BIPV熱通道實(shí)驗研究與分析

第33卷,總第192期《節能技術(shù)》Vol 33 Sum. No. 1922015年7月,第4期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJul.2015,No.4BIPV熱通道實(shí)驗研究與分析陳磊,高軍(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院,上海201804)摘要:為了研究光伏熱通道的傳熱特性,對光伏建筑一體化建筑(BPV)進(jìn)行了實(shí)驗研究。測試包括了通道內空氣溫度、速度、太陽(yáng)輻射強度以及環(huán)境溫度等。通過(guò)研究通道內溫度場(chǎng)、光伏背板溫度以及外墻溫度隨室外環(huán)境參教的變化,分析了熱通道的傳熱特性,結果分析為通道的動(dòng)態(tài)啟閉提供了實(shí)驗數據的攴持。對熱壓的計算表明上午的通風(fēng)效果較好,換熱系數較大。比較陰天與晴天的熱工性能,看出陰天通道通風(fēng)效果差,熱量不能及時(shí)排除,并發(fā)現太陽(yáng)輻射對幕墻性能有較大影響。關(guān)鍵詞:光伏建筑一體化;熱通道;熱工性能;實(shí)驗;溫度場(chǎng);自然通風(fēng)中圖分類(lèi)號:TM615文獻標識碼:A文章編號: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現階段全球資源日益緊張,人們更多地把眼光放到了太陽(yáng)能的利用上。太陽(yáng)能光伏建筑一體化(BIPV)是應用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新概念,在建筑圍收稿日期2014-0923修訂稿日期2015-02-12護結構外表面上鋪設光伏陣列提供電力。這樣既能基金項目:上海市科委國際合作項目(10`東新區利用太陽(yáng)能發(fā)電又可以減少墻體的得熱從而減少空科技發(fā)展基金創(chuàng )新資金(PK2012-C13)作者簡(jiǎn)介陳磊(190-),男,碩士研究生研究方向為廚房調負荷。喊YH中國煤化工CNMHG偉、楊紅興和陳海從不同角度研究了幕墻對空調負荷的影響,發(fā)現由于墻體得熱造成空調負荷的減少可達到20%2結果及分析以上-3。段征強的研究表明幕墻通風(fēng)對能量效率通道內沿高度方向上空氣溫度是不同的,圖1有較大的影響“。李玲燕對呼吸式幕墻夾層溫度為通道內三個(gè)不同高度測點(diǎn)溫度分布情況,可以看的影響因素進(jìn)行了實(shí)驗研究,研究了通風(fēng)口開(kāi)啟與出通道溫度在中午12:00最高,最高溫度可達關(guān)閉時(shí)、夏季空調開(kāi)啟與關(guān)閉、有無(wú)遮陽(yáng)板等不同工45℃,12:00之后由于東向太陽(yáng)輻射減弱,所以通道況下夾層溫度的變化情況,并比較了過(guò)渡季與夏季,溫度開(kāi)始下降。三條曲線(xiàn)之間變化趨勢一樣,且隨晴天與陰天的溫度變化情況⑤。W.J.Stec通過(guò)模著(zhù)高度增加而升高,最高點(diǎn)與最低點(diǎn)溫差在上午擬研究了太陽(yáng)輻射強度對呼吸式玻璃幕墻溫室效應1200以前基本維持在4℃左右,下午溫差有所減少的影響°。 Elisabeth gratia研究了通風(fēng)窗的開(kāi)啟與大概2℃,分析原因可能為上午輻射較強通道內的關(guān)閉對幕墻能耗的影響。何蕓蕓等人對呼吸式流動(dòng)較快,導致空氣與光伏背板的換熱較劇烈。觀(guān)幕墻的性能及節能性進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗研究9-。察可知通道溫度在下午3:00以前都高于環(huán)境溫度?？梢钥闯錾鲜鲅芯坎](méi)有從橫向上對呼吸式幕墻的傳熱過(guò)程進(jìn)行研究,所以本文主要通過(guò)實(shí)驗研4究BIPⅤ熱通道的傳熱過(guò)程和熱工特性。由于各地區光照資源以及氣溫等氣象條件的差異,光伏建筑40一體化在不同地區的熱工性能不盡相同。本文針對湖南省株洲市的一棟建筑進(jìn)行了BIPV流通通道熱34工性能的實(shí)驗研究,確立了流通通道內空氣、光伏背5m處通道溫度板、外墻隨環(huán)境參數變化的溫度分布;通過(guò)溫度場(chǎng)相10m處通道溫度16m處通道溫度互關(guān)系分析了通道內的熱工過(guò)程;比較了晴天與陰環(huán)境溫度天熱工性能的差異。20050080011001400170020002001試驗介紹圖18月13日通道內不同高度溫度該建筑是位于湖南省株洲市的一座倒班樓,試隨環(huán)境溫度變化曲線(xiàn)驗主要內容是測試典型BPV光伏圍護結構系統溫度分布,空氣流速等熱工性能等因素。獲取包含光伏組件表面溫度、熱通道內流體流速和溫度、太陽(yáng)輻射強度、室外大氣溫度和風(fēng)速、內外墻體表面溫度以及典型房間的室內溫度具有建筑光伏一體化特性的熱工性能參數。1太陽(yáng)輻射的測試采用輻射傳感器,位于光伏外墻朝東方向上。室外大氣溫度測試選用pt100溫度傳感器測試室外大氣溫度,測點(diǎn)遠離建筑圍護結構30070011:0015:0019:0023:00外表面和熱源1.5m,離地面高度1.5m。通道動(dòng)態(tài)時(shí)間風(fēng)速測試使用高精度風(fēng)速傳感器,傳感器布置在通道豎直方向上。BIPⅤ構建的溫度測試銅-康銅熱圖28月13日通道自然通風(fēng)熱壓變化曲線(xiàn)電偶,測溫精度在0.1℃,其中六個(gè)熱電偶要緊貼在通道溫度熱分層以及通道內與室外的溫差是自BIPV的光伏背板上,三個(gè)熱電偶布置在流通通道然通風(fēng)的主要動(dòng)力。本實(shí)驗忽略風(fēng)壓的作用,只考中,測試通道內空氣的溫度值,測點(diǎn)距地面位置分別慮煙囪效應,煙囪效應形成的上下壓力差可以通過(guò)為5m、10m、16m。三個(gè)熱電偶布置在外墻外表面下式計算的測試單元的中心處,采集外墻外表面的溫度值,測273+T2點(diǎn)分別位于五層、三層、兩層外墻表面中心處。一個(gè)Ap=△pgH=△g(273+7熱電偶位于測試單元第三層的典型房間的外墻內表式中中國煤化工面,熱電偶位于該測試單元墻體中心線(xiàn)。9.81m/s2CNMHG292·H上下開(kāi)口高度/m;峰值的時(shí)間,預計是因為通道此時(shí)熱壓較大自然通T1—通道外空氣溫度/℃;風(fēng)良好,帶走了背板熱量。12:30左右的一段時(shí)間T2—通道內空氣平均溫度/℃。內背板溫度衰減很快,但日照輻射處于峰值階段,此通過(guò)計算可知,最大熱壓可達4.18Pa,從下午時(shí)發(fā)電效率會(huì )較高。6:00開(kāi)始熱壓為負,如圖2所示,說(shuō)明從此刻開(kāi)始在白天熱量從室外通過(guò)背板傳到通道內,其溫通道內平均溫度小于通道外溫度,若此時(shí)開(kāi)啟通道,度場(chǎng)存在相關(guān)關(guān)系,圖4反應了幕墻通道內的傳熱通道內的流動(dòng)方向將從上向下,此時(shí)會(huì )把通道外的過(guò)程。背板與通道內的溫差從上午一直增大,上午熱量帶到通道內從而增加了空調負荷。值得注意的10:00~11:00達到最大12℃,此時(shí)的通道與環(huán)境的是從晚上11:00開(kāi)始,熱壓變?yōu)檎?主要原因是環(huán)溫差也最大,達到4℃,可見(jiàn)此時(shí)通道內空氣的排熱境溫度降低的較快,而通道溫度減小較慢。注意熱量最大,通風(fēng)效果最好。晚上11:00到第二天6:00壓的變化進(jìn)而動(dòng)態(tài)響應通道的啟閉有助于排熱之前通道溫度將一直高于背板溫度,熱流密度方向節能。與白天相反。36日照溫殘環(huán)境溫度日照強度一背板32-4通道平均溫度800500400322軸25008m11m14m17mxm2m205m80114m1702m20圖59月12日背板平均溫度、通道平均圖38月13日光伏背板不同高度溫度溫度隨環(huán)境參數變化曲線(xiàn)及太陽(yáng)輻射的變化曲線(xiàn)l000均溫度強度出6004200食20508①1114m01702002m時(shí)間70900110130150017m0190圖48月13日背板平均溫度、通道平均圖68月13日光伏背板與通道內空氣溫度隨環(huán)境參數變化曲線(xiàn)對流換熱系數變化曲線(xiàn)背板溫度在全天的分布情況變化較大,并且不空氣流過(guò)太陽(yáng)能電池背板背面時(shí)的對流換熱系同測點(diǎn)溫差較小。圖3所示為三個(gè)不同測點(diǎn)的光伏數可由下式計算12背板溫度,測點(diǎn)1、2、3分別位于2樓、3樓和5樓h=1.247[(T-T)cos]+2.6587(2)光伏背板溫度從6:00開(kāi)始上升并且溫度增高速度式中T—平板背面溫度/℃較快,下午速度緩慢降低。背板溫度在一天之內變T通道空氣溫度/℃化比較大,最低溫度28℃,最高可達54℃,最高溫度B當地緯度+10°;出現在10:00左右,背板溫度一天有11h處于40℃空氣的流速/ms以上,夜間溫度比較穩定維持在30℃左右。值得注實(shí)驗測中國煤化工速為1.58m/s,意的是背板溫度達到峰值的時(shí)間早于太陽(yáng)輻射達到最大速度可CNMHG對流換熱系數293時(shí)間分布如圖6?？芍衔?:00到下午4:00時(shí)間不同天氣情況下呼吸幕墻的性能是不一樣的,段內傳熱系數較大最大傳熱系數可達67W/m2℃,圖4和圖5分別為8月13日與9月21日兩天的背這段時(shí)間內的平均傳熱系數為6.28W/m2℃。上板溫度以及通道內空氣溫度一天內的變化情況。8午的傳熱系數較大是因為通道內外溫差較大,“煙月13日為晴天,太陽(yáng)輻射強度最高達930W/m2,氣囪效應”明顯,下午的傳熱系數也在較高水平,查看溫條件為28~39℃,9月12日為陰天,氣溫條件為氣象參數可能是由于環(huán)境風(fēng)速較大形成的風(fēng)壓增強21-28℃,太陽(yáng)輻射強度最高達616W/m2。圖5中了對流換熱。光伏背板最高溫度35℃,通道空氣最高溫度29℃通道平均溫度通道與空氣最大溫差7℃左右,比晴天的12℃小很外墻外表面溫度外墻內表面溫度多,比較兩幅圖可以發(fā)現晴天背板的最高溫度出現的時(shí)間早,通過(guò)其他天數據的觀(guān)察,晴天背板最高溫38,A▲▲度一般出現在9:30到10:00,陰天背板最高溫度般出現在12:30以后。通過(guò)觀(guān)察通道內外空氣的溫差可以看出陰天溫差小,晴天溫差大,造成晴天的煙囪效應比陰天好,所以背板被有效排熱,溫度峰值出現的快。3025080114m170020比較圖7和8可知三條曲線(xiàn)的變化趨勢一致,時(shí)間陰天外墻最高溫度27℃,不同之處在于陰天通風(fēng)排圖78月13日外墻內外表面溫度及通道平均溫度變化曲線(xiàn)熱差,熱量?jì)Υ嬖谕ǖ纼鹊墓夥嘲迮c外墻上,所以整個(gè)變化趨勢相比較晴天要滯后一段時(shí)間。為了消除兩天環(huán)境溫度的不同對通道溫度比較墻內表面溫度的影響,消除環(huán)境溫差的影響即把環(huán)境溫差加到9月13日通道平均溫度、背板平均溫度、外墻外表面65422溫度上,只觀(guān)察太陽(yáng)輻射對通道的熱工性能的影響。通過(guò)計算可知在上午7:00到下午3:00這段輻射較強的時(shí)間段內,消除環(huán)境溫度影響后晴天與陰天各溫差分布情況如表1?？梢?jiàn)消除溫度的影響,太陽(yáng)輻射對光伏通道的熱工性能有較大的影響,會(huì )使得25m8m1101401702m2m0通道內的溫度升高,這段時(shí)間內晴天比陰天背板平時(shí)間均溫度高6.64℃,通道平均高2.37℃,外墻外表面圖89月12日外墻內外表面溫度及通道平均溫度變化曲線(xiàn)平均高244℃。表1不同時(shí)刻背板溫差、通道溫差、外墻內外表面溫差時(shí)間9:001012:0013:0014:00背板溫差/℃7.2316.768.970.530.690.55通道溫差/℃2.225.394.353.490.180.960.040.74外墻外表面溫差/℃1.822.233.053.544.082.013結論較大,上午9:00到下午4:00這段時(shí)間內平均對流換熱系數達6.28W/m3·℃。比較通道溫度與外墻通過(guò)對實(shí)驗數據的整理分析得出了以下結論:溫度的變化趨勢可以看出,外墻溫度變化主要受通(1)確立了通道內溫度場(chǎng)、背板溫度以及外墻道溫度場(chǎng)的影響,下午2:00過(guò)后外墻溫度將高于通溫度隨室外環(huán)境參數的變化過(guò)程,通道內的溫度隨道溫度,建議開(kāi)啟通道降溫排熱。高度升高而增加,背板溫度比較穩定。計算了典型(3)選取了晴天與陰天這兩天作為比較對象,夏季晴天通道內自然通風(fēng)的熱壓變化情況,可知上考察不同天氣BPV的熱工差異,看出陰天通道內午8:00到11:00這段時(shí)間通風(fēng)效果良好。外的空氣溫差小通風(fēng)排熱差,熱量?jì)Υ嬖诒嘲迮c外(2)通過(guò)分析背板溫度與通道溫度的關(guān)系,由墻中導致溫中國煤化工的影響,可以于存在對流換熱通道內空氣溫度受背板溫度的影響CNMHG下轉第302頁(yè))16.7%。接地模塊和電解地極的降阻效果一般,這導電混凝土的導電性能。是由于接地模塊和電解地極實(shí)質(zhì)上是起到垂直接地(2)以新型碳纖維導電材料為主,輔以其它材的作用,而垂直接地的效果分析表明,增加垂直接地料的復合型導電混凝土其導電性能要遠高于石墨型體,對降低地網(wǎng)的接地電阻作用較小。因此,電解地導電混凝土而且性能更穩定。極要與其他降阻材料組合使用,才能提高降阻的(3)根據對比試驗的結果,無(wú)論導電性能和環(huán)效果。保性能新型導電混凝土都是非常理想的降阻劑材衰4降阻材料效果對比試驗結果料,可完全取代傳統降阻劑用于接地系統中。材料接地電阻/n(4)復合材料導電混凝土的所有材料均不含有電解地極接地模塊降阻劑邴阻水新型環(huán)保對環(huán)境有害的物質(zhì)綠色環(huán)保。泥柱導電混凝土參考文獻第1次測量2.422.561.762.081.98[1]蔣正武孫振平,王新友導電混凝土技術(shù)[J].混凝第2次測量2.442.561.782.101.98土,20009):55-58第3次測量2.452.571.772.08平均值2.42.561.772.09[2]王純高接地電阻測量與三維地網(wǎng)[電網(wǎng)與清潔水平地網(wǎng)初值2.74742.512.51能源,2012,28(12):51-56降低率[%]10.96.629.516.7[3]孫建剛楊偉東張斌基于均勻試驗的碳纖維混凝本文所研制的復合材料導電混凝土不僅在導電土導電性研究[J].大連民族學(xué)院學(xué)報,2007(1):20-23[4]陳兵,吳科如姚武纖維增強混凝土導電性能的研性上完全達到甚至超過(guò)很多降阻劑材料(降阻劑國究與應用U]混凝土,20027):23-27家標準為電阻率小于5m,本文研制的復合材料[5]李廣軍鄭秀梅王彬碳纖維混凝土導電性能試驗導電混凝土電阻率小于059m。同時(shí),最大的優(yōu)研究[J佳木斯大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003):457-459勢在于綠色環(huán)保,其中的所有材料均不含有對環(huán)境[6]汪緋,王學(xué)軍鋼纖維混凝土樁的節能效果分析有害的物質(zhì)。在國家大力推廣綠色環(huán)保政策的今J]節能技術(shù),19(6):13-15.7]史延田,張俊才廉璟沖,石墨導電混凝土的制備與天,這尤為難能可貴。由于混凝土自身的凝固特點(diǎn),性能[].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報,2014(5):503-506在土壤中不會(huì )隨時(shí)間而流失,對接地體不僅沒(méi)有腐[8]史建華趙建國趙仁,等導電水泥復合材料接地模蝕作用而且還有保護作用,能長(cháng)時(shí)間穩定的起到降塊的制備及性能研究[中北大學(xué)學(xué)報014(2):157-160阻作用,也降低了后期使用和維護的成本,是一種非[9]鄧宗才,付建斐,劉巖碳纖維導電混凝土電熱性能常理想的綠色環(huán)保型的降阻材料。的有限元分析及試驗研究[JJ.混凝土,2013(12):63-6[10]Xin Tian, HuHu. Test and Study on Electrical Proper3結論ty of Conductive Concrete. Procedia Earth and Planetary Sci-ence,2012(5):83-87中,通過(guò)不斷調整材料配比改進(jìn)工藝獲取了豐富 onductive concrete for heating using steel be Electrical在對新型環(huán)保導電混凝土的研制和探索過(guò)程11] Zuofu Hou, Zhuoqiu Li, Jianjun We的數據,通過(guò)工程試驗研究獲得了滿(mǎn)意的結果。[J]. Joumal of Wuhan University of Technology- Mater. Sci.Ed,2010,25(3):523-526.(1)含碳量高且細度高的鱗片石墨有利于提高(上接第294頁(yè))[5]李玲燕呼吸式玻璃幕墻夾層溫度影響因素的研究看出太陽(yáng)輻射對通道內的溫度場(chǎng)影響較大,使得背D].天津:天津大學(xué),208板溫度平均比陰天髙6.64℃,通道溫度平均高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):419-427參考文獻7]Elisabeth Gratia, Andre'De Herde, Greenhouse effect[何偉季杰光伏光熱建筑一體化對建筑節能影響 in double- skin facade]. 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