引言
太阳能光伏建筑一体化(BIPV)是未来城市中应用太阳能的主要方式，是绿色建筑和建筑节能技术的发展趋势。光伏遮阳系统利用光伏电池组件作为建筑外遮阳构件，兼备遮阳和发电功能，是典型的光伏建筑应用形式，获得日益广泛的关注。国内外关于建筑遮阳技术和建筑光伏幕墙技术的研究较多：近年来，针对光伏遮阳系统的研究受到关注。Yoo和Manz等人对光伏遮阳板表面和临近室内的温度场和速度场进行了模拟分析。庾汉成等人对光伏遮阳构件的结构及性能进行了优化设计和研究。James等人对光伏遮阳系统的优化设计和推广应用进行了分析。然而，上述研究并未对外遮阳建筑空调节能和光伏发电的综合效果进行分析。
长沙处于夏热冬冷地区，夏季漫长闷热，冬季湿冷，全年太阳辐照总量约为3905MJ／m2。夏季供冷能耗占全年空调能耗比重大，外遮阳对减小夏季空调峰值负荷及降低建筑能耗意义重大。因此，在长沙地区采用光伏遮阳系统可获得较好的综合节能效果。合理利用光伏遮阳系统关键在于结合建筑本身特点及当地气候对光伏构件的安装位置及尺寸进行优化设计，以到达最佳遮阳和产电效果。
本文以长沙地区典型办公建筑为研究对象，耦合建筑负荷计算，利用Energyplus和Trnsys软件建立了光伏遮阳板的传热和发电模型，模拟了全年建筑能耗和系统产电量。分析了光伏遮阳板在建筑不同朝向以不同倾角和宽度安装时，光伏遮阳系统的遮阳和产电的综合节能效果。研究结果为光伏遮阳板与建筑一体化技术的优化和推广应用提供了有益的参考。
1 计算模型
1．1物理模型
本文以长沙市典型办公建筑为研究对象，如图l。该建筑朝向为南向，长为60m，宽为20m，共8层，层高为3.5m，总建筑面积为9600m2：窗高1.8m，各朝向窗墙比均为50％。图2为光伏遮阳板安装示意图。光伏板为单晶硅光伏电池板，宽度L分别为0.8m、1.2m、1.6m，在办公楼东(E)、南(S)、西(W)面沿各层窗户的上端安装，因此，光伏遮阳系统的总长度为各面外墙长度，即东、西面为20m，南面为60m，光伏阵列垂直间距为建筑层高3.5m。计算中光伏构件安装倾角。
1.2数学模型及数值方法
1.2.1建筑能耗计算
利用Energyplus动态能耗模拟软件对该建筑全年能耗进行模拟。由于光伏遮阳板主要影响建筑的太阳辐射得热量，所以文中所指的建筑能耗仅考虑全年空调能耗。计算过程采用热平衡法模拟负荷，其基本热平衡方程如(1)：
式中：(a)为计算区域空气中存储总能量；
(b)为区域内部总的对流负荷；
(c)为区域表面的对流负荷：
(d)为区域间空气混合造成的热交换：
(e)为外部空气渗透造成的热交换；
(f)为系统输出的热量，即为区域的冷／热负荷。
负荷模拟是整个能耗模拟过程的起点，为空调系统模拟提供必要参数。空调系统模拟过程中提供空调系统实际的供能量，再根据空调系统的供能量与房间冷热负荷的需求量的平衡关系来对区域空气温度进行必要的调整，从而完成整个建筑能耗模拟过程。能耗模拟计算时间步长为0.5h，当房间温度和负荷绝对误差分别低于0.4℃和0.04w时认为计算收敛。
1.2.2光伏遮阳系统产电量计算
利用Trnsys对不同安装朝向、宽度和倾角的光伏遮阳系统进行全年产电量计算，建立模型如图3所示。PV板阵列模块用于光伏板阵列太阳辐射的遮蔽计算，它以气象数据模块中的气象数据为输入，计算投入到特定光伏阵列的辐射量，然后输出到PV板发电模块中，计算出系统实时产电量。PV电池板光电转换效率η计算如方程(2)所示，方程(3)用于计算实时的产电量，将计算结果用积分函数模块累加得到系统全年产电量。产电量计算时间步长为1h，总时长为8760h。
式中：ηnef为PV电池在参考环境中的效率，取14％；
Tpv为PV电池表面温度，℃；
Tref为参考环境温度，取25℃；
Ir为PV电池表面的入射辐射，kJ／h·m2；
IT，ref为参考环境中PV电池表面的入射辐射，取3600kJ／h·m2：
ηT,coef为PV电池效率的温度修正因子，取-0.005/℃：
ηl,coef为PV电池效率的入射辐射修正因子，取0.000025h·m2／kJ：
Ppv为每小时产电量，kJ／h．
(ζα)n为PV表面玻璃盖板对入射辐射的透射吸收因子：
IAM为PV板表面玻璃盖板对入射辐射影响的修正系数。
2计算结果及分析
2.1计算条件与验证
采用长沙地区典型年气象数据作为逐时室外计算气象数据，其全年逐时太阳辐射及温度分布如图4、5所示，夏季辐照量大、气温高，冬季辐照量波动大、气温低。建筑能耗模拟时假定建筑周围无其他物体遮挡，建筑围护结构热工参数恒定，不随温度变化。根据GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》设计建筑主要热工参数如下：①外墙为240mm加气混凝土砖和发泡聚苯乙烯保温，综合传热系数为0.453W／(m2·K)；②屋顶为现浇钢筋混凝土加沥青膨胀珍珠岩保温和水泥砂浆，综合传热系数为0.362W／(m2·K)：③外窗为铝合金中空玻璃窗，采用普通3mm玻璃，综合传热系数为2.716W／(m2·K)。办公楼空调系统为全空气系统，选用水冷式机组用于夏季供冷，燃气锅炉用于冬季供热，水冷机COP为5．1，燃气锅炉效率为0．9。空调计算参数如表1，楼梯走廊为非空调区域。表2为办公室人员逐时在室率ε(设备、照明使用率相同)。
该办公楼空调系统供冷能耗主要由水冷机组、水泵和风机耗电量组成，空调系统供暖能耗主要由锅炉耗天然气量和水泵、风机耗电量组成。由于消耗的能源种类不一，天然气和电在能源品位上存在差异，为便于比较分析，采用等效电法将不同类型能源折算成电力。本文中天然气转换成电力的折算系数取65.9％。选定未安装光伏遮阳系统的建筑为参照建筑，模拟计算出供暖能耗为214.22MW·h，供冷能耗为442.56MW·h，其全年空调总能耗为656.78MW·h，单位面积全年空调能耗为68.42kW·h／m2，计算结果与倪吉等人对长沙地区办公建筑调研结果接近。
2．2光伏遮阳系统对建筑空调能耗的影响
图6显示了在建筑东、南、西向外墙上安装不同宽度L和倾角φ的光伏遮阳系统时供冷能耗Qc、供暖能耗QH和全年空调总能耗Or。光伏板3种安装朝向中，Qc均随L增大而减小，随φ增大而先减小后略微增大，最小值均出现在φ为55°或60°时；QH均随L增大而增大，随妒增大而先增大后略微减小(L为1.6m时一直增大)，但光伏板东、西向安装时Q随L和φ变化幅度明显小于南向：QT变化规律则大致与Qc变化规律一致，各安装朝向和L下，QT最小值均出于φ为60°左右，主要由于长沙处于夏热冬冷地区，夏季Qc占Qr比例较大。但总体上QT在φ从0°～40°变化时减小幅度较大，而φ大于40°时，变化趋缓。因此，实际工程中采用普通遮阳构件时(仅需考虑遮阳效果，而不考虑光伏板发电效果)，从提高建筑采光性能考虑，遮阳构件安装倾角φ不宜大于40°。
与参照建筑相比．建筑安装不同形式光伏遮阳板时的空调系统总节能量Qj(Qj=656.79·QT)和单位面积光伏板下的节能量qj(qj=Qj/s,其中，s为光伏板面积，南向s=8x60×L；东、西向s=8x20xL)如图7所示。光伏遮阳板安装于东、南、西向时，Qj和qj均随φ增大而先增大后略微减小；qj随L减小而增大，但Qj随L减小而减小。L和φ相同时，虽然建筑南向安装的光伏板面积是东、西向的3倍，但南向系统的Qj却低于东、西向，因为东、西向系统的qj远大于南向，且系统安装于西向时qj最大。这主要由于东、西向单位面积光伏板对冬季QH的增加量远远小于南向，而对夏季Qc的减少量又明显大于南向。因此，从减少建筑空调能耗的角度，建筑围护结构节能设计和改造时应重点考虑东、西向的遮阳措施。
2．3光伏遮阳系统产电量分析
图8显示了光伏遮阳系统全年总产电量Qc和单位面积光伏板下的产电量qc(qc=Qc/s)。光伏板3种安装朝向中，Qc均随L减小而减小，但qc均随L减小而增大。这是因为光伏板阵列的遮挡率(即阵列遮挡面积与总面积之比)随L增大而增大，导致单位面积光伏板的全年入射辐射总量减小。系统安装于建筑东、西向时Qc和qc的变化规律基本相同，L相同时Qc和qc均在φ为60°时达到最大值，但在φ超过45°后变化较小。南向安装的系统Qc和qc在φ为25°～35°时达到最大值。虽然系统位于各朝向时qc的最大值相差较小，南向系统略大于东、西向，但在φ低于45°时南向系统儡远大于东、西向。
2．4光伏遮阳系统综合节能效果分析
光伏遮阳系统的全年总综合收益Qt(Qr=Qj+Qc)和单位面积光伏板下的全年综合收益qt(qt=qj+qc)如图9所示。光伏遮阳系统在各安装朝向下的Qt和qt均随φ增大而先增大后略微减小;qt随L减小而增大，而Qt随L减小而减小。因此，为保证系统有一定量的总综合节能收益，不能单纯从增大系统的单位面积光伏板的综合收益出发而任意减小光伏板宽L。总体而言，qt为西向优予东向，东向优于南向，但由于建筑南向安装的光伏板面积是东、西向的3倍，所以南向的Qt大于东、西向。
3结论
本文利用Energyplus和Trnsys建立模型分析不同形式的光伏遮阳系统的综合节能效果，得出以下主要结论：
(1)建筑全年空调节能量在光伏板安装倾角从0°～40°变化时增大幅度较大，而倾角大于40°时，变幅趋缓；东、西向安装的单位面积光伏板空调节能量远大于南向。
(2)当安装倾角低于45°时，南向单位面积光伏板年产电量明显大于东、西向。
(3)单位面积光伏遮阳板的遮阳产电综合收益均随倾角增大而先增大后略微减小且西向大于东向，东向大于南向，但由于建筑南向光伏板面积远大于东、西向，所以南向光伏遮阳系统的节能综合收益总量最大。
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