摘要
太阳能与建筑一体化是实现建筑节能降碳，提高建筑的能源利用效率的重要途径。作者提出并设计了一种新型太阳能吸收式模块化幕墙以及对应的与建筑一体化的太阳能幕墙热水系统，并评估该系统的应用潜力。与传统的模块化幕墙相比，本文提出的太阳能吸收式模块化幕墙的主要优点在于预热建筑热水系统的供水，并降低室内得热量及对应的空调能耗。此外，本文提出的与建筑一体化的新型太阳能幕墙热水系统拓宽了建筑围护结构与太阳能热水系统的组合模式。
本文首先分别建立了建筑一体化的太阳能幕墙热水系统和传统模块化幕墙的动态数学模型，用于系统设计与性能预测。之后，以北科大顺德创新学院食堂改造为例，提出三种建筑一体化的太阳能幕墙热水系统设计方案，分别基于典型冬季工况、典型夏季工况以及全年工况，对比三种系统设计方案的热性能。最后，对最优热性能下的太阳能幕墙热水系统从经济、能源和环境影响进行全生命周期评估。研究结果表明，该太阳能幕墙热水系统的年累积节电量为4175.3kWh，年平均热效率46.9%；对应的成本回收期、能源回收期和温室气体回收期分别为3.8年、1.7年和1.7年。本文证实了与建筑一体化的新型太阳能幕墙热水系统的可行性和长期效益。
关键词：太阳能热利用；太阳能吸收式模块化幕墙；与建筑一体化的太阳能热水系统；生命周期评估；既有建筑改造
建筑部门的能耗占据了社会总能耗的30%以上，并且导致全球约40%的温室气体总排放量，是能源消耗和碳排放的三大主要来源之一。太阳能集热器是实现太阳能热利用的重要组成部分；开发与建筑一体化的太阳能集热器能够利用大面积的建筑外立面，从而克服当前太阳能集热器因阳台安装和屋顶安装的局限性。本研究提出了一种新型的太阳能吸收式模块化幕墙以及与建筑一体化的太阳能幕墙热水系统。数值模拟结果表明，该模块化幕墙和热水系统具有显著的节能潜力和实际应用价值。
（1）设计一种新型的太阳能吸收式模块化幕墙
(2) 建立该太阳能吸收式模块化幕墙及其热水系统的数学模型，进行动态性能预测与系统优化
(3) 从全生命周期角度，进行节能、降碳、经济评估
本研究提出了一种新型太阳能吸收式模块化幕墙以及对应的与建筑一体化的太阳能幕墙热水系统，并以北京科技大学顺德研究生院食堂作为既有建筑改造案例进行系统优化研究和全生命周期评估。数值结果表明，在全年均有制冷需求的热带和亚热带地区，本文提出的新型太阳能吸收式模块化幕墙与热水系统在节约成本、节能和减少碳排放方面均具有较大潜力。
作者
Wenjie Liu1,2,6, Xinwen Liu3, Chongchao Pan1,2,6, Chunying Li2,5, Woonming Lau1,6, Yuanli Lyu2,4
该论文的第一作者是北京科技大学能源与环境工程学院讲师柳文洁。
通讯作者为西华大学建筑与土木工程学院吕原丽副教授。吕原丽副教授从事围护结构性能提升及其一体化可再生能源应用领域的研究，承担和参与国家级等各级纵向项目和企业委托项目10余项，发表学术论文近30篇。四川省海外高层次人才，宜宾市学术和技术带头人后备人选，西华大学青年学者，西华大学2019年度优秀科技工作者。
共同作者还包括深圳大学建筑与城市规划学院李春莹副教授、北京科技大学能源与环境工程学院潘崇超副教授、北京科技大学顺德研究生院刘焕明院士。
Liu W, Liu X, Pan C, et al. (2023). Potential application of a novel building-integrated solar facade water heating system in a subtropical climate: A case study for school canteen. Building Simulation, 16: 1987-2004.
https://doi.org/10.1007/s12273-023-1009-1
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一种建筑一体化的新型太阳能幕墙热水系统在亚热带气候区中的应用——以学校食堂为例
期刊介绍
Building Simulation 2008年创刊，是世界上第一本有关建筑模拟领域最新研究成果的英文学术期刊，跨多种学科领域，涉及建筑技术、土木工程、建筑学、环境工程、能源及动力工程等，致力于为中外同行提供一个高水平的学术交流平台。被SCI、EI Compendex、Scopus、CSCD等数据库收录。2023年SCI影响因子5.5，在JCR两个学科领域均位于Q1区；位于中科院期刊分区，工程技术类1区。
