双层光伏种植幕墙的热工性能分析

杨重阳，穆大伟，邓婷婷，李 艳

（1.海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.海南大学基建处，海南 海口 570228）

应用双层玻璃幕墙，不仅可以使建筑的外形更加优美，而且与单层玻璃幕墙相比，双层玻璃幕墙还能使室内环境更加舒适，并使节能效果更佳，因此，与光伏材料相结合的光伏建筑一体化BIVP（Building Inte⁃grated Photovoltaic）建筑围护结构颠覆了传统的建筑能量构成.其中，双层通风光伏窗的综合节能性能最好［1］，它与植物遮阳和垂直温室等技术在建筑的节能领域有诸多契合，具有良好的集成期望，尽管如此，若要将这三者有机地结合，幕墙设计则需要综合考虑以下的诸多因素，如空间利用率、构件设计、环境设计、造价等.因此要想所设计的双层光伏种植幕墙系统能够更好地适合当地的气候特点，就需要对其传热特性进行全面的研究.

为此，本文以海口地区夏季最不利的工况为例，对应用于夏热冬暖地区的双层外呼吸式光伏种植幕墙进行了热工性能方面的研究.首先，通过理论计算，分析了双层光伏幕墙综合传热系数的影响因素；其次，以普通百叶双层透光薄膜光伏幕墙为基准模型，并以植物遮阳双层光伏幕墙为对照，利用Fluent软件对外呼吸式双层光伏种植幕墙的热工性能进行了仿真实验和优化分析.根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189—2015）［2］，海口市属于夏热冬暖地区，其光伏幕墙的窗墙面积比通常要求大于0.8，所以，其综合传热系数限值应大于2.0 W/（m2·K）（见表1）.

表1 夏热冬暖型地区透光围护结构的综合传热系数限值［2］

1 幕墙的设计

1.1幕墙的工作和节能原理目前应用最为广泛的双层幕墙为外呼吸式自然通风幕墙［3］.其外层幕墙通常为单层玻璃，主要起防护和满足采光的作用，而内层幕墙一般由保温性能良好的Low⁃E玻璃组成，通风口则被设置于外层立面位置处，如此就能够调节夹层空间内的通风效果.这种类型幕墙的显著特点为：夹层空间的遮阳百叶在吸收太阳热辐射后，通过外界风压和空气热浮升力可形成烟囱效应，这样就实现了空气流动，从而驱动夹层空间与室外进行换气［4］，这样就降低了太阳的辐射热量，同时也减少了传入室内的热量.

透光薄膜光伏材料很好地契合了外层幕墙的要求，它不仅可自然采光，而且还可避免眩光，可让室内光环境具有较好的均匀度；此外，由于其材料所固有的属性—可吸收太阳热辐射并进行光伏发电，因此它可实现建筑“自遮阳”的技术要求，这样就从根本上减少了进入幕墙系统的太阳能辐射热量［5］.

普通的遮阳材料只是将太阳辐射热量传递到室内的时间延迟了，或者是把热量反射到了室外环境，因此它有一定的遮阳效果，而植物遮阳的不同之处就是其能量流向不同于普通遮阳材料的能量流向，在光合作用下，植物将太阳能转化成生物能，同时又在蒸腾作用下让其自身的温度波动维持在较低的范围内，其原理为：植物吸收太阳辐射热后，通过转化将太阳能转变成生物质能，而植物因具有生物调节作用，其自身的温度不会升高，这样就使得太阳辐射热（不论是反馈给外部空间的，还是进入室内空间的太阳辐射热）大幅度减少，从而切断了能量的二次传播，从本质上实现了节能［6］.

1.2物理模型本文仅对海口地区夏季最不利的情况进行了讨论.由于玻璃幕墙热通道的形状规则，其内壁和外壁的荷载均匀，故只分析了一层楼层，其他楼层则与之相似.双层幕墙的热通道为300～900 mm宽，高度为层间高度（3～5 m），但其整体长度却可达到几十米，有的甚至达到上百米，因此在此将其模型简化为二维平面模型［7］.由于室外与室内的温度不同，所以内壁面和外壁面的温度也不相同，因此在浮升力的作用下，空气在热通道内就可以流动了.研究表明：热通道在300～900 mm的范围内，随着幕墙间距的增大，其节能性呈现指数性增长［8］，但空腔尺寸过大时，这将不利于空腔内部空气的对流［9］.故在本次研究中，还综合考虑了幕墙的工艺制作、栽培装置、空间利用率等因素.

玻璃幕墙热通道的基本分析条件如下（图1）：

图1 热通道简化模型

（1）尺寸为0.6 m×3.0 m，进出风口的高度为0.3 m；

（2）外界环境条件稳定；

（3）不考虑玻璃蓄热；

（4）假定幕墙封闭性能良好，不考虑空气渗透；

（5）植物遮阳可以以简化法处理，即依据遮阳系数将太阳辐射到内侧和外侧玻璃的热量折算进玻璃的总换热量中.

透光薄膜光伏玻璃用于玻璃幕墙的外层，Low⁃E玻璃用于玻璃幕墙的内层.

幕墙外层所采用的材料是产于中国龙焱能源科技有限公司的碲化镉透光薄膜光伏材料（外表面为钢化玻璃，内衬为多层半导体薄膜），其透光率为20%［10］，薄膜光伏组件的参数如表2所示.

表2 透光薄膜光伏组件参数

内层玻璃的热工参数：内层玻璃选用Low⁃E中空玻璃（0.006 m玻璃+0.012 m空气层+0.006 m玻璃），其传热系数为1.9 W/（m2·K）.

1.3幕墙热工参数的计算室外气象参数所采用的是夏季海口地区的气象参数［11］，具体如下：100.97 kPa的大气压力，风速平均为2.6 m/s，室外干球温度为35.1℃，湿球温度为28.1℃.空调室内的夏季舒适性设计数据如下：温度在25～27℃之间，相对湿度为65%，风速小于0.3 m/s，太阳辐射朝向正南，太阳总辐射照度数取午间12时左右的最大数值720 W/m2［12］.

海口市光伏玻璃幕墙外侧壁面在夏季的综合温度的计算式如下：

式中，外侧壁面的综合温度用tz表示，室外空气的温度用tw表示，取值为35.1℃；光伏幕墙外表面钢化玻璃的传热系数及室外空气间表面的传热系数用aw表示，取值为19.3 W/（m2·℃）；钢化玻璃对太阳辐射的吸收系数用ρ表示，取值为0.75；钢化玻璃幕墙外表面所接受的太阳总辐射照度用I表示，取值为720 W/m2.通过计算，结果为：tz=63.1℃.于是，设置进风口的温度为308.1 K，同时设置幕墙外侧玻璃壁面的温度为336.1 K.

稳态传热时，空气间层的传热系数KK可通过式（2）计算［13］：

式中，λa表示空气间层的当量导热系数；λc表示空气间层的对流当量导热系数；λΓ表示空气间层的辐射当量导热系数；d表示空气间层的厚度.

决定λa的是室内温度和室外综合温度的平均值，海口地区夏季室内温度T1和室外综合温度T2分别取值为26℃和63.1℃，二者的平均值为44.55℃.查《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）以后得知，在该温度条件下空气导热系数λa所对应的值为0.027 6 W/（m2·K）.

λc的计算式如下：

式中，Δt代表室内外温差，其值为37.1℃.

λΓ的计算公式为：

式中，ε1、ε2代表发射率，透光薄膜光伏表皮的表面为玻璃材质，经查表其为0.84 W/（m2·K4），C0代表黑体辐射系数，为5.67W/（m2·K4）.

将λa、λc和λΓ的计算公式代入式（2），于化简后可得式（5）：

综合传热系数计算公式如式（6）.

式中，Re代表外表面换热阻，单位为m2·K/W；

Kex代表外层薄膜光伏表皮的传热系数，单位为W/（m2·K）；

KK代表空气间层的传热系数，单位为W/（m2·K）；

Kin代表内层玻璃幕墙的传热系数，单位为W/（m2·K）；

Ri代表内表面的换热阻，单位为m2·K/W.

查《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）可得，外表面换热阻Re为0.04 m2·K/W，内表面换热阻Ri为0.11 m2·K/W.

本模型中d取0.6 m，代入得K0=1.06，根据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015），海口地区最不利的条件为：当窗墙面积比大于0.8时，围护结构的传热系数应小于或等于2.0 W/（m2·K）.外呼吸式透光薄膜光伏幕墙的综合传热系数为1.06 W/（m2·K），小于2.0 W/（m2·K），符合《公共建筑节能设计标准》中最不利条件的要求.

2 CFD模型的建立

2.1数学模型热通道内的空气若要产生自然对流，就必须有重力场或其他力场的作用，由密度差而导致浮升力.所以，体积力项Y=-ρg在动量方程中是不可忽略的，当重力加速度方向与高度y正方向相反时，用负号表示.引入Boussinesq假设，进而建立二维稳态方程组（其中，双层幕墙壁宽度方向用x表示，高度方向用y表示）［14］.

质量守恒方程：

式中ρ代表的是空气密度，其为温度的函数，单位为kg/m³；u、v分别代表的是速度在x方向和y方向的分量，单位为m/s.质量守恒方程常称作连续方程：

状态方程：

式中p代表的是压力，单位是Pa；R代表的是气体常数，R=287 J/（kg·K）；T代表的是空气温度，单位为K.

动量方程与能量方程可组合为通用方程形式：

式中通用变量用φ表示；与φ相对应的广义扩散系数用Γφ表示；与φ相对应的广义源项用Sφ表示.

对于动量方程中的浮升力项（包含压力梯度项），暂时可放入广义源项Sφ中，而μ（空气的动力粘性系数）是广义扩散系数［15］.

对于能量方程，广义扩散系数是λ；对流扩散能量方程中的广义扩散系数是λ/Cp（Cp是空气的定压比热容、λ为导热系数）［16］.

方程中的未知数分别是u、v、p、T，由于方程组是封闭的，故可以求解.

2.2计算模型的选择对幕墙展开数值模拟分析，可选用的模块有CFD（Computational Fluid Dynamics计算流体动力学）中的ANSYS19.0Fluent［17］模块.采用自然通风，由于在模拟的热通道中气体流动是自然对流，其对流是由热浮力驱动形成的，流动过程中不仅有层流，而且还有紊流，假设流动的室内外空气处于湍流状态［18］，Coussirat M［19］等人通过研究得知，双尺度RNGk⁃epsilon湍流模型具有更好的吻合性，可以非常精准地描述DSF热通道内的气流和温度分布情况；因此，本课题选用的模型是RNGk⁃epsilon湍流模型，它可对双层幕墙内的气流组织与热工性能进行准确的模拟［20］.对于双层幕墙通道内的气流组织在自然通风条件下的模拟，2D模型的模拟精准度要优于3D模型的模拟精准度［21］，故采用2D模型.

2.3约束边界的条件（1）环境温度：热通道外边界空气和内边界空气分别为336.15 K和299 K，太阳辐射强度为720 W/m2；

（2）速度边界条件：进风口和出风口被分别设为速度入口和压力出口，室外风速为2.6 m/s，出风口边界压力为0.3；

（3）湍流模型：NEWK⁃ε模型；

（4）屋顶和地板要具备绝热的特性；

（5）所有壁面边界上的气流速度都取无滑移边界条件：u=v=0；

（6）通道中的空气为不可压缩牛顿流体，且满足Boussinesq假设.

通过CFD模型的建立，施加边界条件，对流体性质予以定义，进行执行控制的设置，并进行求解计算，最后，处理器计算出热通道的空气温度分布（见图2）.

3 模拟计算结果的分析

外呼吸式光伏幕墙综合传热系数的变化范围在1.017～1.078 W/（m2·K）之间，这与前文理论计算的结果1.06 W/（m2·K）基本吻合.如图2-1所示，沿通道竖直方向，气流温度逐渐升高；对比图2-1和2-2可知，在以植物遮阳代替普通百叶遮阳时，通道中的温度分层比较明显，而且直到接近出风口处，前者的温度明显更低，这是因为空腔内的植物获取了太阳辐射的能量，并以显热和潜热的形式与周围的空气进行对流换热，同时通过蒸发降温带走了更多热量的缘故.两者温差最大为3.8℃，平均温差为1.5℃，这与国内外学者的研究结果基本一致.图2-1出口处的拐角温度较高，这是因为拐角处受植物蒸腾作用的影响，在层流和紊流相互作用下气流容易形成涡流的缘故，图2-2则由于气流较为均匀和通畅，因而没有形成局部高温.

图2 DSF热通道内竖直方向的温度分布图

图3 空气通道内的温度分布图

4 结 论

本文是以海口地区作为实例，该地区的气候为夏热冬暖型气候，在将双层外呼吸式透光薄膜光伏种植幕墙用于此地区后，对其热工性能进行了理论计算，同时应用Fluent软件对其进行了仿真研究，得出了以下结论：

1）双层外呼吸式透光薄膜光伏幕墙的综合传热系数在1.017～1.078 W/（m2·K）之间，比2.0 W/（m2·K）要小很多，根据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）中的规定，在海口地区最不利的条件下它也可满足应用要求.

2）利用垂直栽培技术进行植物遮阳可以有效地降低热通道内的温度，减少传入室内的热量，其降温幅度最大为3.8℃，从而有利于降低室内空调的能耗.

3）由于采用植物遮阳会使得出风口的温度较高，容易造成局部高温，不利于降温，因此，应合理密植以减小对热通道内气流流畅度的影响，从而避免产生局部高温.