作者：张毅
本文针对PVT围护结构建立了准三维传热数学模型，研究该模型对PVT围护结构光热效率、热损失及围护结构传热量的影响，对太阳能光伏光热建筑一体化的系统设计及围护结构负荷计算具有重要意义。
1.1物理模型
水冷型PVT围护结构由玻璃盖板、PV集成组件、吸热板及建筑围护结构构成。换热管管内流体通过联箱管分配，且换热管之间为同程连接，相邻两根换热管间距为W，换热管外径为D0，内径为Di，PV集成组件由单晶硅电池( 125mmx125mm)通过串联和并联组成，其电池参数如表1所示。上层玻璃盖板贴附在光伏电池上，光伏组件与吸热板之间用导热性能良好的胶粘贴。水冷型PVT围护结构宽为1.25m，长为1.8m，其结构示意图见图2所示，结构及物性参数见表2。
1,2二维稳态传热数学模型
针对PV集成组件和吸热板建立二维传热数学模型。为简化模型，作如下假设：
1)传热为稳定状态；
2)联箱管的传热忽略不计；
3)忽略自然对流对换热管管内流体流动的影响，且管内流体质量流量已知；
4)忽略玻璃盖板和建筑围护结构沿流体流动方向（y方向）及横向（x方向）的传热PV组件二维传热方程
1.3 -维稳态传热数学模型
基于图2(b)所示的能量平衡[9]，吸热板和玻璃盖板的平均温度能被分别表示为
围护结构传热量
2模型验证
针对二维传热模型，采用控制容积对其进行离散，方程离散后的代数方程采用三对角阵算法( TDMA)进行求解。PVT电池组件和吸热板采用非均匀网格进行网格划分，在换热管处，网格较密，见图3所示。为了确认二维传热模型及开发程序的正确性，将开发程序应用于文献[11]中的顺流问题。其计算参数为：换热流体进口温度正，
=16℃，太阳辐照度G=700W/m2，空气温度Ta=21.5℃，热损失系数
=9W/(m.0C)，换热管直径为0.014m，换热管间距为0.1875m，吸热板面积为3rn2，换热管根数为16根，换热管内的流体质量流量按文献[11]的计算值给出。图4给出了每根换热管热效率，从图中可以看出，通过二维传热模型计算的换热管热效率略高于参考计算值，其最大绝对误差为3%;二维传热模型平均热效率比参考计算平均热效率大1.5%，这主要是由于在二维传热模型中忽略了联箱管的传热，因此热效率略有偏大。图4的结果表明，本文开发的PVT围护结构二维传热计算模型及程序是正确的，可以用于吸热板及电池组件温度分布的求解。
3 计算结果分析
本文研究对象的吸热体面积为2.25rn2，换热管根数为10根，且均匀布置，冷却水质量流量为0.015kg/(s -m2)，换热流体分配到各根换热管质量流量通过Fluent模拟计算获得，见图5。从图6可以看出，水冷型PVT围护结构的热损失
、墙体得热量
、冷却水得热量
和电池片发电量
皆随着太阳辐射照度的增大而增加；一维传热模型的冷却水得热量、墙体得热量和电池片发电量皆大于二维传热模型，冷却水得热量相对偏差最大值为2.8%，电池片发电量相对偏差最大值为10.4%，墙体得热量相偏差随太阳辐照度的增大而增大，偏差最大值为56.6%；一维传热模型的热损失小于二维传热模型的结果，热损失相对偏差最大值为28%。其主要原因是随着太阳辐照度的增大，一维模型吸热板的平均温度大于二维模型吸热板的温度且小于二维模型电池片的平均温度，见图7所示，且随太阳辐射照度的增大，吸热板温度之间的相对偏差增大，因此，采用一维传热模型时，墙体的得热量计算结果偏大，这与实际情况是不相符的，结果表明，采用简化的一维传热模型分析PVT围护结构传热特性将产生较大的误差。
从图8可以看出，水冷型PVT围护结构的冷却水得热量
和电池片发电量
皆随着流体进口温度的升高而减小，热损失
和墙体得热量
皆随着流体进口温度的升高而增大；一维传热模型的冷却水得热量、墙体得热量和电池片发电量皆大于二维传热模型的计算结果。冷却水得热量相对偏差随换热流体入口温度升高而增大，其最大值达到10.8%；墙体得热量相对偏差随换热流体入口温度的升高而减少，其最大值为146%，最小值为3.5%；电池片发电量相对偏差最大值为12.5%。同太阳辐照度增大一样，一维传热模型的热损失小于二维传热模型的结果，但热损失相对偏差最大值为25%。其主要原因是随着换热管流体进口温度的增加，一维模型吸热板的平均温度皆大于二维模型吸热板平均温度，其差值逐渐减小；一维模型吸热板的平均温度皆小于二维模型电池片的平均温度，其差值逐渐增大，如图9所示。
4 结论
本文针对PVT围护结构分别建立了一维传热模型和二维传热模型，分析了数学模型对水冷型PVT围护结构热性能的影响，与一维传热模型计算结果相比，二维传热模型具有较高的计算精度。尽管一维传热模型将电池与吸热板之间的热阻对效率因子进行了修正，但仍假设电池与吸热板的温度是一致的，同时忽略了换热流体流动方向的导热，导致一维传热模型吸热板温度偏高，但对于电池组件温度来讲，温度偏低，因此其对墙体传热量及热损失影响较大，其结果表明，对于PVT围护结构，需针对PVT组件各层，如吸热板、电池片等分别建立二维传热模型，获得吸热板和电池片的温度分布，对提高PVT围护结构的墙体传热量、热损失、冷却水得热量等物理量的计算精度具有重要作用。
5摘 要：
本文针对PVT围护结构分别建立了一维传热模型和二维传热模型，分析了数学模型对水冷型PVT围护 结构热性能的影响，结果表明：一维传热模型增大了冷却水得热量、墙体得热量和电池片发电量，减小了热损失，与一维传热模型的结果相比，二维传热模型由于考虑了吸热板和电池片在流体流动方向的导热，可以获得吸热板和电池片的温度分布，计算结果具有较高的精度，对PVT围护结构的设计具有重要指导作用。
