通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻應(yīng)用綜述

劉凱++王柵++江清陽

摘 要：隨著我國城市化水平和人們對生活質(zhì)量要求的不斷提高，建筑能耗在未來總能耗中所占比例將繼續(xù)增加。在我國建筑能耗占社會總能耗的30%以上，而其中由于門窗引起的建筑能耗占建筑總負(fù)荷的60%以上，因此門窗不僅是建筑行業(yè)的重要組成部分，也是貫徹國家建筑節(jié)能政策的攻關(guān)重點?，F(xiàn)如今在建筑美化方面玻璃幕墻更是使用頻繁，加大了建筑能耗損失。為實現(xiàn)建筑美化與節(jié)能一體化，筆者提出一種通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻，將太陽能光伏產(chǎn)業(yè)與雙層玻璃幕墻結(jié)合，利用通風(fēng)換熱、調(diào)節(jié)氣流組織達(dá)到節(jié)能的效果。

關(guān)鍵詞：雙層玻璃幕墻 光伏 通風(fēng) 節(jié)能

中圖分類號：TU11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（c）-0012-03

根據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)的預(yù)測，到21世紀(jì)50年代，全球直接利用太陽能的比例將會發(fā)展到世界能源結(jié)構(gòu)中13%～15%，成為未來的主要能源之一。太陽能作為一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，為充分利用投射于建筑圍護結(jié)構(gòu)上的太陽能資源，將太陽能光伏與玻璃幕墻相結(jié)合的太陽能光伏幕墻的概念也已提出，并在歐美地區(qū)已有不少的應(yīng)用工程項目，尤其是在德國。國內(nèi)如北京的部分奧運場館，深圳、上海等某些示范建筑也采用了太陽能光伏幕墻設(shè)計。

光伏幕墻可原地發(fā)電、原地使用，杜絕了由一般化石燃料發(fā)電所帶來的嚴(yán)重空氣污染。它集合了光伏發(fā)電技術(shù)和幕墻技術(shù)，因此太陽能光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合成為了住宅建筑中的一個最新亮點，代表了建筑光伏一體化技術(shù)的最新發(fā)展方向（圖1）。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

國際上對于雙層玻璃幕墻的性能研究已有不少報道，德國的Till Pasquay等對德國三幢雙層玻璃幕墻建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，比利時的Andre De Herd等通過TAS軟件主要研究了風(fēng)向?qū)﹄p層玻璃幕墻傳熱和通風(fēng)性能的影響；Ikbal Centier等人用TAS和CFD軟件對單層玻璃幕墻和雙層玻璃幕墻的能耗、熱舒適性和水汽凝結(jié)情況進(jìn)行了對比研究；瑞士的Henrich Manz通過CFD模擬和模型實驗測試了自然通風(fēng)條件下雙層玻璃幕墻系統(tǒng)的傳熱問題；但是將太陽能光伏電池與雙層玻璃幕墻結(jié)合起來研究的并不多見，有加拿大的Andreas K.Athienitis和Remi Charron對單層單元式雙層玻璃幕墻與太陽電池一體化結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了一些理論研究和分析。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的裴剛等結(jié)合實驗研究了單層光伏窗、雙層光伏窗和通風(fēng)雙層光伏窗3種結(jié)構(gòu)的光伏窗對建筑得熱、建筑采光和光電轉(zhuǎn)換的不同影響。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的何偉等提出了空冷型雙層光伏窗的概念，在合肥地區(qū)以辦公建筑為研究對象對其進(jìn)行了性能研究，并與普通光伏窗和中空型雙層光伏窗進(jìn)行了對比分析。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的張永煦加工了可逆空冷型雙層光伏窗，并在夏季氣候條件下進(jìn)行了空冷型雙層光伏窗和單層光伏窗的性能對比實驗。香港城市大學(xué)的周天泰對非晶硅透光性光伏玻璃在香港某辦公樓外窗中的應(yīng)用進(jìn)行了實驗和模擬研究。

已有的研究表明，雙層玻璃幕墻的性能受到很多因素的影響，如周邊環(huán)境參數(shù)，幕墻的物理尺寸大小，幕墻各個組成部分的熱物理性質(zhì)、光學(xué)參數(shù)、空氣動力學(xué)參數(shù)等，而已有的研究主要針對較透明的幕墻結(jié)構(gòu)，基本上沒有考慮玻璃幕墻高吸收率的影響，而光伏電池的存在，使通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻的透過率、吸收率等光學(xué)特性完全不同于傳統(tǒng)的雙層玻璃幕墻，光伏幕墻的存在形成了對空氣腔體的兩側(cè)非對稱加熱，強化了雙層玻璃幕墻空氣空腔的熱效應(yīng)，空氣腔體流道內(nèi)空氣壓力場、速度場和溫度場的分布將隨著太陽輻射強度、光伏電池覆蓋率等參數(shù)發(fā)生變化，已有的研究并不能給與通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻性能分析提供足夠的信息。

2 通風(fēng)型光伏雙層玻璃幕墻原理

太陽能光伏幕墻雖然能夠利用投射到窗面上的太陽輻射，減少太陽輻射直接進(jìn)入室內(nèi)，但商業(yè)光伏幕墻的成本較高，轉(zhuǎn)換效率只有10%～15%左右，在夏季，剩下的近80%的太陽輻射被轉(zhuǎn)化為熱量使光伏電池的溫度升高，從而降低光伏電池效率的同時，剩余30%以上的熱量以對流換熱和長波輻射的形式進(jìn)入室內(nèi)，增加室內(nèi)熱負(fù)荷。另外由于太陽能光伏幕墻溫度的升高導(dǎo)致近幕墻位置的熱舒適度大大降低，而在冬季，玻璃幕墻較大的傳熱系數(shù)又增加了建筑的熱負(fù)荷，從而加大了建筑的運行成本和能耗水平。

為降低太陽能光伏玻璃幕墻增加的室內(nèi)負(fù)荷，提高能源綜合利用效率，降低太陽能光伏玻璃幕墻使用成本，提出設(shè)計了通風(fēng)型太陽能光伏雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，見圖2～圖5，光伏電池吸收太陽輻射時將產(chǎn)生大量余熱，強化了雙層玻璃幕墻空氣空腔的熱效應(yīng)，根據(jù)需要在高段引風(fēng)口輔以室外空氣補充或加以風(fēng)機輔助。在夏季時，使經(jīng)過土壤或水池蒸發(fā)冷卻的室外較冷空氣從幕墻底部開口進(jìn)入太陽能光伏玻璃幕墻和內(nèi)層玻璃形成的通風(fēng)流道（帶孔走道主要是為解決幕墻維護和層間隔音問題），利用通風(fēng)流道誘導(dǎo)效應(yīng)將建筑背面較冷空氣引入流道，并從通風(fēng)型光伏雙層玻璃幕墻頂部開口流到室外環(huán)境，從而將太陽能光伏玻璃幕墻吸收的熱量帶到室外，減少建筑由太陽輻射引起的空調(diào)冷負(fù)荷，降低光伏電池運行溫度，提高光伏電池效率；在冬季時，將通風(fēng)型光伏雙層玻璃幕墻頂部開口關(guān)閉，入口、引風(fēng)口以及室內(nèi)與空氣腔體之間連通開口的開啟關(guān)閉則需要根據(jù)環(huán)境溫度、太陽輻射強度和室內(nèi)需求溫度和通風(fēng)量進(jìn)行綜合考慮，在空氣腔體中形成溫室效應(yīng)，相比于普通光伏幕墻，大大降低了傳熱系數(shù)，目標(biāo)是保證光伏幕墻的電力輸出效率的同時，降低室內(nèi)熱負(fù)荷，改善建筑室內(nèi)熱舒適性。

3 與建筑一體化需要解決的問題

（1）要做好太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化需要解決一系列問題：①光伏幕墻適宜性、當(dāng)?shù)厝晏柲苜Y源和當(dāng)?shù)貧夂驙顩r的調(diào)查。②環(huán)境溫度對太陽能光伏電池的效率有影響，一般來說，溫度越高效率越低。因此，在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，溫度的影響較低；在炎熱氣候條件下應(yīng)采取一定的措施，使得太陽能電池板的溫度不至于過高。③光伏幕墻作為建筑構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，綜合考慮抗風(fēng)、防雨、雪荷載等問題。④光伏組件與玻璃幕墻結(jié)合通常會形成幕墻上的非透明或半透明部分，因此光伏幕墻具有一定遮陽的功能，同時也降低了玻璃幕墻的透光性能。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)要適應(yīng)熱通道的特殊結(jié)構(gòu)，保持與原建筑風(fēng)格的一致性。因此要解決組件密封、接線盒隱蔽、粘膠在高溫與臺風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)受力問題；要改善組件的散熱情況、降低電池片溫度，以減少組件效率損失。

（3）光伏系統(tǒng)、通風(fēng)換氣條件的智能自動控制應(yīng)具備數(shù)據(jù)自動采集、智能調(diào)節(jié)風(fēng)口和百葉、光伏發(fā)電等功能。

4 結(jié)語

門窗引起的建筑負(fù)荷占建筑總負(fù)荷的60%以上，因此門窗不僅是建筑行業(yè)的重要組成部分，也是貫徹國家建筑節(jié)能政策的攻關(guān)重點。利用投射于建筑圍護結(jié)構(gòu)上的太陽能資源，將太陽能光伏與玻璃幕墻相結(jié)合的太陽能光伏幕墻的概念也隨之提出。該研究將為提高建筑中太陽能光伏系統(tǒng)的利用效率、降低系統(tǒng)運行成本，最大化降低建筑能耗提供優(yōu)化設(shè)計方法，達(dá)到光伏光熱綜合利用最優(yōu)化效果，為城市公共建筑節(jié)能提供有益探索。光伏雙層幕墻融合了熱通道技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)，具有明顯的隔熱、隔音、節(jié)能等優(yōu)點，在建筑中意義深遠(yuǎn)。隨著太陽能光伏發(fā)電的推廣，響應(yīng)國家十三五規(guī)劃的能源戰(zhàn)略策略，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，該項目的應(yīng)用具有廣泛的社會效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn)

[1] Till Pasquay.Natural ventilation in high-rise buildings with double facades， saving or waste energy[J].Energy and Buildings，2004，36（4）：381-389.

[2] Ikbal Centier， Ertan Ozkan.An approach for the evaluation of energy and cost efficiency of glass fa?ade[J].Energy and Buildings，2005，37（6）：673-684.

[3] Henrich Manz. Total solar energy transmittance of glass double facades with free convection[J].Energy and Buildings，2004，36（2）：127-136.

[4] Abdul-Jabbar N. Knalifa.1998.A study on a passively heated single-zone building using a thermal storage wall[J].Renewable Energy，1998，14（1）：29-34.

[5] 裴剛，季杰，蔣愛國.光伏雙層窗的綜合性能研究[J].太陽能學(xué)報，2009，30（4）：441-444.

[6] 何偉，張永煦，劉俊躍.空冷型光伏雙層窗在華東地區(qū)的熱性能模擬分析[J].太陽能學(xué)報，2009，30（11）：1476-1480.