建设科技 2021 年 8 月上 总第 435 期 CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY 研究探讨 太阳能光伏光热 (PV/T) 系统在建筑中的应用研究 * 韦古强 1 胡从川 1 张昕宇 2 王聪辉 2 张磊 2 黄祝连 2 邓昱 2 王博渊 2 （1. 都城伟业集团有限公司，北京 100020；2. 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013） [ 摘　要 ] “碳达峰、碳中和”目标下，可再生能源在建筑中的应用受到越来越多的重视。在诸多可再生能源中，太 阳能作为最容易与建筑结合的可再生能源之一，具有清洁、安全、稳定、高效等特点，对其深入开发利用是未来建 筑能源结构性改革的需求。本文对国内外太阳能光伏光热系统的技术最新发展现状进行了梳理和总结，研究了太阳 能光伏光热（PV/T）系统在建筑中的应用方式，分析了太阳能光伏光热系统的典型案例与发展趋势，为实现产业升级、 降低成本、扩大应用提供参考。 [ 关键词 ] 太阳能；光伏光热系统；建筑应用 Analyze on Application of PV/T System in Building Wei Guqiang1, Hu Congchuang1, Zhang Xinyu2 Wang Conghui2, Zhang Lei2, Huang Zhulian2, Deng Yu2, Wang Boyuan2 (1. Ducheng Weiye Group Co., Ltd., Beijing, 100020; 2. China Academy of Building Research, Beijing, 100013) Abstract: Under the goal of "Carbon Peak and Carbon Neutrality", application of renewable energy in buildings has received more and more attention. Solar energy, more easily combined renewable energy with buildings, is clean, safe, stable and efficient. The in-depth development and utilization of solar energy is needed for future energy structural reform. In this research, the technical development status of PV/T system has been summarized and discussed and so as the application methods of PV/T system in building with typical projects, which could provide reference for industrial upgrading, cost reduction and application expansion. Keywords: solar energy, PV/T system, application in building 目前，太阳能在建筑中比较成熟的应用方式包括光 在太阳能转化为电能的同时，由集热组件中的介质带走 热技术、光电技术和光伏光热一体化技术。光热技术主 电池的热量加以利用，同时产生电、热两种能量收益。 要有太阳能热水、太阳能供暖和太阳能空调；光电技术 该技术能够提高太阳能的综合利用率，且能同时满足用 则是利用太阳能光伏组件将太阳能转换为电能供用户使 户对高品质电力和低品质热能的需求。由于 PV/T 技术 用；太阳能光伏光热（Photovoltaic/Thermal，以下简称 兼顾发电和产热两方面功能，其单位安装面积的成本低 PV/T）技术将光伏电池与太阳能集热技术结合起来， 于单位面积的光热系统和光伏系统之和，在实际工程应 * 项 目 名 称： 太 阳 能 光 伏 光 热 系 统 在 建 筑 中 的 应 用 研 究（SGDC0000KXJS1900153）。 DOI: 10.16116/j.cnki.jskj.2021.15.002 建设科技 ∣ 13 研究探讨 建设科技 总第 435 期 用中，相较于单一的光伏系统或光热系统，PV/T 系统 形式的 PV/T 系统进行实验研究，发现水冷型 PV/T 系 的投资回收期也具有明显优势。因此，近年来 PV/T 技 统的发电和集热效率均优于空冷型 PV/T 系统。此外， 术在我国得到了快速的发展。 水流量会影响 PV/T 组件的散热效果，Mishra[6] 通过实 1 验方法对瓦拉纳西的办公建筑屋面集成水冷型 PV/T 组 国外研究现状 件的性能进行研究，结果表明与没有水冷散热相比，单 国 外 PV/T 技 术 研 究 起 步 较 早， 早 在 1978 年， [1] 位面积水流量为 1.81 kg/s 时，散热效果最好，可以使 Kern 和 Russell 首次提出了 PV/T 系统的概念并进行 光伏电池温度降低 20℃，光伏发电效率由 7.6% 增加到 了相应的研究：将光伏电池与平板式太阳能集热器相结 9.1%。然而水冷型 PV/T 系统在寒冷地区应用时，容易 合，采用水冷模式对光伏电池进行冷却，并首次提出用 出现冻结现象导致系统无法正常运行，针对这一问题， 水或空气作为冷却介质的热电联用一体化理念。随后许 学者提出了一种热管式 PV/T 系统，将抗冻性能较强的 多研究者先后从理论、实验、应用方面对 PV/T 系统进 热管与 PV/T 集热板结合，不仅可以大幅提高 PV/T 系 行了大量的研究与分析，主要目的是为了提升 PV/T 系 统的抗冻性能，还可以避免冷却水对集热板芯的腐蚀。 [2] 统对太阳能的综合利用率，如 Bergene 指出 PV/T 系 统的太阳能利用效率理论上可达 60%~80%。集热介质 对光热效率影响较大，可以是空气，也可以是水或制冷 剂等液体工质。 但目前热管式 PV/T 系统的实际应用相对较少。 2 国内研究现状 我国关于 PV/T 系统的研究起步较晚，中国科学技 集热介质为空气的 PV/T 系统（也称空冷型 PV/T 术大学 [7] 对 PV/T 系统进行了系统的实验研究和理论分 系统）结构简单，制作方便、成本较低，因此最早开始 析，深入研究了以水流环路代替空气流道的 PV/T 热水 进行研究，目前的市场应用较为成熟，适用于空气预 一体墙系统，其示意如图 1 所示，结果表明：在合肥气 热、区域供暖、谷物干燥等诸多用途。Bambrook 等人 候条件下，与普通墙体相比，以水为集热介质的多晶硅 [3] 对单通道的空冷型 PV/T 系统进行了实验研究，结果 表明该系统的光伏发电效率和集热效率均随着空气质量 流量的增加而增大，集热效率变化范围为 28%~55%， PV/T 组件安装在建筑南立面时，可以使冬季的建筑热 损失降低 78%，夏季得热量降低 24%。 发电效率变化范围为 10.6%~12.2%，说明与单一的光 伏系统相比，PV/T 系统可以大幅增加太阳能利用率。 而在建筑中应用时，PV/T 系统通过降低组件工作温度， 进而降低光伏电池对建筑冷热负荷的影响。1999 年， Krauter 等人 [4] 设计了一种光伏光热建筑一体化系统 （Building Integrated Photovoltaic/Thermal，BIPV/T）， 即在普通墙体的外侧一定间隔处附加 PV 电池，空气间 隔可以实现降低组件温度、提升发电量的作用，可以将 其视为垂直放置的空冷型 PV/T 系统。相关研究结果表 明，PV/T 系统电池板工作温度相较于单一的光伏系统 图 1 水冷式 PV/T 系统与墙体结合示意图 降低幅度超过 20 ℃，从而提升太阳能利用率的同时降 Fig.1 Schematic diagram of water cooled PV / T system 低其对建筑用能的影响。空冷型 PV/T 系统具有系统简 combined with wall 单、成本较低的优势，但由于空气比热容和密度较小， 在实际应用中需要大换热面积和较多的空气流量来降低 电池温度，同时该类系统的出口空气温度也较低，太阳 以水作为集热介质时，该系统可称为水冷型 PV/T 14 ∣ 建设科技 其原理见图 2。 系统采用制冷剂作为集热介质对 PV/T 组件进行冷 能热利用效率比较低。 系统。Tripanagnostopoulos 等学者 大连理工大学 [8,9] 对幕墙式 PV/T 系统进行了研究， [5] 通过对 12 种不同 却，同时通过制冷剂的蒸发相变特性与空腔环境进行耦 合换热，利用板式换热器将热量传递到水侧，储存在保 2021 No.15 研究探讨 韦古强等：太阳能光伏光热（PV/T）系统在建筑中的应用研究 * 温水箱内供建筑使用。实验结果表明，该系统不仅可实 示意图。 现 40 ℃以上的热水制备，还可满足系统中水泵等动力 设备的用电需求。 说明：1——PV 组件；2——屋面；3——钢梁；4—— 图 2 幕墙式 PV/T 系统示意图 Fig.2 Schematic diagram of curtain wall PV/T system 建筑外立面；5——室内。 图 3 既有坡屋面 PV/T 组件安装示意图 Fig.3 Installation diagram of PV/T module on existing sloping roof 3 PV/T 系统与建筑结合的设计要点 根据热量回收方式不同，PV/T 系统可以分为两类， 第一类是利用光伏与建筑结合的系统进行回收，第二类 是利用光伏光热一体化组件（PV/T 组件）进行回收利用。 就目前技术而言，利用 PV/T 组件实现建筑光伏光热一 体化是主要途径，由于 PV/T 组件与 PV 组件的外观特 性及发电特点基本一致，所以光伏组件与建筑结合的位 置与方式同样适用于光伏光热组件，主要有以下几种： （1）屋面。 在既有建筑节能改造的项目中，通常需要直接在原 有屋面上增加 PV/T 组件。根据屋面结构的不同可以分 说明：1——PV 组件；2——屋面；3——建筑外立 面；4——室内。 图 4 既有平屋面 PV/T 组件安装示意图 为坡屋面安装和平屋面安装。在坡屋面安装光伏组件时，