与传统光伏系统不同，BIPV系统必须同时优化发电效率和建筑热舒适性
[5],[6]。其主要挑战在于光伏转换和热传递过程之间的复杂相互作用
[7]。太阳辐射驱动发电，但也会提高模块温度
[8]。环境因素，如环境温度、风速
[9]、空气通道设计
[10]和墙体热性能
[11]，共同影响系统内的能量传递。这种多物理场的相互作用使得BIPV优化成为一个复杂的多变量任务：需要在发电和热损失之间取得平衡，同时满足不同气候的需求——高太阳辐射地区需要增强散热以保持效率
[12]，寒冷气候需要隔热以减少供暖需求
[13]，而潮湿炎热地区则面临发电损失和增加的冷却需求
[14]。因此，创建一个响应气候的BIPV设计框架对其可持续实施至关重要。
所提出框架的基础是热电耦合建模方法。值得注意的是，具有空气通道配置的BIPV立面在传热和通风原理上与通风立面系统有显著相似之处[15]。因此，BIPV建模研究可以与已建立的空腔对流-辐射耦合和快速预测方法紧密结合[16]。现有的BIPV模型从高保真度到系统级别都有：一维稳态或集总参数模型计算成本较低[17]，但往往简化了表面对流、辐射和通道内的流动[18]，这在混合对流或强瞬态边界条件下可能导致系统误差[19]。计算流体动力学（CFD）模型及其耦合方法可以准确捕捉通道内的流动模式和热传递[20]，揭示了通道间距和风速等因素如何显著影响冷却效率和温度分布[21]。然而，这些模型计算成本较高，限制了其在年度模拟和参数空间探索中的应用[22]。为了在准确性和效率之间取得平衡，通常使用多节点热模型[23]、控制体积[24]和区域模型[25]来分析通风空腔中的热传递[26]。虽然这些方法可以描述非均匀温度场和耦合热传递过程，但它们的结果仍受边界条件、参数校准和年度尺度评估中的离散化策略的影响[27]。此外，还需要额外的现场数据验证来更好地定义其适用性并考虑不确定性[28]。因此，本研究旨在开发一个在物理准确性和计算效率之间取得平衡的建模框架，确保其适用于年度尺度计算，同时利用现场测量来验证其在跨气候应用中的可靠性。
除了方法论挑战外，通风BIPV系统的性能还受到结构参数与气候条件相互作用的影响。设计参数，如通道间距、进出口配置和立面高度，直接影响通道内的流动组织和对流热传递强度[29]，进而影响模块温度、室内热增益/损失和发电输出[30]。在现实世界的室外环境中，风向和风速的变化[31]、局部湍流以及立面几何形状和太阳入射角的综合作用会导致参数影响的显著时间和区域差异[32]。此外，当前的性能评估通常关注个别指标[33],[34]，并且在热分析和电气分析中使用不一致的边界条件和时间尺度，使得跨研究比较和系统级优化变得复杂[35]。在这种情况下，虽然等效传热系数等指标可以有效表征围护结构侧的热强度（如我们之前的研究所述[36]，但通风BIPV系统需要一个统一的、年度尺度的综合评估框架，具有一致的边界条件和时间尺度。这对于指导设计决策和提取不同气候下的性能模式至关重要。基于之前关于等效传热系数的研究，本研究提出在一个统一的年度尺度加权框架内结合热性能和电气性能评估。这种方法将识别影响热电性能的关键设计参数的主要机制和变化范围，提供关于它们在不同气候条件下的影响的见解。
本研究开发了一个综合框架，整合了机制建模、实验验证和跨气候设计原则（图1）。我们提出了一个创新的多节点热模型，结合了气流网络、分区能量平衡和光伏电气建模，确保了计算效率，同时准确捕捉了对流和温度分层等关键过程。该模型的预测能力通过多季节现场数据和跨气候模拟得到了验证。创建了一个多维度性能评估系统，涵盖了发电、热特性和节能效益。在中国六个气候区的参数研究量化了关键设计参数对系统性能的非线性影响，揭示了热电协同作用的地理差异。基于参数耦合分析和多目标优化，我们提出了针对不同气候适应目标的定制设计策略和优化方法。这项研究为优化BIPV系统性能和适应性设计提供了支持和定量证据。
