1. 研究背景
快速的社会经济发展导致碳排放量激增，加剧了气候变暖，使其成为全球最严峻的挑战之一。实现碳中和已成为世界各国未来发展规划的核心要素[1]。2024年，建筑领域占全球能源消耗的34%和二氧化碳排放量的37% [2]。在建筑中利用可再生能源已成为实现净零碳目标的关键步骤[3]。太阳能是最具前景的可再生能源，到达地球表面的太阳辐射每两小时就能满足全球一整年的能源需求[4]。因此提升光伏(PV)电力于建筑能源体系内的占比，无疑是达成可持续性发展目标的一条行之有效的路径[5] [6]。
在当前光伏发电系统中，采用电化学电池进行电力的储存和缓解光伏发电的波动已经成为主要方式[7] [8]。虽然电化学储能能够很好的缓解光伏波动对电网带来的影响，但是在实际的应用中，一些建筑物对能源的需求非常庞大，这使得在我们在缓解波动时需要超大容量的电池，使光伏发电系统的成本大大增加，系统的经济性大大下降，投资回报周期变长[9]。因此，蓄热装置作为一种成本相较于电池更低的储能方案，被提议纳入建筑能源系统，用于配合光伏系统运行。
贺存祥等[10]构建太阳能光伏光热(PV/T)双源热泵供暖系统，并以北京冬奥会延庆赛区某转播技术机房为研究对象，对空气源、水源热泵供暖模式下系统耗电功率、发电功率、热泵机组制热性能系数及室内温度等进行实测。结果显示，PV/T双源热泵供暖系统无论采用空气源还是水源热泵供暖模式，均可满足室内温度需求，且水源热泵供暖模式的制热性能系数更高。González-Peña D等人[11]提出一种创新设计，将光伏和热(PV/T)技术与蓄热相结合。在该设计中，于光伏板背面增设相变材料(PCM)罐，通过在相变过程中调控PV电池温度，实现热能储存，并提升光伏板效率。同时，光伏板周边设黑色表面，增强热能吸收，热能经热管传至PCM罐背面。以月桂酸为PCM的原型，在两种不同配置下测试发现，通过控制白天PCM温度，可使整体日常效率提高50%。Zhong等人[12]提出了一种新型太阳能光伏光热一体化百叶幕墙，将光伏发电与光热技术相结合，该幕墙不仅能具有光伏发电功能，还能为建筑物创造良好的热环境，进一步降低建筑能耗，解决了光伏组件的输出效率随环境温度升高而降低的问题。
近期有研究指出，蓄热装置比电池更适用于配合光伏系统运行，常见的蓄热装置包括水箱、相变材料以及化学蓄热等[13]-[15]。不过，这些蓄热装置存在一个显著弊端，即其所需占用空间远远超出了建筑物内部实际可提供的空间范围。特别是在城区建筑中，空间资源本就极为紧张，这一问题变得愈发突出[16]。从推广应用的角度来看，理想的建筑能源系统储能设备应当具备成本低廉、体积小巧且使用寿命长久的特性，建筑围护结构恰好能够满足上述各项要求。尽管上述研究在光伏光热一体化方面取得了显著进展，但仍存在蓄热装置占用空间大、与建筑结构集成度低等问题。特别是在城市建筑中，空间资源紧张，亟需开发结构紧凑、蓄热效率高、与建筑围护结构深度融合的新型蓄热系统。本文针对这一问题，提出一种光伏直热蓄热墙体系统，将电加热丝直接布置于墙体内部，实现光伏发电、蓄热与供暖的一体化，旨在提升蓄热效率、减少空间占用，并通过对两种不同工况(顶部保温封闭与开孔)的实验对比，评估其热性能与应用潜力。
2. 实验条件
本实验中，砖孔为竖直方向，上下层的砖孔相通，将电加热丝全部均匀地分布在放置在墙体的底部，如图1，对墙体进行加热，测量墙体的内外温度的变化以及相关电力数据，包括电压电流以及功率，进而分析其分别在墙体顶部带保温层和顶部不贴保温层两种工况下的蓄热放热性能，以及能量分布情况。
Figure 1. Real discharge of the bottom of the electric heating wire
图1. 电加热丝底部排放实景图
Figure 2. Outdoor hourly weather and meteorological parameters from February 8 to February 9
图2. 2月8日~2月9日室外逐时天气气象参数图
实验时间为2月8日~2月9日，具体气温及太阳辐照度状况如图2，2月8日当天最高太阳辐照度为947 W/m2，一天的太阳总辐照量为23.5 MJ/m2，最高平均温度15℃，最低温度为−4.2℃，2月9号天气当天最高太阳辐照度为824 W/m2，一天的太阳总辐照量为24 MJ/m2，最高温度13℃，最低温度为−2.9℃。
实验过程中，温度测量采用T型热电偶，精度为±0.5℃，数据采集仪为Agilent 34972A，采集间隔为1分钟。为减少环境因素(如风速突变)对实验结果的影响，实验在室内可控环境中进行。所有实验工况均重复三次，取平均值以减小随机误差。
3. 顶部用保温封闭工况分析
本节的墙体保温状态为如图3，将500 mm长的保温棉分别贴在墙体的上表面和两个端面，在底部放置550 mm的泡沫板在底部已达到近乎绝热的效果，只让热量通过两侧的墙面与室内进行换热。
Figure 3. Real view of the heat storage wall sealed with thermal insulation at the top
图3. 顶部用保温封堵的蓄热墙体实景图
3.1. 光伏发电、蓄电与用电
(1) 负载光伏电压
Figure 4. Voltage change trend chart
图4. 电压变化趋势图
如图4所示，为母线电压、负载电压、电池电压变化趋势图。整体来看，该图表反映了一天内母线电压、负载电压和电池电压的变化情况。母线电压的波动幅度最大，负载电压相对较为稳定，电池电压在后期出现了负电压的情况。
(2) 负载与蓄电池充放电功率
Figure 5. Trend chart of power change by load
图5. 各负载功率变化趋势图
由上图5可以看出负载功率：从早上6:00开始，负载功率逐渐上升，在大约10:00到11:00之间达到峰值，约400 W左右，并在中午11:00到下午16:00左右保持相对稳定的高功率状态，由于太阳辐照强度下降，负载由电加热丝开始供电，随后从下午16:00开始逐渐下降，由于蓄电池放电结束，负载断电由于到晚上22:00之后下降速度加快，至11:00接近0 W。
蓄电池冲放电功率：从早上6:00开始，太阳出来，蓄电池开始进行充电模式，功率逐渐上升，在大约11:00到12:00之间达到峰值，约350 W左右。然后开始下降，由于太阳辐照度下降，到下午16:00之后，功率变为负值，蓄电池开始进入放电模式，在18:00到19:00左右达到最低点，约−270 W左右，说明此时蓄电池处于放电状态。之后放电功率绝对值逐渐减小，到凌晨22:00左右接近0 W。累积光伏发电量3525 Wh，光伏发电效率11.3%，电加热丝电热量3394.58 Wh，电损3.7%，蓄电池充放电量1825.3 Wh。
3.2. 墙体内外温度分布及热量变化
(1) 墙体内外温度分布
由温度分布图6可看出，6:30左右太阳辐照度逐渐增强，随着分布式光伏蓄热系统的启动，各位置温度都出现了变化，首先，电加热丝温度变化6:30~10:10时间内由9℃急剧升高到10:00左右达到最高温度75.3℃，温度升高速率约为18.2℃/h，在10:10~14:40左右温度开始急剧下降，这是由于蓄电池电压不足，太阳能控制器处于待机状态，负载断电导致。
墙温度变化：由于电热的温度上升，通过热辐射热传导给墙体加热，导致内墙温度上升，但温度上升速率没有电加热丝的大，从6:30~12:20温度由6.3℃上升到51.2℃，上升速率为7.7℃/h。外墙表面的温度变化：在6:30~14:00的时间内温度从3.5℃升到35.6℃，上升速率为4.1℃/h。16:00以后墙体没有任何能量来源，处于放热阶段，温度开始逐步下降，放热时段分为两个时段在放热时段1 (前半夜16:00~24:00)，由35℃降到13.5℃，下降速率为2.7℃/h，为主要放热阶段；在放热时段2 (后半夜24:00~次日6:00)，由13.5℃降到6.7℃，下降速率为1.1℃/h，下降至室内温度。
室内温度变化：总体来看室内温度一直维持在10℃~24℃左右的范围内，在6:00~13:30时间内温度持续上升，在13:30左右温度达到了最高值24.2℃，温度上升速率为2.29℃/h。在13:30往后的时间段温度呈现缓慢下降趋势，到6:00左右下降至6℃。
Figure 6. Trend of temperature change in each layer
图6. 各层温度变化趋势图
Figure 7. Vertical temperature distribution of the outer surface of the wall
图7. 墙体外表面竖直温度分布图
图7展示了墙体纵向不同时刻的温度分布图，由此图可以看到在白天蓄热阶段6:00~18:00，墙体的温度分布较为均匀，在12:30左右墙顶部与底部温差仅达到7℃。温度分布为底部平均温度高于中部平均温度高于上部平均温度，这是由于电加热丝在底部排放，热量先通过电加热丝给底部墙体加热依次再向上传递。
(2) 墙体的逐时热量变化图
Figure 8. Hourly heat change graph
图8. 逐时热量变化图
图8为逐时热量变化图，展示了不同时段电热(橙色)、蓄热量(绿色)及放热量(紫色)的变化情况纵轴单位为Wh，横轴为时间(06:00~次日06:00)。
在06:00~17:00蓄热时段，在12小时内，电加热丝产生的电热在9:00~16:00时刻稳定产生电热，系统刚开始时太阳辐照度较小，导致光伏电压过低，系统产生的热量大部分被墙体吸收，在9:00左右系统处于稳定状态，持续开始蓄热，同时墙体温度上升，放热量开始逐渐上升，在13:00左右系统放热量达到最高，这是由于墙体温度升高，换热温差增大所致。这一过程产生总电热3349.57 Wh，蓄热量为1731.23 Wh，蓄热率为51%，白天散热量为1731.23 Wh，占总热量的49%。
进入17:00~次日06:00放热时段，系统处于放热阶段，向外界释放墙体储存的热量。将放热时段分为两个时段进行分析，在放热时段1 (前半夜16:00~24:00)系统的放热量为1250.12 Wh，占有效蓄热的72.21%，为主要放热阶段；在放热时段2 (后半夜24:00~次日6:00)，放热量为481.11 Wh，占据有效蓄热量的27.79%，为次要放热阶段，且由于后半夜室内外温差加大导致蓄热墙体的放热速率加快，在大概凌晨4:00左右结束放热。
该墙体蓄热过程，全天光伏板实际光伏发电3525 Wh，光电转换率达11.3%，转换为电热部分达3394.57 Wh，电热转换率为96.3%，电热部分其中电损失达130.42 Wh，系统的整体能源效率为10.88%。单位面积蓄热量为727.41 Wh/m2，单位体积蓄热量为6612.81 Wh/m3。
(3) 墙体散热量变化
图9为电加热丝横向底部排放带保温层的墙体换热系数变化图，由图可以看出在13:00时刻墙体的换热系数达到最大值6.45 W/(m2∙K)，相比于电加热丝竖直纵向排放带保温层小了很多，这是由于在电加热丝加热过程不与空气直接接触，电加热丝热量先传递给墙体，再通过墙体传递给室内，使其墙体温度分布较均匀，导致其换热系数明显变小，换热系数在3.5 W/(m2∙K)~6.45 W/(m2∙K)范围内波动，保温效果明显得到提升。
Figure 9. Change of heat transfer coefficient of wall discharge with insulation layer discharged at the bottom of the electric heating wire
图9. 电加热丝横向底部排放带保温层的墙体换热系数变化图
4. 顶部开孔工况分析
本节的墙体不带保温状态为将图3墙体的上侧保温层去掉，使墙体孔洞内的空气层与室内直接接触，增强墙体与室内环境的换热强度。
4.1. 光伏发电、蓄电与用电
(1) 负载光伏电压
如图10为在该环境下反映了一天内母线电压、负载电压和电池电压的变化情况，从图中可以看出，母线电压：从早上6:00开始迅速上升，在大约6:00~8:20之间上升趋势非常迅速，随后在8:00~14:10左右总体保持在110 V~115 V的相对稳定状态，但在10:15~10:30左右突然下降到87 V，在11:45~12:00左右下降到93 V，这是由与太阳被云遮挡导致，但可以观察到负载电压保持稳定状态，这是由于太阳能控制和蓄电池的稳压作用。之后开始快速下降，到16:00太阳辐照度变弱，电压降至约0 V；负载电压：从早上6:00开始上升，在大约6:00~7:00之间上升到约24 V左右，随后在7:00~14:00左右母线电压虽有波动但保持相对稳定，波动较小。20:30时降至接近0 V；电池电压：从早上6:00随着母线电压的上升，蓄电池开始进入充电状态，6:40左右电压开始稳定在30 V上下，一直到14:20左右，随着母线电压的下降，为维持负载电压的稳定，蓄电池开始进入放电状态，放电电压为35 V左右，到大概21:00左右，蓄电池自放电结束，负载断电。整体来看，该图表母线电压的波动幅度最大，但负载电压相对较为稳定。
Figure 10. Voltage change trend chart
图10. 电压变化趋势图
(2) 负载与蓄电池充放电功率
Figure 11. Trend chart of power change by load
图11. 各负载功率变化趋势图
由上图11可以看出负载功率：从早上6:00开始，负载功率逐渐上升，在大约10:00到11:00之间达到峰值，约400 W左右，并在中午11:00到下午16:00左右保持相对稳定的高功率状态，由于太阳辐照强度下降，负载由电加热丝开始供电，随后从下午16:00开始逐渐下降，由于蓄电池放电结束，负载断电由于到晚上22:00之后下降速度加快，至11:00接近0 W。
蓄电池冲放电功率：从早上6:00开始，太阳出来，蓄电池开始进行充电模式，功率逐渐上升，在大约11:00到12:00之间达到峰值，约350 W左右。然后开始下降，由于太阳辐照度下降，到下午16:00之后，功率变为负值，蓄电池开始进入放电模式，在18:00到19:00左右达到最低，约−270 W左右，说明此时蓄电池处于放电状态。之后放电功率绝对值逐渐减小，到9:00左右接近0 W。光伏发电量达3635 Wh，光电转换率为10.88%，累积电热量达6612.81 Wh，电热转换率为97.6%，蓄电池充放电量1550 Wh。
4.2. 墙体内外温度分布及热量变化
(1) 墙体内外温度分布
Figure 12. Trend of temperature change in each layer
图12. 各层温度变化趋势图
由上温度分布图12可看出，6:30左右太阳辐照度逐渐增强，随着分布式光伏蓄热系统的启动，各位置温度都出现了变化，首先，电加热丝温度变化6:30~10:10时间内由9℃急剧升高到10:00左右达到最高温度65.3℃，温度升高速率约为18.2℃/h，在10:10~14:40左右温度开始急剧下降，这是由于蓄电池电压不足，太阳能控制器处于待机状态，负载断电导致。
墙温度变化：由于电热的温度上升，通过热辐射热传导给墙体加热，导致内墙温度上升，但温度上升速率没有电加热丝的大，从6:30~12:20温度由6.3℃上升到42.3℃，上升速率为7.7℃/h。外墙表面的温度变化：在6:30~14:00的时间内温度从3.5℃升到26.3℃，上升速率为4.1℃/h。16:00以后墙体没有任何能量来源，处于放热阶段，温度开始逐步下降，放热时段分为两个时段在放热时段1 (前半夜16:00~24:00)，由35℃降到13.5℃，下降速率为2.7℃/h，为主要放热阶段；在放热时段2 (后半夜24:00~次日6:00)，由13.5℃降到6.7℃，下降速率为1.1℃/h，下降至室内温度。
室内温度变化：总体来看室内温度一直维持在10℃~24℃左右的范围内，在6:00~13:30时间内温度持续上升，在13:30左右温度达到了最高值24.2℃，温度上升速率为2.29℃/h。在13:30往后的时间段温度呈现缓慢下降趋势，到6:00左右下降至6℃。
(2) 墙体的逐时热量变化图
图由墙体逐时热量变化图13可以看出，在06:00~17:00时段，此阶段的放热量放热状态较为稳定，只有小幅度的波动，总电热量为3547.76 Wh，蓄热量1537.24 Wh，蓄热率为43.33%，散热量为2010.52 Wh，占总电热的56.67%，此阶段由于墙体没有保温层覆盖，处于开口状态，散热占据主导优势。进入18:00~次日06:00放热时段，系统处于放热阶段，由于墙体顶部没有覆盖保温层，墙体与房间的换热迅速，24:00放热结束，放热时间仅为6 h，放出热量为1537.24 Wh。
全天光伏板实际光伏发电达3635 Wh，光伏能量转换率达10%，转换为电热部分达3547.6 Wh，电热转换率为97.6%，其中电损失达99.5 Wh，系统的整体能源效率为10%。单位面积蓄热量为645.8 Wh/m2，单位体积需热量为5871.83 Wh/m3。
Figure 13. Hourly heat change graph
图13. 逐时热量变化图
(3) 墙体散热量变化
Figure 14. Change of heat transfer coefficient of the wall discharged without insulation layer at the bottom of the transverse bottom of the electric heating wire
图14. 电加热丝横向底部排放不带保温层的墙体换热系数变化图
图14为电加热丝横向底部排放带保温层的墙体换热系数变化图，由图可以看出在15:00时刻墙体的换热系数达到最大值7.85 W/(m2∙K)，相比于电加热丝竖直纵向排放不带保温层小的多，这是由于在电加热丝加热过程不与空气直接接触，电加热丝热量先传递给墙体，再通过墙体传递给室内，导致其换热系数明显变小，换热系数在5.35 W/(m2∙K)~7.85 W/(m2∙K)范围内波动，波动较大，这是由于墙体不带保温层，使其与室内的换热接触面积变大，换热增强，受外界温度影响明显。
5. 结论
本文首先对光伏供暖系统以及光储直柔系统的发展进行了详细的介绍，对现存的问题进行思考，设计了一种光伏墙体蓄热系统。随后对系统的部件匹配、功能、设计思路进行了详细的阐述。然后搭建了光伏墙体蓄热系统，对这些系统的温度状况，蓄热性能以及综合换热系数进行评价。得出了以下结论：
1) 带蓄电池的分布式光伏墙体蓄热实验，砖孔竖向布置，各层对齐相通，研究了电加热丝底部水平横向排放，在顶部用保温层封闭砖孔和顶部开孔工况两种工况的发电、蓄热、散热性能，得出以下结果：
① 顶部保温封堵工况：系统的光伏发电量为3525 Wh，光电转换率为11.3%，墙体的总蓄热量达1731.23 Wh，蓄热率为51%，单位面积蓄热量为727.41 Wh/m2，单位体积蓄热量为6612.81 Wh/m3，墙体的内部平均温度峰值达到51.2℃，表面平均温度峰值达到26.3℃，换热系数在3.5~6.45 W/(m2∙K)。
② 顶部无保温开孔工况：系统的光伏发电量为3635 Wh，光电转换率为10.25%，墙体的总蓄热量达1537.24 W，蓄热率为43.3%，单位面积蓄热量为645.9 Wh/m2，单位体积蓄热量为5871.83 Wh/m3，墙体的内部平均温度峰值达到42.3℃，表面平均温度峰值达到26.3℃，换热系数在5.35~7.85 W/(m2∙K)。
2) 对光伏组件的电热特性与加热电阻的关系进行研究：
当电阻不变时，随着时间及相应的太阳辐照度的变化，光伏电压和发电功率均呈现出先上升、平稳、下降的三段式趋势。在太阳辐照度处于600~1200 W/m2，各电阻对应的电压和发电功率均趋于平稳，而且不同电阻对应的电压相差不大，而此段时间内电阻越小的阻值其发电功率越大。在相同太阳辐照度下，存在一个最佳电阻，此时发电功率最大；低于该最佳电阻时，随电阻的增大，发电功率增大；高于该最佳电阻时，随电阻的增大，发电功率减小。随着太阳辐照度的增大，发电功率也越大，最大功率点对应的最佳电阻值越小。因此要获得最大的发电量，需要根据太阳辐照度的变化，随时调整电阻的值。
3) 运行工况(顶部用保温层封闭和顶部开孔工况)性能差异：
顶部用保温层封闭：白天温度在20℃以上维持8小时左右，夜间放热时间最长达10小时左右。累积蓄热量达995.61 Wh~1731.23 Wh，单位面积蓄热量为418.32 Wh/m2~727.4 Wh/m2，单位体积蓄热量为3802.97 Wh/m3~6612.81 Wh/m3，蓄热率为30.25%~51.3%，显著提升夜间供暖能力，表明蓄热墙体对热量的保持能力较强，
顶部开孔工况：室内高温(20℃以上)仅维持4 h，白天室内的温度明显比顶部用保温层的高，有3 h温度维持在25℃以上，夜间放热时间缩短至4.5 h。累积蓄热量达840.45 Wh~1537.24 Wh，单位面积蓄热量为352.13 Wh/m2~645.9 Wh/m2，单位体积蓄热量为3210.29 Wh/m3~5871.83 Wh/m3，蓄热率为28.3%~43.3%，墙体的蓄热性能明显下降，但在白天蓄热阶段其的室内温度比顶部用保温层的高。此模式只适用于房间温度较低，需要快速加热的情形。
由上可知，电加热丝底部排布且带保温层的工况在蓄热性能、与房间热交换方面表现更优，更利于分布式光伏墙体蓄热系统的高效运行。
本文实验虽在严格控制环境下进行，但仍存在一定局限性：1) 实验样本数量有限，后续可扩大实验规模，增加不同蓄热材料(如相变材料)的对比实验；2) 温度测量虽采用高精度传感器，但仍需进一步分析位置布置对结果的影响；3) 未来可研究不同控制策略对系统性能的优化效果。
NOTES
*通讯作者。