BIPV热通道实验研究与分析

第33卷,总第192期《节能技术》Vol 33 Sum. No. 1922015年7月,第4期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJul.2015,No.4BIPV热通道实验研究与分析陈磊,高军(同济大学机械与能源工程学院,上海201804)摘要:为了研究光伏热通道的传热特性,对光伏建筑一体化建筑(BPV)进行了实验研究。测试包括了通道内空气温度、速度、太阳辐射强度以及环境温度等。通过研究通道内温度场、光伏背板温度以及外墙温度随室外环境参教的变化,分析了热通道的传热特性,结果分析为通道的动态启闭提供了实验数据的攴持。对热压的计算表明上午的通风效果较好,换热系数较大。比较阴天与晴天的热工性能,看出阴天通道通风效果差,热量不能及时排除,并发现太阳辐射对幕墙性能有较大影响。关键词:光伏建筑一体化;热通道;热工性能;实验;温度场;自然通风中图分类号:TM615文献标识码:A文章编号:1002-6339(2015)04-0291-04Experimental Research and Analysis of Heat Channel in BuildingIntegrated Photovoltaic( BIPV)cheN Lei, gao JunSchool of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)odynamic parameter of BIPV channel was carried out. Air temperature, velocity in channel, solar radiation and ambient temperature were tested. Through study on temperature field of air in heat channel, PVbackplane and exterior wall, heat transfer process in heat channel were analyzed. It would provide experimental data support for determining the time to close heat channel. Calculation of hot-press indicatedthat natural ventilation in morming was more intense and heat-transfer coefficient was bigger. The com-parison of thermal performance between sunny day and cloudy day indicated that natural ventilation incloudy day was not very well, so the heat could not be removed in time. It was concluded that solar radiation was important for performance of heat channelKey words: building integrated photovoltaic; heat channel; thermal performance; experiment; temperaturefield: natural ventilation现阶段全球资源日益紧张,人们更多地把眼光放到了太阳能的利用上。太阳能光伏建筑一体化(BIPV)是应用太阳能发电的一种新概念,在建筑围收稿日期2014-0923修订稿日期2015-02-12护结构外表面上铺设光伏阵列提供电力。这样既能基金项目:上海市科委国际合作项目(10`东新区利用太阳能发电又可以减少墙体的得热从而减少空科技发展基金创新资金(PK2012-C13)作者简介陈磊(190-),男,硕士研究生研究方向为厨房调负荷。喊YH中国煤化工CNMHG伟、杨红兴和陈海从不同角度研究了幕墙对空调负荷的影响,发现由于墙体得热造成空调负荷的减少可达到20%2结果及分析以上-3。段征强的研究表明幕墙通风对能量效率通道内沿高度方向上空气温度是不同的,图1有较大的影响“。李玲燕对呼吸式幕墙夹层温度为通道内三个不同高度测点温度分布情况,可以看的影响因素进行了实验研究,研究了通风口开启与出通道温度在中午12:00最高,最高温度可达关闭时、夏季空调开启与关闭、有无遮阳板等不同工45℃,12:00之后由于东向太阳辐射减弱,所以通道况下夹层温度的变化情况,并比较了过渡季与夏季,温度开始下降。三条曲线之间变化趋势一样,且随晴天与阴天的温度变化情况⑤。W.J.Stec通过模着高度增加而升高,最高点与最低点温差在上午拟研究了太阳辐射强度对呼吸式玻璃幕墙温室效应1200以前基本维持在4℃左右,下午温差有所减少的影响°。 Elisabeth gratia研究了通风窗的开启与大概2℃,分析原因可能为上午辐射较强通道内的关闭对幕墙能耗的影响。何芸芸等人对呼吸式流动较快,导致空气与光伏背板的换热较剧烈。观幕墙的性能及节能性进行了相关的实验研究9-。察可知通道温度在下午3:00以前都高于环境温度。可以看出上述研究并没有从横向上对呼吸式幕墙的传热过程进行研究,所以本文主要通过实验研4究BIPⅤ热通道的传热过程和热工特性。由于各地区光照资源以及气温等气象条件的差异,光伏建筑40一体化在不同地区的热工性能不尽相同。本文针对湖南省株洲市的一栋建筑进行了BIPV流通通道热34工性能的实验研究,确立了流通通道内空气、光伏背5m处通道温度板、外墙随环境参数变化的温度分布;通过温度场相10m处通道温度16m处通道温度互关系分析了通道内的热工过程;比较了晴天与阴环境温度天热工性能的差异。20050080011001400170020002001试验介绍图18月13日通道内不同高度温度该建筑是位于湖南省株洲市的一座倒班楼,试随环境温度变化曲线验主要内容是测试典型BPV光伏围护结构系统温度分布,空气流速等热工性能等因素。获取包含光伏组件表面温度、热通道内流体流速和温度、太阳辐射强度、室外大气温度和风速、内外墙体表面温度以及典型房间的室内温度具有建筑光伏一体化特性的热工性能参数。1太阳辐射的测试采用辐射传感器,位于光伏外墙朝东方向上。室外大气温度测试选用pt100温度传感器测试室外大气温度,测点远离建筑围护结构30070011:0015:0019:0023:00外表面和热源1.5m,离地面高度1.5m。通道动态时间风速测试使用高精度风速传感器,传感器布置在通道竖直方向上。BIPⅤ构建的温度测试铜-康铜热图28月13日通道自然通风热压变化曲线电偶,测温精度在0.1℃,其中六个热电偶要紧贴在通道温度热分层以及通道内与室外的温差是自BIPV的光伏背板上,三个热电偶布置在流通通道然通风的主要动力。本实验忽略风压的作用,只考中,测试通道内空气的温度值,测点距地面位置分别虑烟囱效应,烟囱效应形成的上下压力差可以通过为5m、10m、16m。三个热电偶布置在外墙外表面下式计算的测试单元的中心处,采集外墙外表面的温度值,测273+T2点分别位于五层、三层、两层外墙表面中心处。一个Ap=△pgH=△g(273+7热电偶位于测试单元第三层的典型房间的外墙内表式中中国煤化工面,热电偶位于该测试单元墙体中心线。9.81m/s2CNMHG292·H上下开口高度/m;峰值的时间,预计是因为通道此时热压较大自然通T1—通道外空气温度/℃;风良好,带走了背板热量。12:30左右的一段时间T2—通道内空气平均温度/℃。内背板温度衰减很快,但日照辐射处于峰值阶段,此通过计算可知,最大热压可达4.18Pa,从下午时发电效率会较高。6:00开始热压为负,如图2所示,说明从此刻开始在白天热量从室外通过背板传到通道内,其温通道内平均温度小于通道外温度,若此时开启通道,度场存在相关关系,图4反应了幕墙通道内的传热通道内的流动方向将从上向下,此时会把通道外的过程。背板与通道内的温差从上午一直增大,上午热量带到通道内从而增加了空调负荷。值得注意的10:00~11:00达到最大12℃,此时的通道与环境的是从晚上11:00开始,热压变为正值,主要原因是环温差也最大,达到4℃,可见此时通道内空气的排热境温度降低的较快,而通道温度减小较慢。注意热量最大,通风效果最好。晚上11:00到第二天6:00压的变化进而动态响应通道的启闭有助于排热之前通道温度将一直高于背板温度,热流密度方向节能。与白天相反。36日照温残环境温度日照强度一背板32-4通道平均温度800500400322轴25008m11m14m17mxm2m205m80114m1702m20图59月12日背板平均温度、通道平均图38月13日光伏背板不同高度温度温度随环境参数变化曲线及太阳辐射的变化曲线l000均温度强度出6004200食20508①1114m01702002m时间70900110130150017m0190图48月13日背板平均温度、通道平均图68月13日光伏背板与通道内空气温度随环境参数变化曲线对流换热系数变化曲线背板温度在全天的分布情况变化较大,并且不空气流过太阳能电池背板背面时的对流换热系同测点温差较小。图3所示为三个不同测点的光伏数可由下式计算12背板温度,测点1、2、3分别位于2楼、3楼和5楼h=1.247[(T-T)cos]+2.6587(2)光伏背板温度从6:00开始上升并且温度增高速度式中T—平板背面温度/℃较快,下午速度缓慢降低。背板温度在一天之内变T通道空气温度/℃化比较大,最低温度28℃,最高可达54℃,最高温度B当地纬度+10°;出现在10:00左右,背板温度一天有11h处于40℃空气的流速/ms以上,夜间温度比较稳定维持在30℃左右。值得注实验测中国煤化工速为1.58m/s,意的是背板温度达到峰值的时间早于太阳辐射达到最大速度可CNMHG对流换热系数293时间分布如图6。可知上午9:00到下午4:00时间不同天气情况下呼吸幕墙的性能是不一样的,段内传热系数较大最大传热系数可达67W/m2℃,图4和图5分别为8月13日与9月21日两天的背这段时间内的平均传热系数为6.28W/m2℃。上板温度以及通道内空气温度一天内的变化情况。8午的传热系数较大是因为通道内外温差较大,“烟月13日为晴天,太阳辐射强度最高达930W/m2,气囱效应”明显,下午的传热系数也在较高水平,查看温条件为28~39℃,9月12日为阴天,气温条件为气象参数可能是由于环境风速较大形成的风压增强21-28℃,太阳辐射强度最高达616W/m2。图5中了对流换热。光伏背板最高温度35℃,通道空气最高温度29℃通道平均温度通道与空气最大温差7℃左右,比晴天的12℃小很外墙外表面温度外墙内表面温度多,比较两幅图可以发现晴天背板的最高温度出现的时间早,通过其他天数据的观察,晴天背板最高温38,A▲▲度一般出现在9:30到10:00,阴天背板最高温度般出现在12:30以后。通过观察通道内外空气的温差可以看出阴天温差小,晴天温差大,造成晴天的烟囱效应比阴天好,所以背板被有效排热,温度峰值出现的快。3025080114m170020比较图7和8可知三条曲线的变化趋势一致,时间阴天外墙最高温度27℃,不同之处在于阴天通风排图78月13日外墙内外表面温度及通道平均温度变化曲线热差,热量储存在通道内的光伏背板与外墙上,所以整个变化趋势相比较晴天要滞后一段时间。为了消除两天环境温度的不同对通道温度比较墙内表面温度的影响,消除环境温差的影响即把环境温差加到9月13日通道平均温度、背板平均温度、外墙外表面65422温度上,只观察太阳辐射对通道的热工性能的影响。通过计算可知在上午7:00到下午3:00这段辐射较强的时间段内,消除环境温度影响后晴天与阴天各温差分布情况如表1。可见消除温度的影响,太阳辐射对光伏通道的热工性能有较大的影响,会使得25m8m1101401702m2m0通道内的温度升高,这段时间内晴天比阴天背板平时间均温度高6.64℃,通道平均高2.37℃,外墙外表面图89月12日外墙内外表面温度及通道平均温度变化曲线平均高244℃。表1不同时刻背板温差、通道温差、外墙内外表面温差时间9:001012:0013:0014:00背板温差/℃7.2316.768.970.530.690.55通道温差/℃2.225.394.353.490.180.960.040.74外墙外表面温差/℃1.822.233.053.544.082.013结论较大,上午9:00到下午4:00这段时间内平均对流换热系数达6.28W/m3·℃。比较通道温度与外墙通过对实验数据的整理分析得出了以下结论:温度的变化趋势可以看出,外墙温度变化主要受通(1)确立了通道内温度场、背板温度以及外墙道温度场的影响,下午2:00过后外墙温度将高于通温度随室外环境参数的变化过程,通道内的温度随道温度,建议开启通道降温排热。高度升高而增加,背板温度比较稳定。计算了典型(3)选取了晴天与阴天这两天作为比较对象,夏季晴天通道内自然通风的热压变化情况,可知上考察不同天气BPV的热工差异,看出阴天通道内午8:00到11:00这段时间通风效果良好。外的空气温差小通风排热差,热量储存在背板与外(2)通过分析背板温度与通道温度的关系,由墙中导致温中国煤化工的影响,可以于存在对流换热通道内空气温度受背板温度的影响CNMHG下转第302页)16.7%。接地模块和电解地极的降阻效果一般,这导电混凝土的导电性能。是由于接地模块和电解地极实质上是起到垂直接地(2)以新型碳纤维导电材料为主,辅以其它材的作用,而垂直接地的效果分析表明,增加垂直接地料的复合型导电混凝土其导电性能要远高于石墨型体,对降低地网的接地电阻作用较小。因此,电解地导电混凝土而且性能更稳定。极要与其他降阻材料组合使用,才能提高降阻的(3)根据对比试验的结果,无论导电性能和环效果。保性能新型导电混凝土都是非常理想的降阻剂材衰4降阻材料效果对比试验结果料,可完全取代传统降阻剂用于接地系统中。材料接地电阻/n(4)复合材料导电混凝土的所有材料均不含有电解地极接地模块降阻剂邴阻水新型环保对环境有害的物质绿色环保。泥柱导电混凝土参考文献第1次测量2.422.561.762.081.98[1]蒋正武孙振平,王新友导电混凝土技术[J].混凝第2次测量2.442.561.782.101.98土,20009):55-58第3次测量2.452.571.772.08平均值2.42.561.772.09[2]王纯高接地电阻测量与三维地网[电网与清洁水平地网初值2.74742.512.51能源,2012,28(12):51-56降低率[%]10.96.629.516.7[3]孙建刚杨伟东张斌基于均匀试验的碳纤维混凝本文所研制的复合材料导电混凝土不仅在导电土导电性研究[J].大连民族学院学报,2007(1):20-23[4]陈兵,吴科如姚武纤维增强混凝土导电性能的研性上完全达到甚至超过很多降阻剂材料(降阻剂国究与应用U]混凝土,20027):23-27家标准为电阻率小于5m,本文研制的复合材料[5]李广军郑秀梅王彬碳纤维混凝土导电性能试验导电混凝土电阻率小于059m。同时,最大的优研究[J佳木斯大学学报:自然科学版,2003):457-459势在于绿色环保,其中的所有材料均不含有对环境[6]汪绯,王学军钢纤维混凝土桩的节能效果分析有害的物质。在国家大力推广绿色环保政策的今J]节能技术,19(6):13-15.7]史延田,张俊才廉璟冲,石墨导电混凝土的制备与天,这尤为难能可贵。由于混凝土自身的凝固特点,性能[].黑龙江科技大学学报,2014(5):503-506在土壤中不会随时间而流失,对接地体不仅没有腐[8]史建华赵建国赵仁,等导电水泥复合材料接地模蚀作用而且还有保护作用,能长时间稳定的起到降块的制备及性能研究[中北大学学报014(2):157-160阻作用,也降低了后期使用和维护的成本,是一种非[9]邓宗才,付建斐,刘岩碳纤维导电混凝土电热性能常理想的绿色环保型的降阻材料。的有限元分析及试验研究[JJ.混凝土,2013(12):63-6[10]Xin Tian, HuHu. Test and Study on Electrical Proper3结论ty of Conductive Concrete. Procedia Earth and Planetary Sci-ence,2012(5):83-87中,通过不断调整材料配比改进工艺获取了丰富 onductive concrete for heating using steel be Electrical在对新型环保导电混凝土的研制和探索过程11] Zuofu Hou, Zhuoqiu Li, Jianjun We的数据,通过工程试验研究获得了满意的结果。[J]. Joumal of Wuhan University of Technology- Mater. Sci.Ed,2010,25(3):523-526.(1)含碳量高且细度高的鳞片石墨有利于提高(上接第294页)[5]李玲燕呼吸式玻璃幕墙夹层温度影响因素的研究看出太阳辐射对通道内的温度场影响较大,使得背D].天津:天津大学,208板温度平均比阴天髙6.64℃,通道温度平均高6]W. J. Stec, A. H. C. van Paassen, A. Maziarz, Model-ing the double skin facade with plants[ J]. Energy and Build2.37℃。ings,2005(37):419-427参考文献7]Elisabeth Gratia, Andre'De Herde, Greenhouse effect[何伟季杰光伏光热建筑一体化对建筑节能影响 in double- skin facade]. Energy and buildin,200(39的理论研究[J]暖通空调Hv&C,2003,33(6):8-11199-211[2]杨洪兴,季杰BPV对建筑墙体得热影响的研究8]何芸芸通风双层玻璃幕墙热工测试与节能分析[冂].太阳能学报,1999,20(3):270-273.[D]南京南京理工大学,2010[3]陈海,姜清海,等太阳辐射作用下双层玻璃幕墙热[9]王强双层玻璃幕墙节能效果实验研究[]新型建通道的节能计算与实验研究[J]中山大学学报:自然科学筑材料,2006,30(7):70-72版,2006,45(6):35-39[10]胡场血本通团破璃幕墙的节能测[4]段征强光伏热系统的实验与模拟研究[D]天津试及改进方中国煤化工60-63.天津大学,2006CNMHG