薄膜光伏幕墙结构及节能性能分析_工程实践

摘要

摘要：介绍了薄膜光伏幕墙的结构、节能率计算。选定北京、上海、广州，在夏季气候条件下，对结合薄膜光伏组件的非节能墙体、节能墙体的节能率进行分析计算。结合薄膜光伏组件的非

摘要：介绍了薄膜光伏幕墙的结构、节能率计算。选定北京、上海、广州，在夏季气候条件下，对结合薄膜光伏组件的非节能墙体、节能墙体的节能率进行分析计算。结合薄膜光伏组件的非节能墙体，节能率可达72%；结合薄膜光伏组件的节能墙体，节能率可达34%。

关键词：薄膜光伏幕墙；薄膜光伏组件；节能墙体；非节能墙体；节能率

Structure and Energy-saving Analysis of Thin-film Photovoltaic Curtain Wall

ZHANG Jun-mei，ZHENG Xin-min，LV Jian，DOU Xiao-qiu，YU Bin

Abstract：The structure and the calculation of energy-saving rate of thin-film photovoltaic curtain wall are introduced. Under the summer climate conditions in Beijing，Shanghai and Guangzhou，the energy-saving rates of both non-energy-saving wall and energy-saving wall with thin-film photovoltaic modules are analyzed and calculated. The former has energy-saving rate of 72%，and the latter has energy-saving rate of 34%.

Key words：thin-film photovoltaic curtain wall；thin-film photovoltaic module；energy-saving wall；non-energy-saving wall；energy-saving rate

薄膜光伏组件与建筑结合，不仅可作为建筑外窗玻璃、幕墙，还可根据建筑物整体要求改变颜色与透明度。因此，近年来薄膜光伏组件与建筑结合的一体技术得到迅速发展。本文结合夏季工况，对薄膜光伏组件作为建筑幕墙的结构和节能性进行分析。

1 薄膜光伏幕墙的结构与节能率计算

① 薄膜光伏幕墙的结构

本文研究的薄膜光伏幕墙是在基础墙体外部加设薄膜光伏组件，基础墙体与薄膜光伏组件中间有空气夹层。薄膜光伏组件为双层中空玻璃结构，在内层玻璃上镀膜，外层玻璃为保护层。薄膜光伏组件与非节能墙体、节能墙体结合的薄膜光伏幕墙(以下分别简称为薄膜光伏幕墙1、2)的结构见图1、2。薄膜光伏组件的物性参数见表1，非节能、节能墙体的物性参数见表2、3。

将薄膜光伏组件与墙体之间的空气层视为纯导热层，这样薄膜光伏幕墙夏季传热过程可以分为两部分：幕墙表面的传热，包括幕墙内外表面与室内外环境以辐射、对流形式进行的传热；幕墙内部结构的传热，包括幕墙通过内外表面与室内外环境传热时，在幕墙内部结构中以导热形式进行的传热

表1 薄膜光伏组件的物性参数

材料	厚度/mm	热导率/(W·m^-1·K^-1)	密度/(kg·m^-3)	比定压热容/(kJ·kg^-1·K^-1)
保护层玻璃	6	0.780	2500.000	0.840
空气层	10	0.023	1.205	1.005
菠膜层玻璃	8	0.780	2500.000	0.840

表2 非节能墙体的物性参数

材料	厚度/mm	热导率/(W·m^-1·K^-1)	密度/(kg·m^-3)	比定压热容/(kJ·kg^-1·K^-1)
水泥砂浆	20	0.93	1800	1.050
砖墙	240	0.81	1800	0.879
石膏板	12	0.33	1050	1.050

表3 节能墙体的物性参数

材料	厚度/mm	热导率/(W·m-1.K^-1)	密度/(kg·m^-3)	比定压热容 /(kJ·kg^-1·K^-1)
水泥砂浆	20	0.930	1800	1.050
聚苯乙烯板	80	O.042	30	1.380
泡沫混凝土	160	0.209	600	1.050
石膏板	20	0.330	1050	1.050

② 节能率计算

薄膜光伏幕墙的传热过程基于稳态传热理论^[1]，夏季空调室外计算温度θ_o,d的计算式为：

θ_o,d=θ_o,av+(θ_o,dr-θ_o,av)cos(15t-225) (1)

式中θ_o,d——夏季空调室外计算温度，℃

θ_o,av——夏季空调室外计算平均温度，℃

θ_o,dr——夏季空调室外计算干球温度，℃

t——时间，h

考虑到太阳辐射，夏季空调室外综合温度的计算式为：

式中θ_c——夏季空调室外综合温度，℃

ε——薄膜光伏幕墙外表面对太阳辐射的热吸收率，取0.65

E——太阳总辐射强度，W/m²

H——室外空气与薄膜光伏幕墙外表面的表面传热系数，W/(m²·K)

根据稳态传热原理有：

式中θ_i——室内温度，℃

R_tot——薄膜光伏幕墙的总热阻，m²·K/W

θ_j——薄膜光伏幕墙结构中第j个交界面的温度，℃

R_i——薄膜光伏幕墙结构中第i层的热阻，m²·K/W

结合薄膜光伏组件后产生的节能率△η的计算式为^[2]：

式中△η——结合薄膜光伏组件后产生的节能率

Ф_pv——薄膜光伏幕墙的热流密度，W/m²

Ф_b——基础墙体的热流密度，W/m²

由式(4)可得：

式中R_b——基础墙体的总热阻，m²·K/W

R_pv——薄膜光伏组件和空气层的热阻，m²·K/W

2 算例分析

① 薄膜光伏幕墙1

以北京、上海、广州为例，北京θ_o,av，取28.6℃，θ_o,dr，取33.2℃；上海θ_o,av取30.4℃，θ_o,av取34℃；广州θ_o,av取30.1℃，θ_o,dr取33.5℃。经计算可得，不同地区南向薄膜光伏幕墙1与非节能墙体的热流密度见图3。由图3可知，这3个地区墙体热流密度最高值均出现在12:00左右。经计算可得，对于这3个地区，非节能墙体结合薄膜光伏组件后的节能率可达72%。