光伏玻璃應(yīng)用于辦公空間的天然光環(huán)境研究
——以天津地區(qū)為例

李 卓，王立雄，張 華

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072;2.鄭州大學(xué)建筑學(xué)院，河南鄭州 450001)

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光伏玻璃應(yīng)用于辦公空間的天然光環(huán)境研究
——以天津地區(qū)為例

李 卓1,2，王立雄1，張 華1

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072;2.鄭州大學(xué)建筑學(xué)院，河南鄭州 450001)

在全球能源與環(huán)境危機的大背景下，如何使建筑在節(jié)能的同時從耗能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)能，光伏建筑一體化BIPV(Building Integrated Photovoltaic)系統(tǒng)提供了一種有效的解決方式。光伏玻璃在發(fā)電的同時改變了室內(nèi)的天然光環(huán)境質(zhì)量。利用動態(tài)天然光模擬軟件Daysim，對不同電池覆蓋面積比的光伏玻璃應(yīng)用于不同朝向辦公空間的全天然采光時間百分比(DA)、有效照度(UDI)進行對比分析，得出在不同朝向辦公空間應(yīng)用光伏玻璃時滿足天然光環(huán)境質(zhì)量要求的最佳電池覆蓋面積比。

光伏玻璃；DA；UDI；最佳光伏電池覆蓋面積比

引言

高層辦公建筑的立面可為光伏利用提供更多可安裝面積，同時辦公建筑對室內(nèi)采光的要求相對較高，存在問題很多；因此，在本研究中，將光伏玻璃應(yīng)用于天津地區(qū)的高層辦公空間，通過計算機模擬光伏玻璃的天然采光性能，對高層辦公空間的天然光環(huán)境進行評價。

1 光伏玻璃在建筑立面的應(yīng)用現(xiàn)狀

光伏玻璃，從廣義上講是指應(yīng)用于建筑的雙玻夾層BIPV(即光伏建筑一體化)組件和薄膜電池組件，也可以叫做太陽能光伏玻璃，因為它們同時也是建筑上的安全玻璃構(gòu)件。本文提到的光伏玻璃是指用于建筑一體化的可透光光伏組件(雙玻夾層BIPV)。

不同于傳統(tǒng)不透光的光伏組件,光伏玻璃可以允許太陽輻射透過它進入室內(nèi)。在鼓勵天然采光的同時，它可以產(chǎn)生電量，正是由于這種可以優(yōu)化及應(yīng)用自然能源的優(yōu)勢，光伏玻璃有望成為一種新型的可持續(xù)建筑材料[1]。典型的BIPV光伏玻璃分為以下三類：夾層玻璃光伏組件，中空玻璃光伏組件和薄膜太陽能電池。光伏玻璃可以被用在窗體系統(tǒng)或玻璃幕墻中，如圖1所示，通過調(diào)整太陽能電池間的間距來控制建筑的透光率和遮陽效果，只需要替換傳統(tǒng)玻璃即可，可以有效減少安裝費用。

圖1 光伏玻璃在建筑立面中的應(yīng)用實例Fig.1 Application examples of photovoltaic glass building facade

圖2 中空玻璃光伏組件構(gòu)造示意圖Fig.2 Schematic structure of hollow glass PV modules

2 光伏玻璃的光熱特性參數(shù)

首先需要確定所采用光伏玻璃的光特性參數(shù)，這些參數(shù)在建筑采光性能模擬中是關(guān)鍵的輸入變量，而這些性能參數(shù)無法從制造商的數(shù)據(jù)表中得到。選用光伏玻璃為單晶硅中空光伏玻璃，如圖2所示。根據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)中規(guī)定的建筑用玻璃的參數(shù)選擇，光伏玻璃前片玻璃的透光率為91%，背板玻璃為為89%，前片玻璃和背板玻璃的厚度均為6mm，中間有12mm的空氣間層，總厚度為24mm。將前片玻璃、背板玻璃的透光率、厚度參數(shù)導(dǎo)入軟件Optics 6.0和Window 7.2，計算得出晶硅中空光伏玻璃的光熱特性參數(shù)，見表1。

表1 光伏玻璃樣本光熱特性參數(shù)Table 1 Light and thermal characteristics parameters of photovoltaic glass sample

3 軟件選取與天然光光環(huán)境評價指標(biāo)

3.1 軟件選取

國內(nèi)對光環(huán)境的研究主要采用計算機模擬的研究方法，即建立虛擬的辦公建筑模型，基于光氣候數(shù)據(jù)，對建筑室內(nèi)光環(huán)境進行模擬分析，主要有靜態(tài)光環(huán)境模擬和動態(tài)光環(huán)境模擬兩種。

靜態(tài)模擬大多采用的軟件是Ecotect和Radiance，計算出最不利時刻或典型日中某幾個時刻點工作平面的照度、亮度和采光系數(shù)等靜態(tài)指標(biāo)值，來評價該建筑內(nèi)部光環(huán)境的質(zhì)量。

動態(tài)光環(huán)境模擬選用的是Daysim軟件，它的計算核心仍然是Radiance，基于地域性的逐時光氣候數(shù)據(jù)，計算工作平面的逐時自然采光照度，并在上述照度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上根據(jù)照明控制策略進一步計算全年的人工照明能耗[2]。

3.2 天然光光環(huán)境評價方法與評價指標(biāo)

對于描述天然光的氣候性與多變性，天然采光系數(shù)明顯有很多不足之處[3]。近些年國際上發(fā)展起來的動態(tài)天然采光評價標(biāo)準(zhǔn)中以全天然采光時間百分比DA(Daylight Autonomy) 和有效照度 UDI(Useful Daylight Autonomy)得到較為廣泛的認可和應(yīng)用[4]。與廣泛使用的采光系數(shù)相比，全天然采光時間百分比DA充分考慮了不同的建筑朝向、使用時間以及全年中的各種實際的天氣情況的影響，因此是一個全面和系統(tǒng)地評價全年有效自然采光的綜合指標(biāo)。本文選用動態(tài)評價指標(biāo)DA對室內(nèi)天然光環(huán)境進行采光評價。

結(jié)合我國《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)中對辦公室室內(nèi)天然光設(shè)計最小照度450lx的規(guī)定，在本研究中采用DA的閾值為：DA<55%；55%≤DA<75%；DA≥75%，即在我國辦公建筑全年工作時間段9:00—17:00滿足室內(nèi)最小設(shè)計照度450lx而不用開啟人工照明的時間，DA<55%時，認為采光量過低，不滿足采光需求；55%≤DA<75%認為采光量為中等；DA≥75%，認為采光量非常理想。

4 光環(huán)境模型

4.1 辦公建筑基礎(chǔ)模型

本文選取sketchup軟件建立辦公建筑模型，出于天然光環(huán)境研究典型性和精確度的考慮，選取典型高層辦公樓中的一個標(biāo)準(zhǔn)單元(長×寬×高：5m×4.2m×3.6m)作為分析對象，據(jù)此建立了一個5m×4.2m×3.6m(長×寬×高)的計算模型，只有一面外墻，其他各面為內(nèi)墻，天花、地面為隔離樓板層，對于窗墻比的選擇，依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求被限定為0.2～0.7，在寒冷地區(qū)，這個值不允許超過0.7，在本研究中選擇上限0.7。該模型可作為一獨立房間、也可看做開敞大空間中的一個標(biāo)準(zhǔn)單元，見圖3。

圖3 辦公室模型尺寸示意圖Fig.3 Schematic model of the office

4.2 光伏電池片布置方式

光伏電池覆蓋面積比以10%為間隔，從10%逐漸增大到80%。當(dāng)光伏電池覆蓋面積比低于10%時，應(yīng)用光伏玻璃就不經(jīng)濟了；而光伏電池覆蓋面積比超過80%時，將幾乎貼滿整個窗口區(qū)域，使得天然光很難進入室內(nèi)，也會對辦公人員造成視線遮擋，很難看到室外。而選擇10%作為變化幅度，是考慮到這個值能夠看到不同光伏電池覆蓋比率帶來的不同影響，同時，在做參數(shù)化模擬分析時這個值便于操作。電池片布置方式見圖4。根據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033—2013中對辦公建筑室內(nèi)各表面的反射比有相應(yīng)的規(guī)定，本研究中頂棚的反射比設(shè)為0.80，墻面為0.60，地面為0.30。

圖4 光伏電池覆蓋面積比10%～80%布置方式示意圖Fig.4 The arrangement of photovoltaic cells coverage ratio from 10%～80%

5 光環(huán)境模擬結(jié)果分析

5.1 全天然采光時間百分比(DA)

如圖5所示為南、東南、西南、東、西五個朝向的辦公空間，隨著電池覆蓋面積比的變化DA的變化情況，為了方便分析，將DA值、DA變化率以及滿足DA閾值所占的室內(nèi)面積百分比等信息統(tǒng)計為表2～表6，其中后三列DA閾值與電池片覆蓋面積比對應(yīng)的表格中的百分數(shù)代表滿足該閾值區(qū)間的室內(nèi)面積百分比。

圖5 不同朝向DA隨電池覆蓋面積比的變化曲線Fig.5 DA curves with the variation of cells coverage ratio toward the different orientation

我們可以看到，全年的全自然采光時間百分比南向最高，西向最低；隨著電池覆蓋面積比的增大之后，各個朝向有著類似的變化趨勢。

南向電池面積比在10%～60%區(qū)間，DA變化率為0.05，變化幅度緩慢；60%～80%區(qū)間，DA變化率為1，變化幅度加快。電池覆蓋面積比為70%、80%時，有25%的室內(nèi)面積DA<55%，不能滿足采光量的要求；而電池覆蓋面積比10%～60%時，100%的室內(nèi)面積DA≥75%，可以滿足理想的采光量要求，見表2。同理分別得出基于DA指標(biāo)，在其他四個朝向，電池覆蓋面積比為10%～60%的區(qū)間是可以滿足采光量的區(qū)間；10%～40%是采光量理想的區(qū)間。

表2 南向電池覆蓋面積比變化引起的DA變化Table 2 South DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

表3 東南向電池覆蓋面積比變化引起的DA變化Table 3 Southeast DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

表4 西南向電池覆蓋面積比變化引起的DA變化Table 4 Southwest DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

表5 東向電池覆蓋面積比變化引起的DA變化Table 5 East DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

表6 西向電池覆蓋面積比變化引起的DA變化Table 6 West DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

5.2 有效照度(UDI)

圖6 南向UDI隨電池覆蓋面積比的變化曲線Fig.6 South UDI curves with the variation of cells coverage ratio

圖7 東南向UDI隨電池覆蓋面積比的變化曲線Fig.7 Southeast UDI curves with the variation of cells coverage ratio

圖8 西南向UDI隨電池覆蓋面積比的變化曲線Fig.8 Southwest UDI curves with the variation of cells coverage ratio

圖9 東向UDI隨電池覆蓋面積比的變化曲線Fig.9 East UDI curves with the variation of cells coverage ratio

圖10 西向UDI隨電池覆蓋面積比的變化曲線Fig.10 West UDI curves with the variation of cells coverage ratio

如圖6～圖10所示，通過五個朝向的UDI指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，隨著電池覆蓋面積比的增大，UDI<100變化非常平緩，UDI100～2000隨著光伏電池覆蓋面積比的增大而增大，UDI>2000和UDI100～2000絕對值相同，變化趨勢相反。

因此可知隨著電池覆蓋面積比的增加，可以有效改善室內(nèi)可能出現(xiàn)的眩光，并且主要是通過降低近窗處的高照度來改善室內(nèi)光環(huán)境，對于遠窗處的影響不大。

5.3 小結(jié)

結(jié)合五個朝向DA、 UDI的變化趨勢，得出了各個朝向滿足室內(nèi)采光質(zhì)量的電池覆蓋面積比區(qū)間，取得理想采光效果的電池覆蓋面積比區(qū)間以及最佳電池覆蓋面積比，見表7。

表7 不同朝向光伏電池覆蓋面積比選擇Table 7 Choices of the cells coverage ratio of photovoltaic glass toward different orientation

6 總結(jié)

本文利用動態(tài)模擬軟件Daysim對光伏玻璃電池覆蓋面積比從10%逐漸增加到80%時室內(nèi)的DA、UDI變化進行了模擬分析，得出了在天津地區(qū)應(yīng)用光伏玻璃時，不同電池覆蓋面積比的光伏玻璃對不同朝向辦公空間室內(nèi)采光質(zhì)量的影響，可以在建筑設(shè)計階段為光伏玻璃最佳電池覆蓋面積比的選擇提供基本的參考點和依據(jù)，為光伏企業(yè)提供不僅可以發(fā)電，而且能夠滿足建筑基本功能的有指導(dǎo)意義的參數(shù)，促進光伏玻璃產(chǎn)品設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化。

[1] Wong P W, Shimoda Y,Nonaka M,et al. Semi-transparent PV: Thermal performance, power generation, daylight modeling and energy saving potential in a residential application[J]. Renewable Energy, 2008,33 (5): 1024-1036.

[2] 云朋.建筑光環(huán)境模擬[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：60-61.

[3] Mardaljevic J. Examples of climate-based daylight modeling[C]. London： Proceedings of CIBSE National Conference 2006:Engineering the Future，2006:21-22.

[4] Cantin F， Dubois M C. Daylighting metrics based on illuminance, distribution, glare and directivity[J]. Lighting Research and Technology， 2011， 43:291-307.

中國照明學(xué)會理事長辦公會議在北京召開

中國照明學(xué)會2015年第一次理事長辦公會議于2015年1月15日下午在北京召開，理事長辦公會議成員徐淮、王立雄、趙建平、徐華、姚夢明、竇林平、王大有、邴樹奎、高飛、周洪偉同志出席了會議。會議的主要議程是：匯報前一階段的工作情況、研究近期主要工作等。會議由徐淮理事長主持。

會議首先由徐淮理事長介紹了近期學(xué)會的工作情況：

1.2014年8月22-23日，第7屆中日韓照明大會在天津大學(xué)召開。會議注冊代表140人，其中日本35人、韓國40人。大會共收到論文111篇，其中日本、韓國各27篇；

2.2014年9月11-12日，中國照明學(xué)會在浙江杭州召開了第六屆三次常務(wù)理事會和第六屆三次理事會；

3.2014年9月12-13日，由中國照明學(xué)會主辦的“2014年中國照明論壇——LED照明產(chǎn)品設(shè)計、應(yīng)用與創(chuàng)新論壇”在浙江杭州隆重舉行，相關(guān)代表約500人參加了會議；

4.2014年9月12日晚，“第九屆中照照明獎頒獎典禮”在浙江杭州隆重舉行。來自行業(yè)內(nèi)的專家、設(shè)計師及企業(yè)代表共400多人共同參與了此次盛典；

5.由中國照明學(xué)會編制的《照明工程設(shè)計收費標(biāo)準(zhǔn)》(試行)于2014年5月1日發(fā)布試行；《地下車庫智能照明技術(shù)指導(dǎo)意見》于2014年7月21日發(fā)布試行；《照明設(shè)計師注冊管理辦法》于2014年8月1日發(fā)布，自2015年1月1日正式實施；

6.由“中國逐步淘汰白熾燈、加快推廣節(jié)能燈”項目辦公室、中國照明學(xué)會共同主辦的“中國綠色照明工程設(shè)計獎”的評選工作已經(jīng)完成。經(jīng)過專家評審，評出了金獎1個，銀獎6個，銅獎8個，優(yōu)秀獎15個；

7.由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主辦、中國照明學(xué)會承辦的“中國科協(xié)第285次青年科學(xué)家論壇——光生物、光化學(xué)應(yīng)用研究論壇”于2014年10月9-11日在安徽合肥舉辦。此次論壇匯聚了20余所高等院校、10余家科研機構(gòu)、數(shù)十家照明企業(yè)，共150余人參會；

8.2014年11月20-22日，中國照明學(xué)會與臺灣區(qū)照明燈具輸出業(yè)同業(yè)公會在武漢共同舉辦了“海峽兩岸第二十一屆照明科技與營銷研討會”。本次會議以“照明科技與營銷”為主題，海峽兩岸照明界的專家、企業(yè)代表140余人參加了此次盛會；

9.2014年11月21日，“2014年中照照明獎城市照明建設(shè)獎頒獎典禮”在武漢舉行；

10.2015年1月8日，中國科協(xié)第八屆全國委員會第七次會議在北京召開，中國照明學(xué)會徐淮理事長參加了會議；

11.2015年1月13日，中國照明學(xué)會“凱圖杯”會員羽毛球邀請賽在北京圓滿舉辦?；顒佑芍袊彰鲗W(xué)會黨支部主辦，廣州凱圖電氣股份有限公司協(xié)辦。來自中國照明學(xué)會理事及會員代表100余人參加了此次活動,其中80余名運動員參加了比賽；

12.中國科協(xié)批準(zhǔn)中國照明學(xué)會成立“中國夢·照明科普傳播團隊”，聘請戴德慈為中國科協(xié)首席科學(xué)傳播專家，并注冊了中國照明科普基地聯(lián)合會的科普網(wǎng)站。

竇林平秘書長對近期主要工作進行了安排，會議對相關(guān)問題進行了研究與討論：

1.根據(jù)《民政部、財政部、人民銀行關(guān)于加強社會團體分支(代表)機構(gòu)財務(wù)管理的通知》的通知，中國照明學(xué)會將加強對所屬分支機構(gòu)的管理，各分支機構(gòu)應(yīng)按照文件要求遵照執(zhí)行；

2.中國科協(xié)組織開展的推薦(提名)院士候選人工作已經(jīng)開始，中國照明學(xué)會將對此項工作進行研究部署；

3.積極承接政府轉(zhuǎn)移職能，爭取在成果鑒定、人才鑒定、人才培養(yǎng)方面取得進展；

4.根據(jù)工作需要，擬成立中國照明學(xué)會照明設(shè)計師工作委員會；

5.完善學(xué)會治理結(jié)構(gòu)，對成立中國照明學(xué)會監(jiān)事會廣泛征求意見。

會議還對其他事宜進行了商議。

Research on the Lighting Environment Using Photovoltaic Glass in Office Space—A Case Study in Tianjin

Li Zhuo1,2, Wang Lixiong1, Zhang Hua1

(1.SchoolofArchitecture,TianjinUniversity，TianjinKeyLaboratoryofBuildingPhysicalEnvironmentandEcologicalTechnology,Tianjin300072,China; 2.SchoolofArchitecture,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Against the backdrop of the global energy and environmental crisis, how to make the building from energy consumption to energy making, BIPV (Building Integrated Photovoltaic) system provides an effective solution. Compared with the traditional opaque photovoltaic modules, photovoltaic glass at the same time generates electricity, and changed the natural light indoor environmental quality. In this paper, a dynamic simulation software Daysim was used to analyze the natural light when using different cell coverage area ratio of photovoltaic glass in different directions of office space. DA and UDI were compared and analyzed in different applications toward the ideal daylighting environment in office space and the optimal battery coverage area ratio of the photovoltaic glass were found.

photovoltaic glass; DA; UDI; optimal battery coverage area ratio

J59

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.005