基于太阳能光热光电技术的采暖系统设计与优化

基于太阳能光热光电技术的采暖系统设计与优化

李方言、孙玉涛、陈启明

郑州科技学院

摘要：现阶段，我国正处于经济转型发展的关键阶段，各项发展均需要消耗大量能源和资源。从整体角度来说，我国能源分布以中西部为主，在长距离运输上，会导致能源消耗数量大幅提升，最终集中式供能模式带来巨大影响。分布式用户建筑光伏系统应用能够将上述问题合理解决。为此，相关人员应做好太阳能光电光热应用研究工作。文章对光电光热建筑一体化组合模式进行总结，论述了太阳能光电光热住宅建筑一体化（BIPVT）方案设计内容。

关键词：太阳能；光电光热；住宅建筑一体化　

一、引言

我国能源消耗主要集中在工业、交通和建筑等领域，其中建筑能耗占比能够达到30%以上，具体能耗来源有采暖空调、热水供应、电气照明等。近年来，随着我国民众生活水平的提升，对建筑室内舒适度提出了更高要求，这也导致我国整个建筑能耗数量大幅增加。想要真正实现可持续发展，相关部门应尽可能降低能源消耗量。因此，我国应提升对节能建筑模式的推广力度，维护生态城市的稳定建设。

二、PV/T构件的基本特性

（一）PV/T构件的主要内容

PV/T构件是光电光热一体化构件的简称，在制作过程中主要是将光伏发电和太阳能低温热利用结合在一起，打造新形式的太阳能光电集热构件。从PV/T构件组成角度来说，最为重要的元件当属太阳能光伏电池和集热器。工作时，PV/T构件能够实现对光伏电池板背面产生热量的全面收集，呈现出较高的光电转换效率，能够对建筑室内热环境进行充分改善。当太阳光照射到PV/T构件后，太阳能将会转变为电能，具体转化比例为15%，其他太阳能将转变为热量，并且在冷却导热介质帮助下能够得到回收利用。例如，所产生的热水和热空气能够为家庭生活热水和采暖进行供给，具体温度范围在40～60℃，满足人们对低温、低热量的基本需求。

（二）PV/T构件的分类

在我国，PV/T构件的常用种类有很多，具体分类方式也存在很大差异。如果根据外观进行分类，常见的类型有平板型PV/T构件和聚光型PV/T构件。如果是根据导热工作介质类型进行划分，常见的有水冷型PV/T构件、混合型PV/T构件和空冷型PV/T构件。另外，导热工作介质在流动上，可凭借外力进行，也能实现自然循环。其中，平板型PV/T构件在外观上，与太阳能平板集热器相似，但在工作过程中，平板型PV/T构件表面往往会安装一个太阳能电池板。反观聚光型PV/T构件，其聚光能力要强于平板型PV/T构件，进而呈现出更高的光电效率。但为了维护太阳能的充分利用，聚光性PV/T构件在使用时往往需要搭配完善的跟踪系统，再加上外观上以抛物槽形式为主，应用成本较高，很难在建筑领域中得到普及应用。因此，在建筑PV/T构件选择上，相关人员更倾向于平板型PV/T构件。

（三）PV/T构件的性能及选择

从PV/T构件应用角度来说，其综合效率的展示往往与光电效率和光热效率总和相同，但由于光热效率远高于光电效率，因此，针对PV/T构件综合效率评价，光热效率的影响力更大。但在实际应用时，PV/T构件应用效率与用户应用方式存在直接关系，用户也会根据PV/T构件热能、电能是否与自身应用需求相符，对PV/T构件性能进行判断。从这里也能够看出，并不是说综合效率越高，所呈现出的PV/T构件越好。一般情况下，由于构造不同，PV/T构件能够呈现出的综合效率存在差异。为此，针对PV/T构件性能的评价，可从光热和光电效率两方面着手，便于用户选择更适合自己的产品。

三、光电光热建筑一体化组合模式

（一）BIPV/T组合

太阳能光电光热建筑一体化建设内容主要由PV/T构件 形式决定，相关工作人员需要对PV/T构件与建筑物之间的 关系进行深入探讨，发挥出更好的整合效果。从BIPV系统角度来说，想要实现光伏电池工作温度的控制，需结合实际 建筑设计操作，避免控制效果受到影响。 在此过程中，常见方式主要有两种，即被动式和主动式。如果应用BIPV被动式降温模式，虽然能够让PV板工作温度得到控制，却影响热能利用率。如果在建筑围护结构中引入PV阵列，虽然能够让建筑构造设计得到简化，控制造价成本，但热量大多散失在空气之中，还会影响建筑外观的整洁度。如果PV/T构件以独立形式存在，建筑物与构件之间的整合与光伏建筑一体化构造相接近，具体形式可参考BIPV。如果光电光热系统与建筑整合集成度较高，能够让建筑围护结构成为光电光热系统的重要组成部分。该组合模式在实际工作中较为常见，被人们命名为BIPV/T整合式。从这里也能看出，围护结构的建设，往往需要将光电光热系统 引入其中，二者关系十分紧密。

（二）整合设计原则

在光电光热建筑一体化建筑设计过程中，除了对光伏模 块及建筑审美关系的平衡外，还要让光伏发电模块热处理问 题得到有效解决，控制好光伏发电板背面温度，保证该部分 热量能够呈现出更好的能源利用效率。受此影响，整个光伏 系统与维护结构之间的整合操作将变得更加复杂。为此，相 关人员除了维护系统光电光热综合效率外，还要让各构造内容尽可能处于简化状态，为后续整合与推广工作的开展创造有利条件。

四、太阳能光电光热住宅建筑一体化（BIPVT）方案设计

（一）光伏光热构件知识的了解与掌握

光伏建筑是目前建筑行业发展中的热点内容。近年来， 随着光伏产业的不断发展，促使光伏建筑内容得到了更多人 的关注。现阶段，我国在光伏建筑方面的建设经验明显不足， 并没有对光伏进行深入探索，应用灵活性优势不足，部分光 伏企业在相关专业人员配合下能够完成初步设计，但我国整 体光伏建筑设计案例数量依旧有限。为此，相关工作人员需 要提升对光伏构件的研究力度，尤其是针对光电光热一体化 构件进行深入探索，保证光伏建筑的有效建设。相关人员除 了掌握更多光伏专业知识外，还要突出光伏材料基本特点和 设计要点内容所在，以光伏示范项目为基础，积累更多设计 经验。与此同时，针对建筑应用需求设计出更多的光伏产品， 保证其外观和性能的深入优化，制定相应的光伏建筑建设标准。

（二）多专业跨学科合作

从实际光伏光热建筑建设角度来说，建筑师与其他领域 工作人员的沟通不够深入，虽然很多建筑师已经意识到该类 问题，但由于行动意识不足，导致相关工作的开展不具备深 入性。为此，在光伏建筑设计前期，与各个专业团队建立良 好的合作关系，将重点内容集中在光伏与建筑的相互结合上。到了设计后续，同样需要与其他专业工程师保持密切沟通， 维护光伏系统的全面设计。

（三）技术与艺术的平衡

光电光热构件的应用，需要以太阳能运作为基础，满足 其特殊性应用要求，受此影响，致使太阳能光电光热住宅一 体化方案设计难度大幅提升。从上述内容中能够了解到，光 伏技术的应用对建筑物造型提出了一定要求。另外，建筑与 光伏组件结合，应呈现出严谨性特点，该内容也是太阳能光 电光热住宅建筑一体化方案设计的突破点。设计初期，工作 人员应明确项目的整体发电量需求，以及外观的示范效应情 况，以具体建筑类型设计为出发点，建设不同风格的光伏建 筑。在此过程中，相关人员需要对光伏建筑中的光伏元素重 点内容进行合理把控，在降低工程建设任务量的同时，将建 筑矛盾点合理解决，把握好重点设计内容，让建筑技术与建 筑设计处于良好融合状态。

五、结语

近年来，我国各地区政府开始提升对太阳能资源利用的 重视程度，这也让光电光热住宅建筑市场得到了深入开发， 该类建筑能够对太阳能资源进行充分利用，保证实际设计内容的可行性。另外，在PV/T构件帮助下，能够让光电光热性能得到更好的展示，通过合理的组合模式，呈现出更好的 建筑节能效益。

参考文献

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[3]赵义善．基于太阳能光电光热的污水处理系统设计 [J]．光源与照明，2022（6）：91-93.

本文为郑州科技学院2021年大学生创新创业训练计划项目“新型太阳能光热光电采暖系统设计”（编号：DC202163）阶段性成果