零能耗新型光伏热电墙体系统研制成功

 
 
零能耗新型光伏热电墙体系统研制成功  
 

罗勇强在实验中

今年冬天，华中科技大学环境学院罗勇强博士像往常一样撕下贴在门上的水电费单，打开手机缴纳费用。

“冬季要支付暖气费，夏季空调耗电量大，电费也比较高昂。为了住得舒服，实在太不容易了！”他希望，有朝一日，建筑房屋拥有自己的“思想”，不依靠这些制冷、供暖设置就能够自动化地调节温度，从而大大减少建筑供电的能耗。

幸运的是，他的梦想在不久的将来就会实现。

多年来，罗勇强专攻于建筑领域的节能研究。近日他所在的团队研发了一套可根据需求智能调节温度的零能耗新型光伏热电墙体系统，相关成果发表于《应用能源》。

“在全球变暖亟须节能减排的大趋势下，发展近零能耗乃至零能耗建筑是必然选择。”罗勇强说。

给建筑“穿衣服”

能够住在冬暖夏凉的房子里，是每位居民的梦想，而决定温度的关键在于墙体的设计。

“就像人冬天怕冷要穿棉袄、夏天穿得清凉一样，建筑也不例外。”论文第一作者罗勇强向《中国科学报》打了一个形象的比喻。

通常而言，建筑设计师会根据不同地域特点设计墙体的厚度。比如，北方地区气候寒冷，建筑墙体就会设计得偏厚实，以提高保温效果。南方地区则相反，为了排出热量，墙体就会设计得更加轻薄。

不过，建筑一旦建成之后，其墙体的热性能就会固定，很难根据一年四季的气候情况而随机变化，难以满足人们的居住需求。

“夏天室外炎热，热量透过墙体传到室内导致同步炎热，所以我们需要打开空调把室内热量排出。而到了冬天，室内的热量又会源源不断地从墙体向外流失，所以我们需要打开供暖设施补充损失的热量。”他介绍，为了居住舒适，建筑内部往往配有制冷供热设施，而这会造成大量的能耗。

有没有一种办法能让建筑可以自行根据外界温度添加或脱掉“衣服”？罗勇强陷入了沉思。

芯片也有“两面派”

为了常年保持室内舒适的温度，罗勇强团队设计了一款光伏热电耦合蓄电池的墙体系统。

热电系统的运作基于一种轻薄且小巧的半导体芯片，其依靠光伏电池低压直流电驱动。当直流电输入此半导体芯片时，系统可发挥“两面派”的特质。

通俗来说，到了夏天，安装在墙体里的芯片朝向室内的一面制冷，背面制热。到了冬天，将电流方向逆转，则可实现室内制热的效果。

通往成功的道路是曲折的。很快，罗勇强就面临着一个不可避免的难题——由于该系统依靠光伏充电，所以晚上没有太阳，墙体就无法工作。

有没有办法可以解决？他将目光投向了蓄电池。

“其实白天的时候，太阳能发的电是绰绰有余的。比如夏天，用于冷却墙体的电力非常充足，为何不能把多余的电量储存起来？这样，白天我只需采用光伏产生的一小部分电力用于冷却墙体，多余的电先让蓄电池帮忙‘保管一下’。在晚上没有太阳的时候，我再把电从蓄电池里面取出来，输送给热电芯片。最终通过控制算法，让芯片在夏天帮我们冷却墙体，在冬天的晚上继续加热墙体，实现‘一年四季一天24小时’的墙体热流控制。”

罗勇强表示，如此一来，无论夏天、冬天还是白天、晚上，都能将墙体控制在适宜的温度内。“而且，如果能够让墙体温度和室内温度保持一致，就不会出现热传递和热损失。”

为此，他建立了热电墙体的点热源二维解析传热模型、复合墙体状态空间模型、光伏电池模型以及蓄电池动态充放电模型，利用光伏热电墙体实验台验证了模型的准确性，通过控制算法实现了墙体内表面温度夏季始终不高于室内温度、冬季始终不低于室内温度，并且该系统完全由可再生能源驱动，不消耗电网电力。

有望降低建筑供电能耗

系统完成后，该团队很快将其投入测试。结果表明，建筑墙体可保持恒定的设置温度，全年均能顺利运行。随后，团队又通过模拟计算考察系统在北京、武汉、厦门等十多个不同地区城市的可行性，发现该系统对不同的气候区都具有适应性。

“这就意味着建筑墙体全年只要穿这么一件‘衣服’就行了。”罗勇强说。