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光伏遮阳板与建筑一体化的综合节能效果分析

2014-01-09 00:04
天堂的苦涩
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  引言

  太阳能光伏建筑一体化(BIPV)是未来城市中应用太阳能的主要方式,是绿色建筑和建筑节能技术的发展趋势。光伏遮阳系统利用光伏电池组件作为建筑外遮阳构件,兼备遮阳和发电功能,是典型的光伏建筑应用形式,获得日益广泛的关注。国内外关于建筑遮阳技术和建筑光伏幕墙技术的研究较多:近年来,针对光伏遮阳系统的研究受到关注。Yoo和Manz等人对光伏遮阳板表面和临近室内的温度场和速度场进行了模拟分析。庾汉成等人对光伏遮阳构件的结构及性能进行了优化设计和研究。James等人对光伏遮阳系统的优化设计和推广应用进行了分析。然而,上述研究并未对外遮阳建筑空调节能和光伏发电的综合效果进行分析。

  长沙处于夏热冬冷地区,夏季漫长闷热,冬季湿冷,全年太阳辐照总量约为3905MJ/m2。夏季供冷能耗占全年空调能耗比重大,外遮阳对减小夏季空调峰值负荷及降低建筑能耗意义重大。因此,在长沙地区采用光伏遮阳系统可获得较好的综合节能效果。合理利用光伏遮阳系统关键在于结合建筑本身特点及当地气候对光伏构件的安装位置及尺寸进行优化设计,以到达最佳遮阳和产电效果。

  本文以长沙地区典型办公建筑为研究对象,耦合建筑负荷计算,利用Energyplus和Trnsys软件建立了光伏遮阳板的传热和发电模型,模拟了全年建筑能耗和系统产电量。分析了光伏遮阳板在建筑不同朝向以不同倾角和宽度安装时,光伏遮阳系统的遮阳和产电的综合节能效果。研究结果为光伏遮阳板与建筑一体化技术的优化和推广应用提供了有益的参考。

  1、计算模型

  1.1物理模型

  本文以长沙市典型办公建筑为研究对象,如图l。该建筑朝向为南向,长为60m,宽为20m,共8层,层高为3.5m,总建筑面积为9600m2:窗高1.8m,各朝向窗墙比均为50%。图2为光伏遮阳板安装示意图。光伏板为单晶硅光伏电池板,宽度L分别为0.8m、1.2m、1.6m,在办公楼东(E)、南(S)、西(W)面沿各层窗户的上端安装,因此,光伏遮阳系统的总长度为各面外墙长度,即东、西面为20m,南面为60m,光伏阵列垂直间距为建筑层高3.5m。计算中光伏构件安装倾角。

  1.2数学模型及数值方法

  1.2.1建筑能耗计算

  利用Energyplus动态能耗模拟软件对该建筑全年能耗进行模拟。由于光伏遮阳板主要影响建筑的太阳辐射得热量,所以文中所指的建筑能耗仅考虑全年空调能耗。计算过程采用热平衡法模拟负荷,其基本热平衡方程如(1):

  式中:(a)为计算区域空气中存储总能量;

  (b)为区域内部总的对流负荷;

  (c)为区域表面的对流负荷:

  (d)为区域间空气混合造成的热交换:

  (e)为外部空气渗透造成的热交换;

  (f)为系统输出的热量,即为区域的冷/热负荷。

  负荷模拟是整个能耗模拟过程的起点,为空调系统模拟提供必要参数。空调系统模拟过程中提供空调系统实际的供能量,再根据空调系统的供能量与房间冷热负荷的需求量的平衡关系来对区域空气温度进行必要的调整,从而完成整个建筑能耗模拟过程。能耗模拟计算时间步长为0.5h,当房间温度和负荷绝对误差分别低于0.4℃和0.04w时认为计算收敛。

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