引言近些年，随着世界经济水平的快速提升，人们需要更多的能源来满足高质量高水平生活的需求，但常规化石能源有限。我国作为世界第一大能源消费国，目前建筑能耗为主要能源消耗形式之一。随着我国社会城市化进程逐渐加快，先进的建筑建造技术给人们提供了舒适人居环境，但煤和石油等传统化石能源的过度消耗造成大量碳排放和环境污染。在巨大的化石能源消耗和碳排放污染的背景下，降低建筑能耗并寻找新能源来加以开发利用，发展为绿色经济能源成为社会关注的热点。于是人们的焦点逐步转移到可再生能源的开发利用上。我国太阳能产业发展迅速，逐步成为太阳能产业强国。太阳能正逐步代替传统化石能源成为未来的主要新能源。光伏光热系统，即PV/T系统是一种目前研究较为广泛的、充分利用太阳能资源的系统，将光电和光伏技术综合应用，可以将太阳能同时转化为电能和热能，改善太阳能集热器的集热效率以及光伏发电系统的光电转化效率[1]，以此作为系统的评价指标。PV/T集热器与建筑外墙的集成形成建筑光伏热电集成系统(BIPV/T)，集光伏发电、建筑采暖与热水制备为一体的多功能太阳能利用技术，能够有效提高太阳能的综合利用效率，在一定程度上降低了建筑的能源消耗。聚焦国内外应用于外墙的BIPV/T系统的研究设计，总结现有研究设计存在的优势及不足，并提出发展前景展望。1BIPV/T发展概况1.1PV/T系统介绍光伏(PV)技术的电效率和性价比在近些年得到了极大的提高。光伏电池是一种广泛应用于发电的太阳能系统。由于其太阳能电池板组件在实际使用中的光电转换效率不高，表面能接收到的大部分太阳辐射能量被转换为光伏电池的内能，从而提高了其温度；随着电池表面工作温度提高，工作效率会明显降低，还有可能缩短光伏电池的使用寿命。因此，应该有效地排除从PV电池散失的热量，避免电池过热和保持高性能效率，研究人员提出了光伏光热系统(PV/T)的概念，将PV电池的热量收集并用于加热，保证产生的电能和热量都具有更高的效率。针对太阳能光伏光热PV/T技术，Kern[2]等提出了PV/T系统的概念并进行了研究分析，并提出用水或空气作为冷却介质的热电联用一体化理念，即将光伏电池与平板式太阳能集热器相结合，将管道置于光伏板下方，利用管道中的低温流体对光伏板进行冷却，不仅可以提高光电效率，延长电池的使用寿命，还可以将热量传递到流体工质中来获取热能，极大地提高了太阳能的综合利用率。1.2BIPV/T系统介绍建筑光伏热电集成系统是太阳能光伏光热建筑一体化系统，它将光伏建筑一体化和光热建筑一体化的优势进行综合，充分利用建筑围护结构，在建筑围护结构中，集成了光热光伏系统，以取代普通围护结构，可以发电提供建筑的日常运行，同时具有降低建筑冷热负荷的功能。太阳能利用技术与建筑相结合，可以有效降低建筑能耗，进一步充分利用清洁太阳能资源。现阶段许多研究方向根据PV组件冷却介质的不同将BIPV/T系统主要分为空气冷却型和水冷却型两大类。由于BIPV/T的性能通常与应用的目的密切相关且热泵技术近些年也有很多相关的研究成果，适用性较为广泛，本文将应用于外墙的BIPV/T系统分为三类，分别是BIPV/T-空气冷却型系统、BIPV/T-水冷却型系统和BIPV/T-热泵系统。2研究进展2.1BIPV/T-空气集成墙体根据光伏(PV)的空气型冷却方式，将基于BIPV/T-空气冷却型系统的墙体分为带通风和不带通风两种设计。现阶段对带通风的光伏墙体进行了广泛研究，对不带通风的光伏墙体进行的研究甚少。光伏与墙体集成时，通过BIPV墙体的热流传递与传统墙体不同，研究人员更加关注两者之间关于对建筑冷热负荷及能耗性能的影响对比。BIPV/T-空气集成墙体的不同研究内容的结论对比如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.023.T001表1BIPV/T-空气集成墙体的不同研究内容的结论对比研究内容作者研究方法结论光伏电池温度Krauter[3]等试验降低组件温度，提高发电量，安装成本低空气流道的不同位置结构Hegazy[4]等试验不同结构流道的系统性能比较接近，其中设置双流道结构时功耗较小对建筑供暖、制冷的能耗的影响Yang[5]等模拟冷负荷降低33%~55%，且太阳辐射强的光伏区域降低影响较明显季杰[6-9]等试验、模拟显著减少建筑室内得热Peng[10]模拟墙体系统朝向南侧时能有效减少室内得热流道尺寸和流道内对流方式对设计的影响Candanedo[11]等模拟气体流速与空气流道的长度尺寸以及室外气象因素对出口温度的影响有关虞丽丹[12]模拟流道高宽比大有利于传热，流量、速度及温升成正相关Hailu[13]理论强迫对流时，BIPV/T幕墙系统的设计参数：空气流道宽度与出口温度成负相关，提出设计风机控制优化Kaiser[14]等试验强迫对流时，接近0.11的空气流道长宽比，能最大程度地冷却光伏组件有无通风PV墙体与传统墙体的性能比较Sanjuan[15]等模拟通风PV墙的温度比不通风PV墙的温度低Li[16]等试验、模拟与普通混凝土墙相比，空调的年用电量减少早期研究大都集中在夏热冬冷和夏热冬暖地区，而针对严寒寒冷地区的相关研究较少。这些地区太阳能资源同样丰富，对于需要考虑优化冬季采暖问题的地区，充分利用当地资源进行研究设计是可行的。虞丽丹[12]设计了适用于严寒地区空气型BIPV/T集成墙体，模拟了系统在哈尔滨冬季气象条件连续运行工况下的运行及传热特性，分析流道尺寸对流道内空气的温度、速度及流量的影响。结果显示该新型墙体系统适用于严寒地区哈尔滨，流道尺寸为50~70 mm时效果最佳。大多数情况下，带通风的光伏墙体的电池温度可以更低，其光电转化效率更高。虽然两种设计的在长期使用中的效率无显著差异，但在减少传热方面，两种设计对墙体热流具有不同的影响。带通风的PV墙有利于降低夏季冷负荷，不带通风的PV墙有利于降低冬季热负荷。因此，为了确定合适的设计，应该根据当地的气象条件进行具体分析。合理设计光伏板与墙面之间的空气间隙，使得利用空气能够最大程度地降低光伏电池板的温度。在实际应用中，自然通风系统已经能够以较低的成本获得较优的系统性能，同时不需要设置额外的组件，安装方便。因此，自然通风在大多数研究中得到了广泛的应用。2.2BIPV/T-水集成墙体由于BIPV/T-空气集成系统很难将收集到的热量进行输送，利用这种集成墙体系统为直接与立面相连的房间提供采暖时，仅靠近墙体壁面的区域能够收获小部分热能，远离立面的区域不能感到明显的温升，这极大地限制了BIPV/T-空气集成系统的应用。研究人员开始深入研究以水代替空气作为光伏板冷却介质的PV/T-水集成墙体系统，是应用于墙体的BIPV/T-水冷却型系统，主要分析系统的热电效率以及对建筑冷热负荷的变化影响，并估算投资回收期作为经济效益的评价指标[17]。中国科学技术大学学者们将系统的空气流道替换成水流通道，进行了试验研究和理论分析，发现与传统混凝土墙体相比，将光伏板材料为多晶硅的PV/T系统设置在建筑南侧外墙，并且以水作为冷却光伏板的介质时，可以显著降低建筑的冬季热负荷，并在一定程度上降低夏季冷负荷[18]。另外，采用香港地区的气象数据对此系统进行研究，结果表明，与传统建筑相比，墙体得热造成的空调负荷降低超过一半，降低了生活用热水造成的建筑能耗[17]。Chow[19]等提出在高层住宅建筑外墙表面安装太阳能热水集热系统，计算结果显示热水的年平均效率达到了约40%，太阳能利用率高达50%以上；且因为系统安装在建筑外墙，起到一定遮阳作用，可以降低建筑墙体得热并同时减少冷负荷[20]，因此实际的经济效益会比计算结果更优。次年，Chow[21]等建立了香港地区自然对流循环水采暖系统的仿真模型并进行了试验研究。研究发现，自然循环水回路的性能更优，在夏季和冬季，与传统的光伏幕墙相比，墙体周围空间的空调负荷大大降低。此外，模拟和试验结果表明，该系统的年热效率为37.5%，电效率接近于10%。BIPV/T-水集成墙体系统将介质水收集到的热量用于生活用水的加热或辅助供暖，大大降低了墙体附近空调房间的负荷，具有较为可观的经济效益。2.3BIPV/T-热泵集成墙体在严寒及寒冷地区，某些寒冷气候下，BIPV/T系统的供热性能随着太阳辐射变化不稳定，系统的出口空气或水的温度不足以满足建筑及用户的使用要求，采用BIPV/T-空气系统或BIPV/T-水系统均无法最大程度地充分利用太阳能能源。因此，在这种情况条件下，设计一种适用性更广的系统成为研究人员的工作重点。采用单独的空气源热泵在冬季比较容易出现结霜现象，这会导致热泵的能效比低[22]。虽然热泵的性能系数COP较低，但如果将太阳能与热泵的结合，能够有效地解决BIPV/T系统的不稳定性，同时在一定程度上提高热泵的COP。Kamel[23]等介绍了现有的太阳能PVT集热器系统及其与热泵的集成。James[24]等对现有使用PVT集热器的热泵系统进行了热分析。结果表明，BIPV/T耦合热泵的集成系统可以提高太阳能利用率，在一定程度上提高热泵的COP，两者的结合在目前具有应用前景。Hailu[25]等使用Trnsys软件对PV/T集热器与空气源热泵相结合的墙体系统进行模拟，设置两种不同工况对房间进行供暖。结果表明[25]，平均环境温度高于-3 ℃时，两种工况下的系统的COP得到了明显提高，但低于-10 ℃时，系统性能并没有得到改善。Martin-Escudero[26]等通过试验和模拟相互印证，研究了与空气源热泵相结合的光伏墙体系统用于室内采暖和生活热水供应时的系统及经济性能。结果表明，系统可以提供充足地热能需求，同时光伏电池板还可以提供空气源热泵系统很大一部分的电力需求。同时，系统的投资成本回收期约为6年，经济效益十分可观。Araz[27]等研究BIPV/T-水源热泵集成系统的效率。结果表明，热泵和整个系统的火用效率分别为72.23%和64.98%。杨先亮[28]等研究了地源热泵-BIPV/T耦合系统，分析了系统的运行模式，并以南向BIPV/T墙体为例，对墙体外表面温度和得热量进行模拟，同时与普通墙体进行对比。结果显示，夏季时，耦合系统BIPV/T墙体得热量减少；冬季时，BIPV/T墙体得热量增加，表明地源热泵-BIPV/T耦合系统具有较好的节能效果。光伏光热墙体将热泵系统与光伏系统相结合，一方面可以有效降低光伏电池板的温度，提高光电效率；另一方面能够提升热泵的性能系数COP。BIPV/T技术耦合热泵的集成系统应用于建筑外墙时，能够单独制取生活热水，实现制冷和供暖的功能转换，实现功能一体化。3研究进展总结文中聚焦国内外学者的研究现状，研究人员在基于外立面的BIPV/T集成系统的设计、电气和热性能（包括对热负荷和冷负荷的影响）等方面已经开展相关的研究，也取得了一系列可观的成果。3种基于外墙立面的BIPV/T系统的优缺点如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.023.T002表23种基于外墙立面的BIPV/T系统的优缺点类型优点缺点BIPV/T-空气冷却型系统系统简单、成本低、安装方便出口温度低、太阳能利用效率低BIPV/T-水冷却型系统效率高、生活用水加热或辅助供暖严寒寒冷冬季结冰问题BIPV/T-热泵系统系统COP明显提高成本高光伏组件的关键问题是降低光伏电池温度并提高光伏电效率，BIPV/T集成墙体在设计方面考虑利用流体换热带走板间热量，通常采用空气或水作为冷却流体。BIPV/T空气型集成墙体设计设置通风和不设置通风两种，有通风的光伏墙已经得到了广泛的研究和应用，而对没有通风的光伏墙的研究非常有限。但BIPV/T空气型集成墙体由于未充分使用光伏电池的热量，整个系统的总效率较低，实际应用中的年平均效率仅为10%左右。BIPV/T-水集成墙体系统可以很容易地连接到循环加热系统中，将热量输送至遥远的房间进行采暖或生活用水加热。与空气集成系统相比，BIPV/T-水系统有望在未来得到广泛应用。系统的应用效果方面，BIPV/T-空气集成墙体利用光伏板与外立面墙体的空气流道，利用空气降低光伏组件温度，提高了发电量，显著减少室内得热；另外，空气流道的不同尺寸设计结构对传热效果及出口温度具有一定影响。BIPV/T-水集成墙体系统利用水作为集热介质收集组件过热以降低温度，在前者基础上，可以将这部分热量用于加热生活热水或辅助供暖。BIPV/T-热泵集成系统利用热泵技术实现用户的制冷、取暖及生活热水的需求，更加丰富墙体的功能性。安装及成本方面，由于光伏本身成本相对较低，安装也十分方便，BIPV/T空气型集成墙体设计系统简单且成本低。针对BIPV/T-水集成墙体系统，PV/T集热器通常作为一个单独的单元建造并连接到立面上，该集成系统可以很容易地从建筑物上拆卸下来进行更换。带热泵的BIPV为提高热泵的性能提供了一种新的途径，但随着热泵技术的使用，系统变得复杂，成本显著增加。因此，需要进行详细分析，以验证其成本效益。3种形式的集成墙体系统是目前主要的研究拓展方向。随着系统形式的复杂程度加深，为了提高系统的工作效率，成本也不断增加。因此，如何寻找合适实用的设计集成系统成为研究学者的重点。4结语（1）从现有系统类型分析，BIPV/T-水冷却型系统的优势明显优于BIPV/T-空气冷却型系统，关于BIPV/T-水冷却型系统的研究却比BIPV/T-空气冷却型系统的研究少。因此，需要将研究重点更多地偏向水冷却型系统，通过研究实现以更低的成本最大程度地提高BIPV/T-水冷却型系统的性能，同时考虑解决寒冷严寒气象条件下水流管路结冰问题，可以推进以制冷剂为集热介质代替水介质的新型BIPV/T墙体系统。（2）与屋顶相比，立面更容易被周边建筑遮挡，可能会严重降低立面BIPV/T的系统性能。对于城市建筑而言，外围建筑遮挡是不可避免的，但是基于立面的BIPV/T的遮挡对于性能影响的效果尚未得到充分研究。因此，应该在这方面进行更多的研究。将建筑光伏热电集成系统应用于外立面围护结构，能够替代传统围护结构起到良好的保温隔热作用，光电光热综合利用能够实现发电和节能的双重效益，充分利用可再生能源降低建筑能耗，实现建筑节能，保证可持续发展。