BIPV/T-太阳能热泵耦合供能系统优化设计方法

A novel multi energy complementary building energy supply system was proposed, based on micro heat pipe array building integrated photovoltaic-thermal components coupled with solar heat pump (BIPV/T-HP), which dramatically improves renewable energy utilization efficiency and provide an effective solution for low energy building. The adaptability of BIPV/T and building thermal process will be evaluated by studying two-way periodicity unsteady-state heat transfer process of MHPA-BIPV/T and building envelope, and their action mechanisms on building thermal stability. The influence mechanism of coupled applications of building thermal process to building thermal environment under different dimensions will be studied. The control optimization method and prediction theory of BIPV/T for building thermal environment will be established. Based on multi-energy complementary and cascade utilization of energy, the coupled operational mechanism of BIPV/T-HP will be studied, and the key factors and acting mechanism of internal and external influencing system operation will be identified. Dynamic simulation model will be built for building thermal performance and building thermal environment coupled with BIPV/T-HP composite system to propose multifactorial and differentiated design method and operation strategy of BIPV/T-HP based on different building types, resource condition and energy habit. These research findings will supply fundamental data and theoretical supports for applying BIPV/T-HP on buildings.

提出一种基于微热管阵列的光伏光热建筑一体化组件（BIPV/T）耦合太阳能热泵的建筑多能互补供能系统（BIPV/T-HP），可大幅提高可再生能源利用效率，为低能耗建筑提供有效解决方案。通过研究BIPV/T非稳态传热与发电的耦合过程，建立基于MHPA的新型BIPV/T组件光伏光热模型，获得其性能评价方法；研究BIPV/T对建筑热环境的影响规律，得到新型建筑一体化系统对建筑能耗的影响机理与预测模型；基于多能互补和能源梯级利用，研究BIPV/T-HP系统耦合运行机制，识别影响系统运行的关键因素和作用机理；建立与建筑热过程及建筑热环境相耦合的BIPV/T-HP系统动态仿真模型，得到系统流动与传热特性，获得不同地域不同建筑类型的系统设计方法及节能运行的优化控制策略。项目研究成果将为BIPV/T-HP在建筑上的应用提供重要的基础数据和理论支撑。

本项目提出了一种基于平板微热管阵列（micro heat pipe array, MHPA）的光伏光热建筑一体化组件及其与热泵耦合的多能互补建筑供能系统(MHPA-BIPVT-HP)，以近零能耗来满足建筑室内热环境需求。利用平板微热管阵列的高效导热性与均温性，实现光伏发电产生废热的高效利用，有效提高了建筑热稳定性，降低了光伏组件对建筑热性能的影响，解决了传统BIPVT组件存在的结构复杂、易漏及与建筑结合不美观等问题，利用太阳能与空气能耦合热泵技术提高了可再生能源利用率，降低建筑能耗减少运行碳排放。.本项目设计并建造了基于MHPA-BIPVT组件及热泵复合供能系统的新型BIPVT近零能耗建筑实验平台。该建筑南墙和屋顶的围护结构设置 BIPVT组件，且设置两套供能系统，分别为水冷式 BIPVT及双热源热泵复合供能系统和空冷式 BIPVT与空气源热泵复合供能系统。对水冷式和空冷式BIPVT组件及其构成的供能系统的性能进行了实验研究与性能分析。结果表明，水冷式BIPVT组件日均光电利用效率最大值为15.5%，日均光热利用效率最大值为 31.3%。冬季运行水源热泵较单独运行空气源热泵时，热泵机组COP提高了52.0%。空冷式BIPVT组件日均光电利用效率最大值为 10.3%，日均光热利用效率最大值为49.4%。冬季通过运行太阳能集热较单独运行空气源热泵时，热泵机组COP提高了7.4%。建立了新型BIPVT建筑模型与多能互补供能系统模型，并与BIPV幕墙建筑和普通参考建筑进行了对比，对新型BIPVT建筑的热稳定性、负荷特性和多能互补供能系统的节能特性进行了模拟研究。阐明了新型BIPVT建筑墙体对建筑热环境的影响作用机理，分析了不同运行参数对系统能耗的影响，对BIPVT建筑全年的用能与产能进行对比分析，结合近零能耗建筑技术标准，总结了新型BIPVT建筑的节能特性。结果表明，相对于参考建筑，新型BIPVT建筑综合节能率为62.2%，建筑本体节能率为32.3%，满足近零能耗建筑的能效指标要求。综合以上实验与模拟研究，对全国各个不同气候区不同地域新型BIPVT建筑的适用性进行了分析总结，在大部分地区都可以满足近零能耗建筑技术标准，对于个别地区还可以达到零能耗建筑标准。