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随着人类生活品质的改善,人们对室内热环境的要求越来越高。因此消耗在采暖、通风和空调上的能耗在建筑能耗中的比重不断增大。在建筑中开发应用低碳清洁的可再生能源利用技术例如太阳能应用技术和建筑相结合是节约能源降低建筑能耗的重要途径。太阳能光伏发电技术和Trombe墙系统的结合(PV-Trombe)正是在节能减排、发展可再生能源的形势下迅速发展起来的一种太阳能高效利用技术。PV-Trombe墙系统把传统Trombe墙系统的优点和光伏发电技术的优点相结合,既解决了传统Trombe墙系统功能单一、围护结构保温性能差、只能生产低品位热能及墙体外观丑陋的缺陷又解决了光伏发电系统电池温度过高降低发电效率的问题,一套系统解决了当前多个难点问题,提高了太阳能的综合利用率。本文采用太阳能光伏电池的层压工艺,分别将晶硅太阳能电池和低铁钢化玻璃或薄金属铝板通过粘接剂层压成太阳能电池模块,与玻璃层压的电池模块因安装在Trombe墙系统的最外部,称为外置式光伏Trombe墙系统(built-out photovoltaic integrated Trombe wall,PVOTW),该系统的优点是光伏电池的散热环境较好,光电转化效率相对较高,但存在保温性能差、冬季房间供热量不足,室内温度低的缺点;与薄金属铝板层压的太阳能电池模块,贴附于Trombe墙系统内侧蓄热墙体的外表面,称为内置式PV-Trombe墙系统(Built-in PV-Trombe wall,PVITW),相对于PVOTW系统,PVITW系统在冬季采暖时,热效率高,但该系统由于光伏电池贴在内部墙体表面,散热环境差,光伏电池冷却效果不理想,电池温度较高,此外电池表面积灰和边框阴影导致该系统的发电效率较低。PVOTW系统保温性能差而PVITW系统因电池表面积灰和边框阴影导致电性能低下,为改善PVOTW系统的热性能和PVITW系统的电性能,提出把与薄金属铝板层压的太阳能电池模块安置在空气流道中间的新型结构的PV-Trombe墙系统,也称为中置式 PV-Trombe 墙系统(Built-middle PV-Trombe wall,PVMTW),该系统除实现发电和采暖功能之外,还起到了很好的保温功能,降低了建筑负荷。本文的主要研究工作包括:(1)研制和搭建了外置式光伏Trombe墙系统和内置式光伏Trombe墙系统的实验平台,为获悉两种结构光伏Trombe墙系统的热性能和电性能,我们开展了冬季和夏季的实验测试,实验结果表明夏季运行时,外置式PV-Trombe墙系统发电效率是内置式系统1.7倍,带有内置PVITW墙系统的房间温度高于有PVOTW的房间温度;PVITW系统和PVOTW系统的热效率平均值分别为0.328和0.293;在生产高品质的电能方面,同为1.2 m2的光伏电池板在相同的环境温度和辐照条件下,外置式系统的发电效率达到了 0.142,而内置式系统仅为0.105,前者高出后者的1.35倍;但对太阳能的综合利用上,PVOTW系统比PVITW更有优势,平均高出PVITW系统4.81%。因此,我们拆除了 PVITW实验平台,以用于中置式实验平台的搭建。(2)在原PVITW场地搭建了 PVMTW系统的实验平台,开展了 PVMTW系统的冬季实验,通过实验数据分析了 PVMTW系统的热性能和电性能,并和性能优越的PVOTW系统相比较,通过数据定量评估这种新型结构系统的可行性。结果表明:在冬季连续实验期间,PVMTW系统的热效率平均值为0.396,是PVOTW系统的热效率1.35倍,发电效率低于PVOTW系统18.9%,但从对太阳能光热、光电综合利用角度得出PVMTW系统对太阳能的有效利用率高出PVOTW 系统 10.8%.(3)建立了 PVMTW系统风口开启/关闭模式下的非稳态传热模型和电性能模型,利用实验数据验证了系统数学模型的正确性。通过被验证的理论模型,分析了空气流道的高度、太阳能电池的有效面积,以及位于玻璃和太阳能电池板之间静止空气层的厚度对系统性能的影响,根据参数分析的结果,对中置式PV-Trombe墙系统的结构进行理论上的优化;此外,利用数学模型,从系统风口开启/关闭时间、房间温度、围护结构室内侧的温度以及房间的热舒适性方面和不带光伏模块传统Trombe墙系统的热性能进行了比较。理论研究结果表明:随着空气流道的高度增加,得热量增加显著,但电效率有所下降,当流道高度超过2m,热效率增大的幅度下降,受建筑层高和设备加工及安装条件的限制,流道高度值建议在2 m左右;随着光伏电池覆盖率由0.2增加到1.0时,发电量增大了近5倍,光电转化效率略有下降,热效率下降了 24.9%,说明光伏电池覆盖率的增加对热效率的影响显著;在保持玻璃盖板与贮热墙距离恒定的情况下(0.12m),随空气层厚度(玻璃盖板和电池板之间的距离)增加,电效率受到的影响较小,热效率和总效率的先是增大随后下降,出现了最优效率值,对应于空气层厚度变化区间为12mm—30mm。理论研究还表明了中置式PV-Trombe墙系统在与本文冬季实验对应的辐照和环温下,风口打开/关闭的时间可设定在8:00/17:00左右;相比于没有光伏模块的Trombe墙系统,室内的平均温度仅低0.2℃,白天风口打开期间,室内温度基本保持在18℃以上;有中置式PV-Trombe墙房间的PMV(预期平均投票)指标的平均值达到了 0.05热舒适感适中的状态;而在有Tromb墙系统房间里,PMV指标为-0.36微凉状态。