中國建筑能耗日益增長，目前建筑全過程能耗約占全國總能耗的46.5%以上，其中用于供暖、通風及空調的能耗比例高達50%，尋求新的建筑節能途徑對降低能耗意義重大。此外，新裝修建筑的材料和家具會持續釋放以甲醛為代表的揮發性有毒污染物，而為減少空調能耗將門窗緊閉，可導致嚴重的室內空氣污染。同時，房間及設備內部的潮濕陰暗環境容易滋生細菌和病毒，這些病菌會附在塵埃、水珠和唾沫上隨空氣漂浮形成生物氣溶膠，而通風不佳給病菌傳播創造了條件。太陽能是實現建筑節能的最大潛力，因具備就地采集、就地應用的優勢，建筑是太陽能利用的最佳載體。將太陽能與建筑結合能夠滿足建筑中多種用能和健康需求，其中太陽能光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)技術是降低建筑能耗、改善室內空氣品質的重要途徑。?太陽能光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)研究現狀及問題?太陽能光伏建筑一體化(BIPV)和光熱建筑一體化(BIST)太陽能建筑一體化的主要形式包括光伏建筑一體化(BIPV)、光熱建筑一體化(BIST)和光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)等。其中BIPV和BIST系統已得到了廣泛的應用。然而，BIPV存在發電效率低、夏季室內過熱、功能單一、光斑污染等問題，阻礙了其大規模應用。BIST包含太陽能熱水技術和被動采暖技術，也存在夏季室內過熱、功能單一及溫度波動大、全年利用率低、室內舒適欠佳等問題。BIPV/T是將太陽能光伏光熱綜合利用技術與建筑一體化，形成如光伏光熱屋頂、墻體、窗戶、遮陽設施等，在發電的同時，由系統中的的冷卻介質帶走電池熱量加以利用，同時滿足用戶對高品質電力和低品質熱能的需求，是實現太陽能高效利用的重要方式。大致分為光伏空氣建筑一體化(BIPV/Air)和光伏熱水建筑一體化(BIPV/Water)系統。BIPV/Air的冷卻介質是空氣，分為主動式和被動式系統。主動式系統通常是在風機作用下，將空氣引入光伏板背面的空氣流道中，降低電池工作溫度以提高發電效率，同時回收熱能加以利用，系統中風機的噪音是阻礙其應用的主要問題；被動式系統則是利用自然對流，在熱虹吸作用下，通過Trombe墻原理將熱空氣送入室內或排出室外，實現被動采暖或通風冷卻。BIPV/Air具有低成本、免維護和無凍結損壞等優點。國內外對BIPV/Air系統的性能參數和結構優化進行了大量實驗和模擬研究。研究認為該系統單位面積集熱器比單獨的電池或熱系統產生更多能量；針對使用BIPV/Air系統的房屋進行全年系統性能研究及經濟性分析，分析結果表明使用后一次能源的占比降低。BIPV/Water的冷卻介質是水，分為自然循環式和強迫循環式。自然循環式是將水箱置于集熱器上方，依靠水的浮升力進行集熱循環；強迫循環式是通過水泵驅動水循環，水吸收熱能同時冷卻電池以提高發電效率。BIPV/Water具有構造簡單、熱效率高、成本低、易于與建筑結合等優點。近年來對于BIPV/Water系統的研究集中于集熱器結構改進及設計優化上。此外，對于BIPV/Air模式，系統存在非采暖季集熱功能閑置、高溫影響電池發電效率和使用壽命以及導致建筑過熱、增加冷負荷等問題；對于PV/Water模式，在寒冷季節內部水凍結會導致管路或集熱器損壞，采用排空法或防凍液二次循環法會增加系統復雜度且降低系統性能。因此，亟需尋求綜合效率更高、成本更低、多功能、可全年利用、工作方式更靈活可靠的BIPV/T新方法。?太陽能光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)研究新進展傳統熱水型PV/T系統易受高溫和嚴寒的影響，而硅電池與金屬吸熱板之間的熱膨脹系數存在量級差，在溫度波動時會產生熱應力，系統易產生電絕緣和吸熱板變形等問題。這些影響了PV/T系統的可靠性，限制了其廣泛應用。針對熱水型PV/T系統實際應用中存在的熱應力及冬季凍結問題，通過建立PV/T熱應力彎曲模型，揭示了溫度-應力耦合機制，結合激光焊接工藝和真空層壓技術，研發出多種新型耐寒PV/T模塊。研發內容包括：微通道熱管型、閉式環路熱管型、相變蓄熱型、外置式、真空玻璃蓋板型等，不僅改善了非均勻溫度場引起的光伏電路失配問題，而且解決了由熱應力導致的電池損壞、電線斷裂及電絕緣破壞等問題，提高了冬季抗凍能力，拓寬了PV/T模塊在寒冷地區冬季的應用范圍。外置式PV/T系統是將太陽電池由層壓在吸熱板上改為層壓到玻璃蓋板的背面，由于玻璃蓋板與硅電池的熱膨脹系數相近，熱應力減弱，電池不再受到上述吸熱板形變、絕緣問題的影響。此外，由于太陽電池位于空氣層前部，可減少陽光通過玻璃、空氣、TPT等不同介質時反復產生的折、反射，提高了陽光入射到電池上的等效透過率，也避免了在入射角較大時，側邊框陰影對光電性能的影響。碲化鎘(CdTe)光伏通風窗系統是利用碲化鎘太陽電池低溫度系數、弱光性和半透過性的特點，通過太陽能被動冷卻/供熱原理，解決傳統窗戶夏季過熱、保溫性差、功能單一等問題。該系統從外到內依次為光伏玻璃，外側通風口，空氣流道，普通鋼化玻璃和內側通風口(如圖1)。系統在光伏發電的同時，兼具被動采暖/冷卻的功能。
在冬季，打開內側通風口并關閉外側通風口，光伏玻璃吸收的太陽輻射除少量用于電力輸出外，其余均轉化為熱能加熱流道內的空氣，通過虹吸作用與室內空氣形成內循環，既增加了電效率，又對室內供暖；而在夏季，打開外側通風口并關閉內側通風口，流道內空氣與室外空氣形成外循環，光伏玻璃上的廢熱被帶到室外，在提高光伏電力輸出的同時，降低了室內得熱。通過對蕪湖某農居實驗和模擬研究，碲化鎘光伏通風窗的平均電效率為7.2%，全年光伏發電量約為148.75kW·h(如圖2)。
室內照度白天為300至800lx(如圖3)，始終在UDI(200~2000lx)范圍內，可以滿足日常室內照明的需求，且不會發生眩光。
在冬季和夏季模式下，系統的平均太陽能得熱系數分別為0.2845和0.1108，相比單層玻璃窗，系統可減少夏季得熱205.76kWh，減少冬季熱損333.09kWh，綜合考慮光伏發電、照明和空調，系統全年省電量可達153.38kWh。為了提高太陽能全年利用率，研發了光伏/空氣/熱水復合被動墻體系統，集全年發電、熱水、被動式采暖/冷卻于一體，滿足了建筑的季節性需求。該系統從外到內依次為玻璃蓋板、空氣夾層、光伏陣列、吸熱板、集排管、空氣流道、絕熱層及建筑墻體(如圖4)。
圖 4 ?與建筑相結合的光伏/空氣/熱水復合被動墻體系統在采暖季，空氣流道的上下通風口打開并關閉水路，太陽輻射透過玻璃蓋板后，部分通過光伏陣列轉化為電能輸出，其余被吸熱板吸收轉化為熱能加熱空氣，熱空氣在虹吸作用下與室內冷空氣經空氣流道形成內循環。在非采暖季，打開水路并關閉上下通風口，冷水流經吸熱板帶走絕大部分熱量，降低了光伏組件溫度，在發電的同時獲取生活熱水，減少通過墻體的室內得熱，降低空調負荷，提高了系統的可靠性和太陽能全年利用率。實驗表明，單位面積的系統在光伏熱水模式下，全天發電量為0.12kWh，平均電效率為7.6%，水箱內的最終水溫超過40℃(如圖5)，日均熱水效率為47%；光伏熱空氣模式下，全天發電量為0.65kWh，平均電效率為12.5%(如圖6)。
并且隨著輻照增加，實驗間與對比間溫差逐漸增大，最大達8.4℃。實驗結果證明，該系統在采暖季可以顯著降低空調負荷，在非采暖季可以滿足居民用水需求。?與建筑相結合的光伏光熱-熱催化/潔凈多功能復合墻體系統熱催化氧化是在熱的作用下，氣態污染物與催化劑發生催化氧化的異相反應過程。當溫度達到熱催化劑的啟動溫度時晶格氧會揮發出來與污染物反應，將污染物降解，空氣中的氧氣將補充到氧化物中缺失的晶格氧，完成氧化還原過程(如圖7)。
基于制備的MnOx-CeO2熱催化劑，在典型的室內甲醛濃度下(0.3~0.9μg/m3)，太陽能裝置容易獲得的40~80℃溫度范圍內，甲醛轉化率接近30%~60%[38](如圖8)。
圖8MnOx-CeO2對甲醛(HCHO)的熱催化轉化率熱催化氧化反應，具有凈化效率高、易與BIPV/Air系統結合的優點。熱除菌和熱殺毒是細菌和病毒在高溫下失活的過程，主要主要與溫度和停留時間相關。通過計算，細菌在的50℃開始滅活，在70℃完全滅活。較細菌而言，病毒雖然在較低溫度下便開始失活，但在短時間內完全失活所需的溫度更高。太陽能光伏光熱-熱催化/除菌殺毒復合墻體系統是將熱催化材料MnOx-CeO2涂覆于吸熱板背面，通過太陽輻射，在光伏發電的同時，吸熱板加熱涂層和空氣，驅動熱催化降解甲醛，在熱虹吸作用下實現流道內空氣循環。同時空氣中以氣溶膠形式存在的細菌和病毒暴露在高溫環境下迅速失活，且溫度越高，失活速率越快。新型復合墻體充分利用太陽能，實現發電、采暖、降解甲醛及除菌殺毒等多種功能，提升了建筑墻體的綜合性能(如圖9)。
以青海某民居為對象，研究不同電池覆蓋率下的光電光熱、熱催化及除菌殺毒性能(如圖10)。
圖10不同電池覆蓋率下的光電、光熱、熱催化及除菌殺毒性能當電池覆蓋率為0即無電池時，具有最高的熱效率和溫度；隨電池覆蓋率增加，熱效率逐漸降低，電效率逐漸上升。當空氣入口的甲醛濃度設定為0.6μg/m3，細菌濃度設定為3000CFU/m3，病毒入口濃度設定為1000TCID50/m3時，熱催化降解甲醛、熱失活細菌和病毒的性能均逐漸降低。并且，當電池覆蓋率約為0.5時，空氣所達到的溫度并不足以使病毒在短時間內失活。?太陽能光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)利用發展的思考未來太陽能建筑一體化的目標依然是低成本、高效率、高可靠、長壽命。而因地制宜地利用BIPV/T系統是實現目標的最佳途徑和實施應用的最大潛力。來源：太陽能光伏光熱建筑一體化（BIPV_T）研究新進展原文始發于微信公眾號（光伏產業通）：太陽能光伏光熱建筑一體化研究新進展
