光伏屋顶形式优化的实验和理论研究

天津大学硕士学位论文光伏屋顶形式优化的实验和理论研究ExperimentalandTheoreticalStudyonPhotovoltaicRoofs学科专业：化工过程机械研究生：任建波指导教师：王晓静副教授王一平教授天津大学化工学院二零零六年一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要随着建筑能耗在社会总能耗中的比重越来越大，将太阳能等可再生能源利用技术与建筑物相结合，对于缓解常规能源短缺，改善建筑环境具有重要意义。光伏建筑一体化提出了一种新的可再生能源的利用方式。本文针对现有光伏建筑一体化理论模型的缺点和不足，对三种典型的光伏屋顶，即带有通风流道的光伏屋顶，封闭通风流道的光伏屋顶，不带通风流道的光伏屋顶，以及普通屋顶，提出新的理论模型。该模型将光伏组件分成五层来考虑，从上到下依次为：玻璃盖板、上层EVA（聚乙烯－醋酸乙烯酯）、太阳电池、下层EVA、背板TPT（Tedalr复合氟塑料膜）层，分别考虑各层之间的传热以及光伏组件表面和环境之间的传热；发展了Sandia光伏组件电性能模型，考虑光伏组件的电性能；以辐射时间系数（RTS）负荷计算方法为基础，计算通过光伏屋顶的室内冷/热负荷。本文在天津地区建立了三种光伏屋顶和普通屋顶的对比实验台，并分别考察了它们的热性能。将理论计算结果和实验结果进行对比，结果表明所建立理论模型能够很好的预测光伏屋顶的性能。在此基础上，对比了三种光伏屋顶对光伏组件电性能的影响、光伏组件和建筑结合之后对建筑外围护结构保温隔热性能的影响，以及光伏屋顶对建筑室内冷/热负荷的影响。最后，选取我国五个建筑热工分区（严寒地区,寒冷地区,夏热冬冷地区,夏热冬暖地区以及温和地区）典型城市的气象数据，分析了三种光伏屋顶的性能，得出了不同气候条件下最优的光伏屋顶形式。关键词：光伏屋顶围护结构热性能建筑冷/热负荷数学模型ivABSTRACTToimprovebuildingenergyefficiencyandreducefossilfueldependence,itisimportanttocombinesolarenergytechnologywithenergy-efficientconstructiontechniques.BIPV(BuildingIntergradedPhotovoltaic)canplayadecisiveroleintransformingbuildingfromanenergyconsumertoanenergyproducer.TopredictaccuratelytheBIPVsystemperformance,newmodelswasdevelopedforthreedifferentbuildingintegrations,whicharePVroofswithventilatedairgap,non-ventilated,andtheclosemount,respectively.PVmodulewasregardedasfivelayers:temperedglasscover,upperEVA,solarcell,lowerEVA,andTPT.HeattransferbetweenfivelayersandbetweenPVmoduleandambientenvironmentaretakenintoaccount.ThenewmodelscombinedthePVSandiaelectricalperformancemodelandRadiantTimeSeriesmodelforbuildingheatingandcooingloadtocalculatethePVpoweroutputandbuildingthermalloadthroughPVroof.ThreePVroofsandconventionalroofweresetupinTianjin,Chinaandtheirthermalperformancesareanalyzed.TheexperimentalvaluesandtheoreticalvaluesarecomparedandtheresultsshowthatthemodelcanpredictaccuratelythermalperformanceofPVroofs.Thenbasedonthemodel,thePVpowerandbuildingthermalperformancewereinvestigatedafterinstallingdifferentPVintegrations.Lastly,theappropriatemethodforPVroofwasevaluatedinfivebuildingzones(severecoldzone,coldzone,hotsummerandcoldwinterzone,hotsummerandwarmwinterzone,temperatezone).KEYWORDS：PVroofs,Thermalperformanceofbuildingenvelope,Cooling/heatingload,mathematicalmodeli目录前言..........................................................................................................................1第一章文献综述..........................................................................................................31.1能源、资源与环境...................................................................................31.1.1化石能源利用现状.........................................................................31.1.2太阳能利用技术.............................................................................41.2建筑节能与太阳能建筑...........................................................................41.2.1建筑能耗.........................................................................................41.2.2建筑节能.........................................................................................51.2.3太阳能建筑.....................................................................................61.3光伏建筑一体化.....................................................................................111.3.1光伏建筑一体化的形式...............................................................111.3.2光伏建筑一体化的发展计划.......................................................121.3.3光伏建筑一体化的研究进展.......................................................121.4建筑能耗分析方法的研究进展.............................................................161.4.1建筑空调负荷计算方法的研究...................................................161.4.2建筑能耗模拟软件的发展...........................................................171.5论文工作的提出.....................................................................................18第二章光伏屋顶理论模型的建立............................................................................202.1系统建模分析.........................................................................................202.1.1传热过程分析...............................................................................202.1.2模型假设.......................................................................................212.2光伏屋顶的热平衡模型.........................................................................222.2.1带通风流道的光伏屋顶...............................................................222.2.2封闭通风流道的光伏屋顶...........................................................272.2.3不带通风流道的光伏屋顶...........................................................272.2.4普通屋顶.......................................................................................282.3光伏组件的电性能模型.........................................................................282.4冷热负荷计算模型.............................................