随着社会的发展,近年我国政府加大了对环境保护及节能减排问题的关注,其中建筑能耗在总能耗中的占比达到了 20%左右[1],因此如何降低建筑能耗、减少建筑污染物排放成为了重点研究的问题。太阳能是一种广泛分布的可再生清洁能源,在建筑中利用好太阳能不仅可以降低建筑总体负荷,还可以减少传统化石能源在建筑中使用的比例。太阳能建筑一体化是解决太阳能在建筑领域运用的重要方法,涵盖了传统的光伏建筑一体化、光热建筑一体化及光伏光热建筑一体化三种关键技术。我国幅员辽阔,气候分布差异较大。建筑在不同地区、不同季节及不同气候条件下的能耗需求亦不尽相同。为了满足建筑能耗的季节性需求,太阳能建筑一体化技术不仅要解决建筑的冬季采暖问题以降低建筑热负荷,也要考虑建筑的夏季热防护需求以避免过热及随之而来的冷负荷增加等问题。由于之前提到的太阳能建筑一体化技术在推广运用中均存在着各种问题,因此本文针对传统的太阳能建筑一体化技术及系统结构进行了一系列的改进研究,内容如下:(1)研究提出了三效太阳能蓄热墙体。该墙体有光伏空气及光伏热水两种工作模式,可以根据外界环境及建筑实际需求灵活调整。在采暖季白天,不仅可以持续光伏发电,还能有效地加热房间空气;在采暖季夜晚,可以为建筑外围护结构提供保温功能从而减少建筑散热。在非采暖季白天,不仅可以制备生活热水,还可以通过制热水降低光伏电池温度,进而提升光伏发电的效率;在非采暖季夜晚,可以提供热防护功能以降低建筑冷负荷。分别对该系统进行光伏空气及光伏热水模式的实验,通过实验数据得出:在光伏热水模式下光热效率约为47.0%,全天总发电量为0.12 kWh,全天的光电效率约为7.6%,且不会出现建筑过热现象;在光伏空气模式下,实验间平均温度比对比间高出6.6℃,系统被动采暖效果明显;全天总发电量为电0.65 kWh,平均电效率为12.5%。(2)分别建立了与建筑结合的三效太阳能蓄热墙体在光伏空气及光伏热水模式下的数学模型,将模拟数据与实验数据对比,验证了模型的准确性。模拟结果证明,在光伏热水模式下,最佳循环水流速为0.04 1/s左右;在非采暖季,房间空气温度随着三效太阳能蓄热墙体覆盖面积增加而下降,证明系统能够降低建筑在非采暖季的冷负荷;经过参数分析得出系统最佳的宽高比为2:1至3:1。通过对三效太阳能蓄热墙体在典型城市的全年模拟性能分析可以得出,系统在北京、合肥和西宁全年电效率分别为11.2%、10.6%及12.1%,总发电量分别为247.70 kWh、152.60 kWh 及 268.40 kWh;三地全年热负荷分别为 2112.60 kWh、1482.20 kWh及3656.10 kWh;全年太阳能保障率分别为49.9%、38.7%及41.3%;全年热水能量保障率在三个城市分别为79.1%、66.8%及60.4%;夏季单位面积南墙得热量分别减少18.40 kWh/m2、20.20 kWh/m2及9.20 kWh/m2;系统全年总节能量分别为2661.80kWh、1908.40kWh和2412.30kWh。基于系统在北京地区的全年性能分析可以得到,外置式系统相比于内置式系统,全年发电量可以提高17.7%;冬季采暖效果相当,但在夏季热水的产量将减半;使用碲化镉及传统的硅电池全年发电量分别为216.50及247.70 kWh,由于其弱光性好、耐热性强、使用寿命长,因此运用前景广泛;在墙体上使用保温材料,可以有效地降低全年的能耗。(3)研究提出了双流道太阳能相变蓄热墙体系统。该系统适应建筑季节性需求,可以灵活提供采暖、保温、隔热和自然冷却四种功能,在有效地提供冬季全天采暖的情况下,可以进一步地降低建筑夏季冷负荷。且由于相变材料的使用,增加了系统对于能量调控的能力及对于建筑室内舒适度的改善。在夏季实验中,实验间与对比间温度近似,证明此系统在夏季并没有出现过热现象;三天连续实验中,实验间空气温度峰值出现的时间相比于对比间分别延迟了 46、42及24分钟,这说明了系统可以延迟室内冷负荷出现的时间;不仅如此,系统还可以降低南墙外侧温度峰谷差及延迟外侧峰值温度出现的时间。在冬季实验中,实验间与对比间平均温度分别为16.6℃与9.8℃,全天平均温差达到了 6.8℃,而最大温度分别为38.4℃与18.7℃,温差为19.7℃,说明被动采暖效果显著;在实验第三天的16:00至24:00,集热墙南墙内侧相比于房间南墙内侧温度要高出2.8℃,说明相变材料在夜晚可以持续加热实验间南墙。基于实验数据,针对相变材料及双流道空气流动机理等提出了合理化的理论假设,基于能量守恒建立了动态数学模型,并通过与实验数据的比较证明其准确性。(4)研究提出了双流道三效太阳能相变蓄热墙体。此系统集合了上述两套系统的各项优势,能够更大程度地满足建筑对于能量需求。该系统针对冬季、夏季及过渡季全天均有特定的工作模式。在两组过渡季实验中,白天发电量及平均电效率分别为0.61 kWh、11.6%及0.59kWh、11.7%;水箱终温均可以达到50℃左右,而热效率也在55%以上;在过渡季白天实验间比对比间温度稍低,证明系统不会出现过热现象;而在夜晚,集热墙南墙相比于实验间南墙平均温度高出1.4℃,实验间与对比间夜晚空气温差最大值为1.4℃,平均温差为0.7℃,证明在夜间可以通过相变材料放热持续加热室内空气。在冬季实验中,白天平均电效率及日发电量分别为12.3%及0.67kWh;实验间与对比间最大温差在白天可以达到10.8℃。而在冬季夜晚,从当天16:00系统关闭风口,相变材料开始放热,直到当晚的24:00。实验间与对比间的温差为1.4℃,证明了系统持续加热的能力。