夏热冬冷地区双层光伏立面综合性能优化研究

作     者：彭景 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张慧玲

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：双层光伏立面 综合性能 经济性评价 多目标优化 

摘      要：双层光伏立面技术在可持续发展领域具有深远意义。它不仅能将建筑物转变为能源生产者,还能有效提高能源利用效率,降低能源消耗和减少碳足迹。此外,该技术还能推动可再生能源产业链的升级,促进经济增长,为城市提供更多绿色清洁能源,从而增强国家能源安全,推动经济多元化发展。 论文探讨了双层光伏立面的光热电性能的理论基础。在光学方面,分析了太阳辐射的计算、光伏材料的光吸收、反射与透光性能,夯实了其光学理论基础。在发电性能上,阐述了太阳能电池发电原理,列举了影响发电效率的因素,为优化其发电性能提供了理论支撑。在传热性能上,重点讨论了光伏组件与通风空腔的热平衡,揭示了双层光伏立面的热量传递与散热特性,为其热效率与稳定性的提升提供了理论依据。 论文利用Energyplus对夏热冬冷五个典型城市进行了能耗模拟,提出能耗最低的最佳工作策略。首先对空腔间距对光伏组件发电量的影响进行了分析,研究表明空腔间距对光伏组件发电量影响较小,随着安装间距的增加,发电量先呈现下降趋势,随后又略有增加,五个典型城市的最佳空腔间距为100mm。然后对不同朝向、不同窗墙比对建筑能耗的影响进行模拟,研究发现,在窗墙比为0.5的条件下,这五个城市南向安装双层光伏立面相比东北向可实现2.54%～12.98%的节能效果;在南向安装双层光伏立面条件下,当窗墙比为0.3时,综合能耗达到最低值。最后在此基础上提出优化策略,优化后五个城市的综合能耗均显著下降,下降幅度为26.9%～42.13%,说明优化策略是可行的。 论文还介绍了投资回报期、效益费用比及环境效益的计算模型,并对五个典型城市进行了经济性评价。总体来说,夏热冬冷地区安装双层光伏立面具有较好的经济性及环境效益,但在类似重庆这种地区,建议选用较高发电效率的光伏组件,或进行有效的成本控制和收益提升策略,以确保项目投资的可行性。并进行了运维成本和电价对项目净现值（NPV）的敏感性分析,其敏感性系数(SAF)最大值均在合肥。同时,提出了一些提升光伏建筑的经济性的策略,如优化建筑设计和设备选型、技术创新和政策支持等,以进一步提升项目的经济性和环保效益。 最后,论文针对办公建筑中的双层光伏立面,探讨了基于建筑进深和窗墙比的多目标优化。为增强评价的客观性与精确性,引入了结合熵权法、TOPSIS分析与灰色关联度分析的综合算法,并采用有效自然采光照度（UDI）与建筑全年单位面积净能耗作为核心评价指标,构建了用于对建筑采光与能耗进行多目标优化的模型。并通过上海地区的实际案例,详细展示了从数据预处理到最终方案排序的优化流程。经分析,上海地区的最佳设计参数为建筑进深3米,窗墙比0.3,此方案有效自然采光照度（UDI）达到46.89%,建筑净能耗仅为11.25kWh/m2。