基于熱島效應的樓宇太陽能光伏電池的能效分析

欒瑞瑛,盧艷林，秦 淵，商雨禾，秦漢時，侯佑民

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430061；2.南京師范大學能源與機械工程學院，江蘇 南京 210046；3.湖北經濟學院低碳經濟學院，湖北 武漢 430205；4.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

0 引言

城市熱島(Urban Heat Island)是指由于城市化所引起的城市地表及大氣溫度高于周邊非城市環境的一種現象。而使城市熱島形成和加強的效應，即稱為“城市熱島效應”[1]。多年來，各國學者圍繞城市熱島的形成原因[2-3]、形態與結構[4]、過程與變化[5]、機制與模擬[6-7]等四個方面展開了大量研究。研究發現，土地利用類型的不同會導致城市熱島效應產生相應的變化，如水泥、瓦片結構的建筑物、廣場、居民地、橋面、道路等城市用地，由于人為釋放熱量大、溫度高，會促進城市熱島效應。而以土壤為主的裸地、植被以及水體等表面由于能反射更多的太陽能，降低供熱負荷，會緩解城市熱島效應[8-9]。

但是城市太陽能系統的發展有可能導致城市環境的變化，該變化可能會影響城市氣候，造成城市熱島效應。例如，Campra等[10]在研究西班牙東南部阿爾梅里亞地區大量建造的高反射率棚屋的情況時，發現當地溫度發生了顯著的降低。還有一些研究人員利用中尺度氣象模型來研究城市反射率的增加對城市熱島的影響，如Taha等[11]發現在全加州六個繁忙都市的相關地點采用反射率高的建筑材料導致了1～2 K的環境溫度降低。Synnefa等[12]和Lynn等[13]的研究表明，在雅典和紐約也有著類似的結果。Zhou和Shepherd[14]在亞特蘭大同樣發現了由于城市建筑物反射率的增加引起的約2 K的環境溫度降低量。這些研究也說明了，減少城市建筑表面的反射率會導致城市溫度的升高。Akbari估計，相對于反射率較低的黑色屋頂而言，使用反射率高的白色屋頂可以為全美每年提供高達10億千瓦時(1013 Wh)的節能潛力[15]。該報告中所提到的節能潛力大約可以達到全部建筑用電量的0.5%。另一項建筑能耗的模擬研究也發現，白色屋頂在夏季中午能夠降低地表溫度約8 K，從而降低約3%的年能源消耗量[16]。

建筑物壁面在城市可持續發展方面扮演著越來越重要的作用，發電、降低建筑能耗以及減輕熱島效應等各種屋頂技術已經取得了長足的進步。雖然一些現有的研究已經探索了這些技術的功效，但這類研究通常局限于單個技術的分析，缺乏對屋頂表面能量平衡的綜合量化分析。通過對城市大量建造太陽能光伏建筑而導致熱島效應產生的能源消耗增加進行更多的機理研究，可再生能源政策和雙碳政策在城市的推廣上可能會發生的改變[17]。這種變化有可能導致城市建筑物壁面發生革命性的改變，還可能會導致城市環境發生變化。因此，探索和研究以太陽能光伏為主要來源的能源系統在城市建筑物壁面上的應用，以及其引起的建筑物能效變化相對的優勢，對于構建低碳城市、推動可再生能源消納是很有必要的。

1 基本模型

本文利用Comsol軟件對一個小區上的建筑物上安裝的不同朝向的光伏電池發電能力和可能導致的環境影響進行了系統的分析和研究。圖1為一個3×3的建筑群，每棟建筑的尺寸為20 m3×40 m3×25 m3，兩兩之間縱向相隔20 m，橫向相隔40 m，建筑使用面積約為72 000 m2，將該建筑群置于一個200 m3×250 m3×40 m3的空間中，該小區的容積率約為1.5，符合國家規定的高層住宅小區的容積率。該區域的地理位置以北京市為參考，區域中存在的環境風沿圖1中X軸的方向從左向右流經整個區域。

圖1 Comsol計算模型的示意圖及尺寸

1.1 環境參數和光伏電池材料參數的設定

環境參數以北京的氣象參數為設置對象，Comsol傳熱模塊自帶相應氣象環境的參數。為了簡化數值模擬的計算量，研究中涉及的傳熱模型基于以下幾點假設：

(1)忽略了光伏電池面板與建筑物之間的接觸熱阻；

(2)忽略了建筑物內部空間的傳熱問題，將建筑物等效成為一個實心的整體；

(3)鑒于本文只考慮建筑物壁面對于空氣加熱的問題，忽略了地面溫度對空氣的加熱影響。

環境及建筑物壁面的材料參數主要如表1所示。

表1 建筑物壁面的材料參數與環境條件

2 情景設置與計算

2.1 不同時間不同朝向的壁面光伏發電功率

圖2左列為北京夏季典型日(8月20日)的模擬計算結果；右列為北京冬季典型日(2月20日)的模擬計算結果。圖2中各行分別代表當日內不同時刻下的不同壁面的太陽能光伏電池的發電功率。其中，第一行為早上6時，第二行為早上10時，第三行為中午14時，第四行為下午18時。模擬結果表明，小區不同朝向的建筑壁面上的太陽能光伏發電功率有著很大的區別。值得注意的是，由于建筑物之間存在相互遮擋的情況，不同壁面上的太陽能光伏發電功率差異較大。如圖2所示，夏季早上6時，西面的兩排建筑物壁面被遮擋，從而導致了大部分壁面無法受到太陽光輻照，而東面第一排建筑上具有相同朝向的壁面由于沒有遮擋，所受到的太陽輻射強度超過了700 W/m2。

圖2 夏季和冬季典型日小區不同朝向壁面上的太陽能輻照情況

由圖3和圖4可知，由于氣候的影響，太陽能光伏電池發電的性能在兩種季節間存在明顯的差異。在夏季，太陽能光伏電池的工作時間從早上5點左右持續到下午19點左右，而在冬季，太陽能光伏電池工作時間從7點持續到18點，發電時長縮短了約2個小時。不同壁面上的太陽能電池的功率也隨著季節的不同發生了變化。相對于夏季而言，除了朝南的光伏電池外，其它朝向的光伏電池發電量都隨著冬季的到來，呈現出不同程度的下降(圖4)。這種現象一方面是由于冬季的日照時間較短，另一方面也是由于冬季的日輻照強度降低。

圖3 夏日內不同朝向壁面上光伏電池的功率曲線

圖4 冬日不同朝向壁面上光伏電池的功率曲線

建筑物頂部安裝的太陽能光伏電池和朝南的太陽能光伏電池功率也表現出了季節性變化。在夏季中，頂部的太陽能光伏電池發電量明顯高于朝南的光伏電池，而在冬季，朝南的光伏電池的發電量要高于頂部的太陽能光伏電池。值得注意的是，朝北的太陽能光伏電池的性能和發電量在5種朝向的太陽能光伏電池中最差，特別是在冬季情況時，朝北的太陽能光伏電池基本無法正常工作，發電量幾乎為零。這是由于冬季時太陽在天空中的位置更偏向南方，因此朝南的太陽能光伏電池獲得更多的光照時間，而朝北的光伏電池失去了大量的光照時間而導致的。

2.2 熱島效應的模擬與計算

由于整個區域的空氣溫度分布并非均勻，靠近建筑物的空氣溫度高，遠離建筑物的空氣溫度低(如圖5所示)。為了量化分析太陽能光伏面板對整體空間的影響，本文提出了2個參數，即區域內實時環境溫度和區域內平均環境溫度。實時環境溫度T指的是在當前時間下區域內全部空氣溫度的平均值，而平均環境溫度Tavg可以通過如下公式表示

圖5 區域內下午3點時的區域溫度分布(高度20 m)

(1)

式(1)中t表示時間。平均環境環境溫度Tavg代表了在一段時間t內，整個區域的熱島效應的強度。圖6和圖7是夏季和冬季24 h內實時環境溫度和平均環境溫度隨時間變化的曲線。

如圖6所示，安裝太陽能光伏電池之后，夏季時建筑物周圍環境溫度比不安裝太陽能光伏電池的水泥壁面的實時環境溫度之差最高可達0.26 K，而平均環境溫度之差最高約為0.13 K。而冬季情況如圖7所示，24 h內的實際環境溫度之差最高可以達到0.20 K，平均環境溫度之差最高可以達到0.09 K。

圖6 夏季典型日小區溫度變化

圖7 冬季典型日小區溫度變化

圖6和圖7都說明建筑物壁面使用太陽能光伏面板之后會導致區域的溫度升高，熱島效應加劇。這是由于太陽能光伏電池板的反射率(0.1)遠遠低于水泥壁面的反射率(0.5)，使得超過30%的額外太陽能輻射被太陽能光伏電池板吸收，而同時只有不到15%的太陽能輻射能量被光伏電池轉化為電力，多余的太陽能輻射則會加熱太陽能光伏電池板使其溫度上升，同時引起周圍空氣溫度的上升。

以上的分析是基于一天內環境溫度的變化，若考慮更長時間區間下該區域內的溫度變化，如圖8所示：實時的環境溫度隨著白天太陽的升起而不斷升高，而隨著夜晚的到來而有所降低，但由于建筑物白日的吸熱量較大導致夜晚不能完全將這部分熱量散發掉，使得下一天的初始溫度高于前一天，因而導致了這個區域內的溫度不斷上升，熱島效應加劇。從計算結果來看，第一天的峰值溫差約為0.26 K，平均溫差在0.13 K、第二天的峰值溫差約為0.36 K，平均溫差為0.18 K、第三天的峰值溫差約為0.54 K，平均溫差約為0.26 K，而到了第七日，峰值溫差為1.07 K，平均溫差為0.53 K。而且，峰值溫差基本出現在下午4點附近。同時我們可以從圖8(b)中的數據中發現Tavg的升高速度在不斷增加，這說明熱島效應強度增幅會隨著時間而增強。

圖8 夏季一周太陽能光伏電池與普通水泥壁面溫度變化

通過圖9可知，在冬季時，該區域內的環境溫度同夏季情況一樣，會隨著白天太陽的升起而不斷升高，而隨著夜晚的到來而有所降低。但有所不同的是，使用太陽能光伏電池作為壁面和使用水泥作為壁面兩種情況下的溫度之差低于夏季，如第一天的峰值溫差為0.20 K，平均環境溫差為0.08 K，第二天的峰值溫差為0.28 K，平均環境溫差為0.13 K，第三天峰值溫差為0.37 K，平均環境溫差為0.18 K，而第七日的峰值溫差為0.72 K，平均環境溫差為0.36 K。在冬季中，峰值溫差一般出現在下午5點半左右。這些差異主要是因為在冬季的日輻照總量低于夏季，建筑物受到太陽能輻照較少，從而向環境散發的熱量少所引起的。

圖9 冬季一周太陽能光伏電池與普通水泥壁面溫度變化

3 能耗分析

如果按照田等[18]關于北方地區熱島效應對建筑物影響的能耗變化情況分析來看，在一天中，熱島效應強度每增加1 K，當地空調能耗將平均增加10.2%，采暖能耗將減少4.31%。如果按照1 m2的建筑使用面積所需的空調能耗為2.4 kWh，取暖能耗為6 kWh(制冷時間為每天12 h，每小時功率200 W/m2，取暖時間為24 h，功率為250 W/m2)來計算。對于本研究中的小區而言，使用面積約為72 000 m2，因此，考慮到熱島效應后，光伏電池在本文研究的區域中的能效分析結果如圖10所示。

圖10 夏、冬季中的采用光伏電池的日發電量、熱島效應引起的能耗變化以及實際能源利用量

通過圖10中所示數據我們可以發現，由于熱島效應在夏季增加了制冷所需的能耗，導致了光伏電池在夏季發出的電力需要額外支付制冷所增加的能耗，因此實際能利用的發電量為實際發電量與額外支付制冷所需發電量的差值，約為11 103 kWh；在冬季由于熱島效應減少了采暖所需的能源，所以實際能利用的能量為實際發電量與減少采暖所節約的能量之和，約為10 997 kWh。

將時間延長至一周進行考慮時，由于熱島效應的不斷累積，小區光伏電池的能源利用量的變化如圖11所示。

圖11 考慮熱島效應后太陽能光伏的實際能源利用

由于熱島效應的不斷加劇，在夏季由光伏電池所產生的電量逐漸被熱島效應加劇導致提升的制冷需求抵消，實際能量利用量在不斷下降。在第七日，小區光伏電池的實際能源利用量只有4 053 kWh，只占太陽能發電量30%左右。而在冬季，由于熱島效應導致的溫度升高，使得該區域內采暖能耗降低，因此使得實際能源利用量不斷增加，在第七日可以達到16 024 kWh，為小區光伏電池太陽能發電量的168%。

4 結論

本文通過研究建筑物上的光伏電池，得到如下結論：

(1)光伏電池的發電量受壁面朝向和季節因素的影響。冬季中不同朝向的光伏電池(除朝南外)單位面積發電量都有不同程度的降低，頂層的光伏電池的發電量下降了約50%，而朝南的光伏電池由于在冬季能夠受到更多的太陽能輻照，發電量較夏季有所上升。

(2)由于太陽能光伏電池的反射率(10%)遠低于水泥壁面(50%)，光伏電池作為壁面會加劇小區熱島效應，導致夏季最高溫差為0.26 K，平均溫差為0.13 K；冬季最高溫差為0.20 K，平均溫差為0.09 K。

(3)夏季熱島效應導致建筑溫度提高，使得其制冷能耗增加，從而導致光伏電池實際的能源利用量從13 395 kWh降低到11 103 kWh；冬季熱島效應導致建筑溫度升高，使得其采暖能耗的減少，從而導致光伏電池的實際發電量從9 507 kWh升高到了10 997 kWh。

(4)模擬區域內采用光伏面板的建筑在長時間(如一周時間)的熱島效應作用下，平均環境溫度不斷上升。在夏季，第七日的實際環境利用量只能達到其發電量的約30%；而在冬季，在第七日上升到其實際發電量的168%。