F. Lotfipoor | M. Eslami | K. Jafarpur | A.M. Maleki
伊朗设拉子大学机械工程学院
**摘要**
建筑集成光伏（BIPV）系统将太阳能电池板集成到建筑围护结构中，使其既可作为电力发电机，也可作为建筑构件。由于光伏组件的电气效率和功率输出会随着工作温度的升高而线性下降，因此热管理在其性能中起着关键作用——尤其是在炎热干燥的气候条件下，存在过热的风险。本研究分析了适用于炎热干燥地区的BIPV双层幕墙（BIPV-DSF）系统的热行为和年性能。通过同时求解墙体和光伏组件中的二维能量方程，并结合通过解析方法获得的一维空气流动方程，开发了一个混合数值-分析模型。结果表明，在一年中最热的日子里，光伏面板的最高温度为61.8°C，仍低于商用光伏组件的临界温度限制。几何参数的变化对系统性能的影响较小。在不同类型的光伏技术中，非晶硅的光伏组件工作温度较高，效率较低。此外，在强制对流冷却条件下的性能分析与自然对流情况相似；随着建筑高度的增加，温度接近自由对流条件下的最大值。最后，对三种幕墙朝向的年性能评估显示，朝南的系统的电力输出最高，为209.7 kWh/m²。由于强制对流仅使净发电量增加了1%，因此自然通风的BIPV-DSF系统是更实用且高效的选择。
**1. 引言**
建筑物产生的全球能源相关二氧化碳排放量超过三分之一，这既源于其运行过程，也源于建造过程。随着能源需求的增加和环境问题的关注，整个建筑价值链中对可持续解决方案的关注度不断提高[1]。为应对化石燃料对环境的影响，全球范围内加大了提高建筑能源效率和采用清洁能源（特别是太阳能光伏）的力度。由于太阳能的丰富性、成本下降以及政策支持，光伏系统已成为可持续发电的领先技术。仅2023年，全球太阳能光伏装机容量就增长了80%以上——主要得益于中国的快速扩张和制造业发展——使得太阳能光伏越来越具有成本效益，并预计到2030年将贡献全球17%的电力。随着太阳能光伏的持续发展，人们正在探索将其进一步集成到日常基础设施中的创新应用[2]、[3]、[4]。
集成到建筑围护结构中的太阳能电池板被称为建筑集成光伏（BIPV）。这些系统不仅能够发电，还充当功能性建筑材料，替代传统的立面、屋顶或窗户[5]、[6]。除了发电外，这样的立面还可以帮助减少夏季的热量进入和冬季的热量损失。通过结合美学、功能性和发电能力，BIPV系统使建筑物从单纯的能源消费者转变为能够通过光伏系统产生部分甚至全部所需能源的单元。然而，在炎热干燥的地区，由于强烈的太阳辐射和高环境温度导致硅光伏面板过热是一个严重问题。在这种气候条件下，面板温度可达到75°C，从而导致效率损失约25%[7]。光伏组件的电气效率和功率输出会随着工作温度的升高而线性下降，因此温度是光伏性能的关键因素[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。因此，应设计光伏面板与建筑立面之间的空气间隙，以确保面板后部有适当的通风，从而降低其温度。如果面板与建筑围护结构之间没有间隙，可能会导致热桥效应，使不必要的热量传递到建筑物内部。因此，评估通风空气通道中的热传递过程并预测所提出模型的气流行为至关重要。在分析研究中，Tonui和Tripanagnostopoulos[13]证明，当通道厚度保持在5至10厘米之间时，双层光伏系统能够实现最佳的热性能。他们还应用Boussinesq近似法在通道的进出口处推导出了光伏通道内的质量流量表达式，并通过实验数据验证了这一相关性，建议在分析研究中使用该表达式。此外，Brinkworth等人[14]、[15]、[16]、[17]对光伏面板冷却通道中的流体流动和热传递进行了多项分析研究。他们提出了一种简化的一维循环分析方法，其中由于温度差异产生的浮力与摩擦引起的压力损失相平衡，同时考虑了进出口处的风速影响。Sandberg和Moshfegh[18]使用集总分析方法研究了空气通道几何形状和光伏组件布置对BIPV立面内气流的影响，并将结果与实验室规模实验数据进行了比较。为了扩展这一研究方向，Dubey等人[19]从分析角度推导出了带有和不带有后部气流通道的光伏面板电气效率的关系模型，该模型以设计和气候参数为函数。作者在多种环境条件下进行了实证测试以验证他们的模型。此外，Vats和Tiwari[20]开发了带有和不带有气流通道的BIPV系统的热模型，包括房间和每个子系统的能量平衡方程，并推导出了预测这些配置下室内空气温度的分析相关性。Šućurović等人[21]开发了一种用于垂直集成光伏模块被动冷却的稳态热模型，该模型结合了湍流自由对流的实证相关性来估算气流速度和平均光伏温度，证明了太阳能烟囱是立面集成光伏系统的有效被动冷却策略。
许多研究使用数值方法分析BIPV系统，因为这些方法能够有效模拟温度和流场，为系统设计提供宝贵见解。Zogou和Stapountzis[22]研究了将光伏组件集成到三层建筑朝南立面中的可行性，以同时利用产生的电力和废热。他们使用TRNSYS软件模拟了在冬季和夏季气候条件下的系统性能，通道内采用强制对流气流。他们的结果强调了优化气流速度和通道尺寸对光伏立面性能的关键重要性。Lau等人[23]通过数值方法研究了双层光伏系统通道中的浮力驱动气流，考察了15°至90°之间的倾斜角度。他们的模拟表明，增加通道角度可以增强热传递，从而降低组件温度。该研究还强调了自然对流场景中辐射热传递的重要性，在他们的模型中占总热传递的10-15%。Gan[24]、[25]开发了自然通风双层光伏系统的数值模型，研究了通道厚度对不同屋顶坡度和组件长度下太阳能组件性能的影响。该研究确定了防止组件过热的最低推荐通道厚度，具体数值取决于组件长度。
许多实验研究也考察了BIPV系统的热行为。在其中一项研究中，Fossa等人[26]研究了开放式通道中的自然对流，使用了替代太阳能组件的各种空间配置的加热器。此外，基于他们的实验数据，他们提出了通道内局部和平均努塞尔数的相关性。Zogou和Stapountzis[27]开发了一个实验模型，研究了室外环境条件下双层光伏系统的瞬态热行为。实验在通道内进行了自然对流和强制对流，空气最终通过一个收敛的管道排出。他们的结果表明，使用风扇可以显著降低光伏组件的平均温度，从而提高其整体性能。Dehra[28]评估了安装在室外环境中的光伏立面系统的能源性能。该系统通过自然气流或风扇强制对流进行通风。结果显示，自然通风的最大综合电气和热效率为31.4%，强制通风为37.6%。Agathokleous和Kalogirou[29]通过实验建模研究了室内和室外条件下的双层光伏系统，基于实验结果提出了通道内努塞尔数的相关性。然而，这些相关性仅适用于所测试系统的特定几何尺寸。随后，Agathokleous和Kalogirou[30]对其先前测试的模型进行了数值模拟，并使用推导出的努塞尔数相关性研究了系统高度和通道厚度变化的影响。他们的结果表明，增加系统高度会增加所有通道厚度下的组件最高温度。Kaiser[31]进行了实验研究，考察了通道深度与高度之间的纵横比以及风扇强制气流对组件温度及其电气效率的影响，研究了在不同太阳辐射和环境温度条件下的情况。他们的结果表明，较大的通道纵横比可以在最低气流速率（0.5 m/s）下减少组件温度。他们确定最佳纵横比为0.11，以最小化过热现象。他们还表明，在强制对流条件下，系统的电力输出比自然对流条件下增加了19%，尽管未考虑风扇的功耗。Timchenko[32]也研究了双层光伏立面（PV-DSF）通道中的热传递和自然对流流动，其中热量通量施加在整个或部分外墙上。他们的结果表明，墙温从通道入口向出口逐渐升高，然后在出口附近降低。
在建筑集成双层光伏系统中进行准确的热传递分析严重依赖于边界条件和热传递系数的正确评估。许多研究在各种边界条件下研究了垂直通道中的自然对流[33]、[34]、[35]、[36]。对于不透明的BIPV-DSF系统，最接近的边界条件是不对称恒定热通量[35]、[37]、[38]。光伏组件作为暴露在恒定太阳辐射通量下的外壁，而建筑立面由于其厚度可以视为隔热的内壁。一个可靠的热传递相关性是Bar-Cohen和Rohsenow[33]模型，适用于具有恒定温度或恒定热通量的对称和不对称边界条件。该相关性是针对一维层流情况分析得出的。它结合了窄通道和小雷诺数下的努塞尔数项，以及宽通道和大雷诺数下的努塞尔数项。随后，Olsson[39]研究了层流条件下垂直平行板之间自然对流的努塞尔数相关性和质量流量。该研究提出了适用于中间雷诺数和对称等温边界条件的新努塞尔数关系。Cipriano[35]对自然通风BIPV-DSF中的平均努塞尔数相关性进行了严格评估，他们的分析使用了不可压缩Navier-Stokes方程来模拟通风通道内的气流。他们的分析表明，Bar-Cohen和Rohsenow[33]的相关性在不对称恒定热通量边界条件下与数值数据最为吻合，这是BIPV应用中最具物理相关性的配置。
在太阳能潜力高的炎热气候条件下，利用BIPV系统至关重要。然而，在这些地区，针对此类系统的数值和实验研究仍然有限。Chow等人[40]实验研究了作为外层玻璃层的半透明光伏系统的性能变化，将其与亚热带地区的独立半透明光伏面板进行了比较。他们在各种冷却条件下测量了系统温度，包括强制通风、自然通风和无通风情况。在相关研究中，Han等人[41]评估了温度对类似Chow等人[40]研究的系统效率的影响。他们的研究结果表明，提高半透明光伏电池的温度对性能的影响很小；温度升高15°C仅导致转换效率下降0.29%。Kumar等人[42]使用三种不同的太阳能电池板技术在热带气候条件下模拟了建筑应用光伏（BAPV）和双层光伏（BIPV）系统的性能。通过评估能量效率、性能比和性能系数等参数，他们得出结论认为CdTe技术表现出更优越的能量传输性能。在随后的研究中，他们比较了集成在建筑物屋顶和立面中的CdTe基BIPV系统的性能[43]。研究结果表明，集成在朝北立面中的BIPV系统比安装在其他朝向的屋顶或立面上的系统具有更好的性能比。此外，Salameh等人[44]使用TRNSYS软件模拟了阿拉伯联合酋长国的一个建筑，以评估当南向窗户被非晶硅光伏玻璃替换时的冷却负荷。然而，该研究没有调查光伏系统的效率或工作温度。Yang等人[45]进行了一项实验和数值研究，评估了应用于澳大利亚朝北办公立面的建筑集成光伏/热双层皮肤（BIPV/T-DSF）系统的性能。该系统在三种气候条件（达尔文、悉尼、堪培拉）下进行了评估，并在非通风、自然通风和机械通风模式下进行了测试。结果显示，使用钙钛矿基电池的机械通风DSF通过减少加热和冷却负荷实现了最高的节能效果，同时全年保持稳定的电力输出。在另一项数值研究中，Preet等人[46]评估了在印度复合气候条件下强制通风的PV-DSF系统的性能。研究了空气腔厚度和气流速度对表面温度和太阳得热系数（SHGC）的影响。结果表明，将空气腔从50毫米增加到250毫米，在自然通风系统中使SHGC降低了12%，而在强制通风条件下，200毫米的空气腔在5米/秒的气流速度下使SHGC降低了19.24%。与自然通风相比，强制通风在同一腔尺寸下使SHGC降低了36%。强制通风系统中的持续热量移除导致光伏表面温度降低并提高了电力输出。最近，Fu等人[47]开发了一个基于TRNSYS的模型，并通过长期实验数据进行了验证，以研究BIPV立面系统的热电性能，包括电力输出、空气热回收和室内热传递。在中国不同气候区进行了参数敏感性分析。这项研究表明，空气通道宽度和热绝缘在优化BIPV立面性能方面起着关键作用。
上述文献综述表明，已经进行了多项关于BIPV系统的研究，每项研究都有不同的目标。Chen等人[5]以表格形式概述了现有的研究，比较并明确说明了它们的方法论方法和基本假设。此外，这项工作还研究了光伏电池的技术方面以及BIPV系统的集成，评估了影响BIPV应用功能和设计的几个因素。然而，只有少数研究直接针对炎热干旱气候下这些系统的性能进行了研究。Chow等人[40]研究了亚热带地区的BIPV系统，而Han等人[41]仅关注了光伏面板在炎热潮湿气候下对室内温度的影响。Kumar等人[42]、[43]比较了不同的光伏技术和BIPV配置，但没有讨论热性能或太阳能系统的最高温度。虽然Preet等人[46]研究了强制通风的PV-DSF系统，但他们的研究仅限于复合气候条件，没有评估自然通风策略或全年朝向效应。Fu等人[47]在多种气候条件下推进了热电建模，但没有特别解决极端高温下的过热风险或优化设计。此外，只有有限的研究考察了BIPV系统在不同地理朝向下的全年性能。此外，对于光伏层中的温度分布和在高海拔地区过热的可能性也关注不足。因此，为了确保BIPV系统在炎热干旱地区的实际应用，首先需要评估其在夏季高温下的性能、温度分布和效率，然后对其在不同朝向下的全年行为进行全面评估。
因此，本研究旨在开发一个混合数值-分析模型，以研究通风BIPV-DSF系统的性能，并重点关注其在炎热干旱气候下的性能。本研究的具体目标和创新点如下：
- 开发一个混合数值-分析模型，用于分析任意BIPV-DSF系统不同组件的热传递并获得温度分布。
- 评估夏季条件下面板过热的风险并评估光伏效率。
- 研究设计参数对系统性能的影响。
- 在炎热干旱气候条件下研究潜在的冷却策略。
- 提供每月性能结果，以评估系统在不同地理朝向下的性能。
2. 系统配置和问题定义
所考虑的BIPV-DSF系统由三个主要组件组成：光伏面板、建筑立面墙和空气通道，分别作为系统的外层、中层和内层，如图1所示。立面墙是由面砖层、水泥灰泥、砖砌体以及一层石膏和土壤组成的传统墙体。当暴露在太阳辐射下时，光伏面板不仅产生电能，还会发热，随后与外部环境和通道内的空气进行热交换。它通过对流和辐射热传递机制在两侧得到冷却。光伏面板安装在距离墙体一定距离的位置，周围边缘被密封，形成一个空气通道。空气可以从底部自然进入或通过风扇进入，并从顶部排出。参数L和W分别表示系统在y方向和z方向的高度和宽度，t表示x方向上的空气通道厚度。
3. 数学建模
3.1. 控制方程
在制定光伏层的能量平衡方程时，考虑了以下假设：
- 假设系统内的热传递是二维的，发生在y方向和z方向。
- 假设系统在准稳态条件下运行，y方向和z方向上的热传递是二维的。
- 假设面板组件的辐射发射率与温度无关。
- 将光伏面板建模为一个具有代表所有层组合特性的单一等效层[48]、[49]、[50]。
- 假设面板的背面是不透明的，太阳辐射无法穿透它。
- 忽略了面板框架的热效应，同时也忽略了面板结构支撑对通道内气流的影响。
- 考虑了光伏面板与外部环境和墙体之间的辐射热传递。
基于这些假设，根据图2所示的热传递机制，推导出光伏板的能量平衡方程：
(1) \(k_{pv}\delta_{pv}\frac{\partial T_{pv}}{\partial y^2} + k_{pv}\delta_{pv}\frac{\partial T_{pv}}{\partial z^2} + \alpha_{pv}I_r = h_{c,pv} - a_{pv}T_{pv}-h_{r,pv}-T_{pv}-T_s + h_{c,ch}T_{pv}-T_f + h_{r,pv}-T_w + I_r\)
天空温度使用Swinbank相关性进行估算，如参考文献[51]中所述。
(2) \(T_s = 0.0522\times T_a\)
面板与环境之间的对流热传递系数可以使用各种相关性进行估算，其中McAdams关系[51]、[52]作为风速Vw的函数提供了合适的近似值。
(3) \(h_{c,pv}-a = 5.7 + 3.8\times V_w\)
面板与环境之间以及面板与墙体之间的辐射热传递系数由以下方程确定：
(4) \(\frac{\partial h_{r,pv}-s}{\partial T_{pv}^2} + T_s^2T_{pv}+T_s\)
(5) \(\frac{\partial h_{r,pv}-w}{\partial T_{pv}^2}(T_{pv}+T_w)^1\frac{\partial p}{1-\partial w^{-1}}\)
在先前的研究中提出了几种用于通道内自然对流和强制对流热传递系数的分析和实验相关性[33]、[35]、[53]。在当前模型中，采用了Bar Cohen和Rosenow相关性[33]，因为它被认为是自然对流热传递最可靠的相关性之一。
(6) \(Nu_L^\bar = 6Ra'' + 1.88(Ra'')^0.4 - 0.5\)
(7) \(Ra'' = \rho_2g\beta_c p_t\mu_Lk^2\)
光伏板的电效率随面板温度的升高而降低，使用以下关系计算：
(9) \(\eta = \eta_{ref}(1-\beta_{ref}T_{pv}-T_{ref}\)
3.2. 空气通道
对于空气通道的假设如下：
- 假设空气的热物理性质是恒定的。
- 通道的侧面是密封的；因此，可以应用仅具有进出口开口的矩形通道中的浮力驱动流动的Nusselt数相关性[37]。
- 假设通道内空气与光伏面板和墙体之间的对流热传递系数是相同的。
基于图3所示的配置，制定了通道内空气的能量平衡方程：
(10) \(m_f'\frac{cp}{\partial T_f}\frac{\partial y}{W} + h_{c,ch}T_f-T_w\)
考虑到通道内的自然对流，使用Brinkworth相关性[17]计算质量流量：
(11) \(a + f_2\rho_A\frac{L}{D_h^2}\frac{y}{y}\mu_f = 0\)
其中a和f2是通道内的摩擦系数。上述非线性关系是一种简化方法，用于估算自然通风BIPV系统中的质量流量。它适用于所有流动状态，从层流到完全发展的湍流，并基于通道内浮力和摩擦力之间的平衡，假设没有外部风侵入[15]。在这个相关性中，质量流量取决于通道内空气吸收的热量（Qg），因此是系统温度的函数。使用吸收热量的初始估计值来估算相应的质量流量。
(12) \(Q_g = h_{c,ch}A_pv(T_{pv}-T_{pf})\)
当使用风扇对通道进行强制对流时，系统的净功率输出使用方程(13)计算：
(13) \(P_{net}=P_{pv}-P_{fan}\)
其中风扇功耗由方程(14)确定：
(14) \(P_{fan}=\Delta pV'\eta_{fan}\)
使用方程(15)-(17) [54]计算湍流条件下的体积空气流量和压降：
(15) \(\Delta p = C_f\frac{4L}{Deff}\)
(16) \(C_f = 0.1286Re^{Deff-0.3}\)
(17) \(Deff = D_h\frac{1}{6C_fRe^{D_h}}\)
3.3. 建筑墙
对于立面墙的假设如下：
- 假设墙层的热物理性质是恒定的。
- 假设作为系统内边界的建筑墙与室内空气进行热交换。
基于图4所示的配置，制定了墙的能量平衡方程：
(18) \(k_w\delta_w\frac{\partial T_w}{\partial y^2} + k_w\delta_w\frac{\partial T_w}{\partial z^2}=h_{in}T_w-Tr + h_{c,ch}T_w-T_f + h_{r,pv}-T_w-T_p\)
其中Tr是假设为恒定的室内温度。墙被建模为一个垂直平板，通过自然对流将热量传递给室内。使用Churchill相关性[54]计算对流热传递系数。这种相关性适用于Rayleigh数和Prandtl数范围内的垂直平面。
(19) \(Nu_L^\bar = 0.825 + 0.387Ra_L^{1/6}\left(1 + \frac{0.492}{Pr}\right)^{9/16}\)
(20) \(Ra_L = g\beta(T_w-Tr)L^{3/2}\)
3.4. 边界条件
在所有四个边缘指定了适当的边界条件，如表3所示。
表3. 模型边界条件
| 区域 | 边界位置 | 边界条件 |
| ---- | ---- | ---- |
| 光伏面板 | \(0\leq z\leq W_a\), \(T_{at}=0\), \(k_{pv}\frac{\partial T_{pv}}{\partial y}=h_{c,pv}-a_{pv}-T_{pv}-T_a+h_{r,pv}-T_{pv}-T_s\) |
| | \(0\leq z\leq W_a\), \(T_{at}=L\), \(k_{pv}\frac{\partial T_{pv}}{\partial y}=h_{c,pv}-a_{pv}-T_{pv}-T_s\) |
| | \(0\leq y\leq L\), \(T_z=0\), \(k_{pv}\frac{\partial T_{pv}}{\partial z}=h_{c,pv}-a_{pv}-T_{pv}-T_s\) |
| | \(0\leq y\leq L\), \(T_z=W\), \(k_{pv}\frac{\partial T_{pv}}{\partial z}=h_{c,pv}-a_{pv}-T_{pv}-T_s\) |
| 空气通道 | \(0\leq z\leq W_a\), \(T_f=T_a\) |
| | \(0\leq z\leq W_a\), \(k_w\frac{\partial T_w}{\partial y}=0\) |
| | \(0\leq z\leq W_a\), \(L\), \(T_z=0\) |
| | \(0\leq y\leq L\), \(k_w\frac{\partial T_w}{\partial y}=h_{c,ch}(T_w-T_a)\) |
| | \(0\leq y\leq L\), \(T_z=W\), \(k_w\frac{\partial T_w}{\partial z}=h_{c,pv}-a_{pv}-T_{pv}-T_s\) |
| | \(0\leq y\leq L\), \(T_z=W\), \(k_w\frac{\partial T_w}{\partial z}=h_{c,pv}-a_{pv}-T_{pv}-T_s\) |
3.3. 数值程序
为了找到系统不同部分的温度分布，需要同时解决方程(1)、(10)和(18)，并考虑第3.2节中描述的边界条件。选择有限体积数值方法来解决这个问题，因为它能够轻松地为每个计算单元考虑能量平衡。所有的能量平衡方程都进行了离散化处理，并且在边界附近考虑了适当的网格以实施边界条件。因此，得到了一组非线性代数方程。由于控制方程的非线性，这组方程使用高斯-赛德尔迭代方法进行求解。迭代从初始猜测开始，重复进行直到达到所需的精度水平。图5展示了自然对流情况下的计算过程，其中对流热传递系数和通道内的浮力驱动流量都依赖于温度。因此，在每次迭代和温度分布更新后，这些参数也会被重新计算。
在强制对流的情况下，流量是恒定的，只有温度场通过迭代求解直到收敛。这种情况的解决过程如图6所示。
为了确保结果的准确性并确认计算解的网格独立性，进行了网格敏感性分析。该分析是在一个三层建筑的一侧安装的BIPV-DSF系统上进行的。图7(a)显示了随着网格间距减小，光伏面板和通道内空气的平均温度变化情况。当网格间距减小到5厘米时，温度保持不变。对于小于5厘米的间距，温度会略有变化；然而，这些变化大约在0.2摄氏度左右。进一步减小网格尺寸会导致每个节点的数值误差可以忽略不计（如图7(b)所示），这会略微改变系统温度。
3.4. 网格研究和验证
为了确保结果的准确性并确认计算解的网格独立性，进行了网格敏感性分析。分析是在一个三层建筑一侧安装的BIPV-DSF系统上进行的。图7(a)显示了随着网格间距减小，光伏面板和通道内空气的平均温度变化情况。当网格间距减小到5厘米时，温度保持不变。对于小于5厘米的间距，温度会略有变化；然而，这些变化大约在0.2摄氏度左右。进一步减小网格尺寸会导致每个节点的数值误差可以忽略不计（如图7(b)所示），这会略微改变系统温度。
为了验证当前的模拟结果，选择了Agathokleous和Kalogirou [29] 的实验研究，因为它们的几何形状相似，并且有详细的测量数据。他们的室内BIPV配置被用来消除不受控制的风的影响。在实验和相应的模拟中，对面板施加了800 W/m²的入射辐照度。使用热电偶在面板顶部和底部后表面以及通道入口和出口处测量温度，并使用风速计记录通道中心的气流速度。表面与环境之间的热传递系数使用Churchill的相关性[54]（公式（19）进行估算，通道内的自然对流使用Bar-Cohen和Rosenow关系[33]进行建模。图8将当前模型的温度预测与Agathokleous和Kalogirou [29] 的实验结果进行了比较，详细比较见表4。考虑到实验设置和测量中的不确定性，以及当前模拟框架中固有的建模假设，结果表明流体温度差异以及通道内空气速度和努塞尔数的差异很小，且在可接受的偏差范围内。
4.1. 最大光伏工作温度
面板温度主要受环境空气温度和太阳辐照度的影响。为了评估过热的潜在风险，模型在一年中的五个代表性日子进行了评估——夏季、秋季和冬季的第一天，垂直表面入射辐照度最大的那天，以及一年中最热的一天——涵盖了三种立面方向（南、东、西）。图10展示了这些日子的每日最高面板温度，而表5总结了每种情况的相应峰值温度、相关时间和立面方向。
4.2. 几何参数的敏感性分析
图15展示了自然对流情况下，最大面板温度和出口空气温度随几何参数的变化。结果表明，增加空气间隙（通道深度）会略微降低系统温度。这种行为可以通过通道两侧边界层的延迟合并来解释：较大的间隙允许流动在更大的高度上保持发展状态，从而增加了局部对流热传递系数。然而，随着间隙的继续增加，热传递系数趋近于一个渐近值（约1.8 W/m²·K），因为通道逐渐表现为两个独立的表面。因此，将间隙增加到约20厘米以上会使出口空气温度从约49°C降低到43.4°C。从这些结果来看，对于三层建筑来说，10-20厘米的间隙似乎是最佳范围。这一趋势与Tonui和Tripanagnostopoulos [13]以及Gan [25] 的研究结果一致。
4.3. 自然通风空气通道中几何参数的敏感性分析
图15展示了自然对流情况下，最大面板温度和出口空气温度随几何参数的变化。结果表明，增加空气间隙（通道深度）会略微降低系统温度。这种行为可以通过通道两侧边界层的延迟合并来解释：较大的间隙允许流动在更大的高度上保持发展状态，从而增加了局部对流热传递系数。然而，随着间隙的继续增加，热传递系数趋近于一个渐近值（约1.8 W/m²·K），因为通道逐渐表现为两个独立的表面。因此，将间隙增加到约20厘米以上会使出口空气温度从约49°C降低到43.4°C。
4.4. 光伏技术在自然对流下的比较
图14展示了在一年中最热的一天（7月21日）16:00时，建筑西立面的面板和空气通道温度分布。温度等高线表明，最大面板温度出现在上边缘附近。在空气通道内，进入的空气以环境温度进入，其温度随高度逐渐升高。
4.5. 建筑高度对面板和出口空气温度的影响
图16展示了建筑高度（从3层到20层）对面板和出口空气温度的影响。在这个实际的净零能耗建筑应用范围内，增加楼层数只会导致面板温度小幅上升（约0.1°C），出口空气温度也有相应的小幅变化；这证实了Gan [24] 报告的类似趋势。增加建筑高度并不会显著冷却BIPV-DSF系统；相反，它会加剧烟囱效应，从而增加通道内的空气速度。随着高度的增加，通道内的流动变得更加充分发展，因此对流热传递系数趋于稳定。因此，面板温度随高度的增加也趋于平稳。
4.6. 光伏技术在自然对流下的比较
图17展示了在7月21日16:00时，西立面上的面板和空气通道温度分布。温度等高线表明，最大面板温度出现在上边缘附近。在空气通道内，进入的空气以环境温度进入，其温度随高度逐渐升高。7月21日对光伏技术的比较显示：(a) 多晶硅、单晶硅和非晶硅的最大面板温度；(b) 这三种技术在整个一天中的面板电效率。当建筑物高度增加时，所有三种技术都显示出相似的趋势，在研究的案例中，没有一种技术达到其临界工作温度（图19）。因此，技术选择应基于项目目标。如果优先考虑最大化每单位立面面积的能量产出，那么具有更高名义效率的p-Si或m-Si是更优的选择。如果设计可以容忍较低的功率密度，但更倾向于减少对温度变化的敏感性，或者有特定的美学或成本优势，可以考虑使用a-Si。
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图19. 7月21日16:00时，在西向立面上，不同光伏技术的最大面板温度比较，光照强度为670 W/m²，环境温度为42.2°C，风速为1.3 m/s。
4.4. 在空气通道中强制对流条件下的性能研究
基于方程（12）、（13）、（14）、（15）和（16），并假设风扇效率为80% [59]，计算了系统电功率输出和风扇功率需求，其中空气速度为V = 1.5 m/s。图20显示了7月21日16:00时，在西向立面上，光照强度为670 W/m²，环境温度为42.2°C，风速为1.3 m/s的强制对流条件下的面板和空气通道温度场。与自然对流情况类似，面板底部最凉爽，温度向顶部逐渐升高，最顶部的边缘由于与环境的热交换而略微冷却。随着空气在通道中上升，它通过从面板传递热量而变暖，因此其冷却面板的能力随高度增加而降低。
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图20. 7月21日16:00时，在西向立面上，风速为1.5 m/s的强制对流条件下的温度分布，显示(a) 面板温度和(b) 通道内空气温度，光照强度为670 W/m²，环境温度为42.2°C，风速为1.3 m/s。
正如预期的那样，强制对流系统运行的温度低于自然对流情况，相应的模块效率也更高。表7展示了7月21日16:00时的比较结果。强制对流系统实现了更高的净功率，并且在考虑了风扇功耗后，比自然通风系统多产生了1.9 W/m²的净功率。
表7. 自由对流与强制对流之间的性能比较。
BIPV-DSF系统
最大面板温度（°C） 面板电效率（%） 风扇能耗（W/m²） 净功率输出（W/m²）
自由对流 61.8 14.2 -85.5 0
强制对流 58.2 14.5 0.068 7.4 14.4
4.1. 强制对流下几何参数的敏感性分析
图21显示了随着空气通道深度增加，最大面板温度的变化情况。其行为与图15(a)中呈现的自然对流情况类似，但在强制对流下，温度随通道深度增加的降低更为明显。最大面板温度下降了约2.3°C，而在自由对流情况下，最大降幅仅为约0.7°C，系统对通道深度的敏感性较低。
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图21. 7月21日16:00时，在西向立面上，风速为1.5 m/s的强制对流条件下，面板与墙体距离变化对最大面板温度的影响，光照强度为670 W/m²，环境温度为42.2°C，风速为1.3 m/s。
随着楼层的增加，面板温度也会升高。在20层高的建筑中，最高温度达到61.7°C，但温度上升的速度随着高度的增加而减缓。这是因为随着建筑物越来越高，通道空气的冷却效果减弱，在极限情况下，系统温度接近自然对流控制的最高温度。因此，对于非常高的建筑物，强制对流和自由对流之间的温差可以忽略不计。图22(a)在风速为1.5 m/s的情况下说明了这一趋势。
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图22. 7月21日16:00时，在西向立面上，风速为1.5 m/s的条件下，随着楼层的增加，温度变化情况，显示(a) 最大面板温度和(b) 自由对流和强制对流（包括风扇功耗）的净系统功率，其中风速为1.5 m/s。
图22(b)显示，在强制对流情况下，随着楼层的增加，净功率输出下降得更快。这种更快的下降是由于强制对流下温度随高度的增加而更大，导致效率损失增加，同时也在更高的建筑物中需要更大的风扇功率。
4.5. BIPV-DSF的年度性能
图23(a)展示了南向立面上自然冷却系统的月度入射辐照度和月度能量输出。由于秋季和冬季的环境温度较低而入射辐照度相对较高，该系统在南墙上提供的能量更多。6月和7月的入射辐照度最低，因此能量输出也最低。
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图23. (a) 南向立面上的月度入射辐照度和系统提供的月度能量；(b) 月度平均电效率；(c) 月度平均日风速、环境温度和面板温度。
图23(b)显示了月度平均系统效率。最低的平均效率出现在9月和10月，分别为约13.9%和14.0%。尽管夏季的环境温度最高，但由于6月和7月日风速较高且入射辐照度较低，面板温度降低，从而减少了效率损失。图23(c)显示了南向立面的月度平均环境温度、面板温度和日风速；尽管有风的调节作用，面板在那里经历了最高的平均温度。
图24(a)显示了东向立面上的入射辐照度和能量输出。对于东墙，由于夏季辐照度较高，系统在夏季提供的能量更多。图24(b)表明东向立面的月度平均效率最低，约为13.7%，这是由于该季节面板温度较高。图24显示了东向立面的月度平均环境温度、面板温度和日风速。在东墙上，辐照度和环境温度的峰值出现在夏季，因此风对面板冷却的影响不如南向立面明显。
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图24. (a) 东向立面上的月度入射辐照度和系统提供的月度能量；(b) 月度平均电效率；(c) 月度平均日风速、环境温度和面板温度。
图25报告了西向立面的相同变量。西向系统的表现与东向系统类似，在夏季产生更多电力，并在7月达到最低的月度平均效率，约为13.6%。
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图25. (a) 西向立面上的月度入射辐照度和系统提供的月度能量；(b) 月度平均电效率；(c) 月度平均日风速、环境温度和面板温度。
总体而言，该系统在夏季在东向和西向立面上产生的电能更多，而在冬季南向立面提供的能量更多。图26比较了不同方向的年度性能，显示南向立面的年电力产量最高，约为209.7 kWh/m²，比东向和西向方向高出约20%。南向立面的年平均面板温度为32.5°C，比东向和西向立面高约2°C；这种温度差异很小，对性能的实际影响可以忽略不计。
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图26. 系统在南向立面上运行的年度总电能和每年平均面板温度。
当南向立面上的系统采用强制对流时，考虑风扇功耗后的年度净能量输出为211.9 kWh/m²，比图27(a)中显示的自由对流情况高出约1%。图27(b)显示风扇降低了面板温度。然而，温度下降幅度不足以显著增加电力输出。因此，强制对流和自由对流之间的净能量差异仍然很小。
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图27. 南向立面上的月度比较，显示(a) 自然对流和包括风扇功耗的强制对流提供的月度能量；(b) 自然对流和强制对流的月度平均面板温度。
因此，尽管强制对流的性能略好，但根据当地气候条件以及面板不会达到临界温度的风险，自由对流系统仍然是实际的选择。
5. 结论
对BIPV-DSF系统性能的各种研究进行了回顾，发现只有少数研究在炎热干旱地区进行，且尚未对该系统的热行为和年度性能进行全面调查。在这项研究中，开发了一种混合数值-分析方法来模拟建筑墙上的该系统。基于有限体积的数值框架建立了耦合能量方程，通过高斯-赛德尔方法迭代求解非线性代数系统。作为案例研究，在炎热干旱地区调查了自然对流和强制对流冷却下的系统热行为，随后讨论了系统的年度性能。本研究的结果总结如下：
- 通过检查系统在临界条件下通道内的温度升高情况，观察到光伏面板在7月21日（一年中最热的一天）16:00时的最大温度为61.8°C。因此，在最坏的情况下，面板不会过热，也不会失去效率。12月6日，当面板接收到最大太阳辐射时，由于环境温度较低，面板温度仅达到38.6°C。
- 增加自然对流系统中的通道间距对其性能没有显著影响，导致面板温度的降低不明显。在强制对流系统中也观察到了类似的行为；然而，面板温度的降低幅度更大，为2.3°C。估计合适的通道间距为10至20厘米。
- 随着楼层的增加，自然对流系统的性能没有显著变化，导致面板温度略有升高，在20层建筑中最高温度为61.9°C。然而，在强制对流系统中，面板温度的升高更为明显，最终达到61.7°C，这与自然对流系统中观察到的最大温度大致相同。
- 对建筑物的南墙、东墙和西墙上的自然对流系统进行了研究，发现南墙在冬季提供的电能最多，而东墙和西墙在夏季提供最多的电能。南墙提供的年能量输出为209.7 kWh/m²；因此，它是系统安装的最佳方向。
- 考虑到自然对流的设计更简单、投资和运营成本较低，以及区域气候适宜性和没有过热问题，从技术角度来看，自然对流系统是一个更优的选择。虽然全面的成本效益分析将进一步验证这一点，但目前的发现表明，在许多典型的净零能耗建筑场景中，强制对流的边际能量生产优势不太可能超过其增加的复杂性和成本。
6. 未来工作
基于本研究的发现和见解，确定了几个未来的研究方向。这些方向旨在进一步探索和优化所研究系统的性能和适用性：
- 评估BIPV安装对建筑供暖和制冷负荷的影响，并开发用于净零能耗建筑系统能量分析的耦合模型。
- 利用冬季的热能并估计其在净零能耗建筑系统中的贡献。
- 对通道内的自然对流和强制对流流动进行数值求解，明确考虑系统结构元素对内部流动动态的影响。
- 进行详细的成本效益分析，比较自然通风和强制通风系统的经济优势和劣势。
CRedit作者贡献声明
F. Lotfipoor：可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。
M. Eslami：写作-审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、形式分析、概念化。
K. Jafarpur：资源管理、项目管理、方法论、概念化。
A.M.马莱基：写作——审阅与编辑；写作——初稿创作；可视化技术；软件应用；形式分析。
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