态隔热性能远超静态R值[18][24]；几何形状和开口设计可以调节热量排放，甚至可以实现热电转换[25]，这一点已通过全尺寸实验和计算流体动力学（CFD）模拟得到验证[26][27]。
为了进一步增强这种对流冷却效果，选择了含有相变材料（PCM）的BIPV/T系统，因为它们能够在住宅立面的有限深度内提供高密度的潜热存储。PCM层在准等温相变温度下吸收太阳热量，从而缓冲峰值热负荷并延缓热量释放[28][29][30]。定量实验证明了这一机制的有效性：Hasan等人[31]在阿联酋炎热干旱地区的研究显示，使用PCM后模块温度降低了13°C，同时年电能产出增加了5.9%；El-Nagar等人[32]使用石蜡基PCM使模块温度降低了18.1°C，而使用碳泡沫复合材料时降低了22.94°C，电能产出提高了12.6%；Sharma等人[33]在实际天气条件下记录了6.9–9.3%的温度降低；?urpek和?ekon[20]发现BiPV立面的温度降低了10–14 K，同时峰值电能输出提高了4.3%至4.8%。更广泛的研究证实，PV/T-PCM系统的电能效率提高了7–14%[34][35]，整体系统效率提高了13–28%[36][37]，建筑尺度上的PCM集成可节省15–50%的能源[38]。综述指出，匹配气候条件的熔化范围（通常为36–43°C）和热交换设计对于实现这些效益至关重要[39][40]。最新研究进一步验证了这些优势，表明先进的鳍片配置[41]和优化的潜热存储设计[42]能够提升被动冷却系统的性能。
虽然已有研究强调了立面系统的舒适性和节能潜力[43]，但目前关于炎热干旱地区热质耦合建模的分析仍存在明显不足，尤其是在缺乏多季节实地校准的情况下[20][44]。尽管近期研究支持PV/T-PCM[45]和双面/背面反照率策略[46][47]作为有效的集成方案，但这些研究大多缺乏针对住宅应用所需的详细美学-热-电权衡分析。具体而言，现有文献普遍认为组件温度是影响BIPV性能的关键因素，但尚未提供关于彩色光学材料在极端太阳辐射条件下与通风和潜热存储相互作用的高质量证据[48][49][50]。关于沙漠污染条件下的耐久性、未经校准的CFD/FEM模型的准确性以及缺乏一致的建筑尺度关键性能指标（KPI）的问题仍存在争议，这正是本研究进行实地校准和不确定性分析的直接动因[51]。
表1a总结了近期相关研究方向，包括彩色光学/图案、通风腔体、BIPV/T-PCM以及双面/背面反照率技术，重点介绍了适用于炎热干旱地区住宅应用的配置、研究重点、评估指标和局限性。
尽管取得了一定进展，但仍存在三个主要问题：（1）在实际运行条件下，美学-热-电耦合的量化分析不够完善，许多研究仅停留在光谱/组件尺度层面，未能将其转化为模块温度、墙体热流和建筑能耗的指标[63][64]；（2）关于以制冷为主导的住宅建筑的PV/T-PCM系统的实地校准数据有限，多个月度校准和一致的关键性能指标仍然不足[67][68]；（3）缺乏适用于炎热干旱地区的建筑尺度关键性能指标（如年制冷能耗、峰值需求、舒适度提升和墙体热流），且这些指标的测量结果存在不确定性及重复性问题[69][70]。
本研究通过开发一种可建造的、色彩调优的、自然通风的PV/T立面系统（集成PCM）来弥补这些不足，将这一干预措施视为适用于炎热干旱地区住宅建筑围护结构的综合工程解决方案。虽然彩色BIPV对住宅建筑的普及至关重要，但吸收性颜料会升高组件温度；为解决这一矛盾，本研究优化了通风设计，并通过添加PCM来缓解峰值负荷并调整热量释放时间，以适应下午的冷却高峰[71][72][73]。在方法论上，本研究通过全尺寸多季节实验与CFD-FEM-建筑能耗仿真相结合，并结合贝叶斯校准（No-U-Turn Sampler (NUTS)方法，将不确定性透明地转化为建筑尺度的关键性能指标[74]。
因此，本研究的主要目标是提供高质量的证据，证明将色彩调优的BIPV集成到炎热干旱地区住宅建筑中的可行性。具体研究目标包括：（i）在全尺寸条件下量化颜色机制（反射型 vs. 吸收型）和通风对组件温度、墙体热流及光伏发电量的影响；（ii）设计并测试一种适用于80–100毫米厚腔体的PV/T-PCM改造方案，选择合适的PCM熔化范围和集成细节以缓解午后负荷；（iii）利用多个月度数据校准CFD-FEM-BES仿真流程，估算年制冷能耗、峰值制冷需求、舒适度提升及固定部件应力；（iv）提供适用于住宅建筑工程应用的标准化设计参数（如开放面积比例、腔体深度、PCM材料属性）和质量保证方案。
研究地点、组件、仪器及质量保证
测量工作在沙特阿拉伯海勒大学进行（北纬27.52°，东经41.69°；海拔约1,000米）。南向立面朝向一个平坦、高反照率的庭院，该地区属于炎热干旱气候。监测周期覆盖两个冷却季节（4月至10月）。一个面积为42平方米的受控测试舱（天花板高度2.8米）提供了室内边界条件；不透明的参考墙采用常见的沙特建筑材料建造，密度为200千克/立方米，隔热层为50毫米厚的挤塑聚苯乙烯（XPS）。
数据完整性、质量保证及气象背景
为了描述两个冷却季节的气象条件，并比较同时运行的不同立面效果，我们编制了室外边界条件的四面板诊断数据，如图3所示。图3a展示了选定“可比”日子（POA > 400 W/m2且持续时间≥6小时，风速< 6 m/s）的平面阵列（POA）辐照度分布。图3b显示了环境温度的日变化情况（中位数和四分位数范围）。
讨论
本研究证明，在自然通风且色彩调优的BIPV/T立面中集成PCM可以同时提升电能性能、降低热机械应力，并减少建筑物的制冷需求。与仅采用通风型彩色BIPV立面相比，混合系统可使模块在中午时的温度降低约9°C，季节性电能产出提高7–8%（见表6），表明颜色带来的温度损失可以被有效抵消。
结论
本研究提出了一种经过验证的设计方案，有效解决了住宅BIPV领域的一个关键工程难题：即建筑色彩与热电效率之间的矛盾。通过实验验证了一种可建造的混合立面系统，该系统结合了自然通风腔体和相变材料（PCM）缓冲层，证明在炎热干旱气候条件下，颜色带来的效率损失可以被有效缓解。
CRediT作者贡献声明
Norhayati Mahyuddin： 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、软件选型、资源协调、方法论制定、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构思。
Ibtihaj Saad Rashed Alsadun： 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、软件选型、资源协调、方法论制定、研究实施、资金筹集、数据分析
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，作者使用了ChatGPT工具来提升文本的可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对出版物的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了沙特阿拉伯海勒大学科学研究部的资助，项目编号为RG-25 032。
