光電雙層幕墻在夏季隔熱中的應用

[摘 要] 隨著近年來雙層幕墻的實踐應用，其冬季的保溫效果非常顯著。但同時，雙層幕墻的隔熱問題通過采用諸多被動式節能技術方法雖得到緩解，問題仍無法克服夏季室內的悶熱狀況，無法從根本上解決。通過對光電幕墻發電原理的掌握，以清華大學超低能耗示范樓為例，介紹光電幕墻在雙層幕墻中如何有效解決夏季室內悶熱問題。

[關鍵詞] 光電雙層幕墻 建筑隔熱 清華大學超低能耗示范樓

一、引言

據調查，很多采用了雙層幕墻的辦公建筑冬季的采暖問題基本都得到了解決。故此，本文主要考慮夏季防熱問題。文中先介紹光電幕墻發電原理，同時以清華大學超低能耗示范樓為例，介紹光電幕墻在雙層幕墻中如何有效合理地解決此類問題。

二、光電幕墻發電原理

光電幕墻是將傳統幕墻與光伏發電技術相結合的一種新興建筑幕墻。由于其發電過程中不會排放二氧化碳等產生溫室效應的有害氣體，并無噪音發出，故屬于一種凈能源。

光電幕墻的工作原理：

在介紹光電幕墻的工作原理之前，有必要了解一下光伏發電原理（光電伏打效應）：太陽光照在兩種連接在一起的特種材料上時，材料吸收光子能量，產生數量相等的正、負電荷，分別遷移到各材料兩側，產生一定的電動勢。當該線路閉合時，便產生了電流。

光電幕墻的基本單元是光電板，每套光電板可由一個或多個PV變壓器組成，一個PV變壓器是由多個晶體電池通過串、并聯組成的電池陣列。將光電板中的晶體電池嵌入堅硬的樹脂玻璃中，安裝在建筑幕墻相應的結構上就組成了光電幕墻。光電幕墻所用的玻璃一般為：外層高透光率的玻璃，中間為光電板，內層為普通玻璃，其顏色可任意選擇；上下兩層和中間層之間一般用鑄膜樹脂（EVA）熱固而成；光電玻璃內側有接線盒和導線，導線接在模板背面或玻璃邊緣。

圖1 光伏電板發電原理示意圖

各光電板產生的電動勢，經過輸入電能變換器，轉換成蓄電池組要求的充電電壓和充電電流，向蓄電池充電；通過輸出電能變換器將蓄電池組中的直流電能轉換成負載要求的電壓和電流及電能形式，向負載供電。此過程中會將直流電轉變成交流電，經過逆整流器后可并入電網；若不能并入電網，可采用電池組，在陰雨天氣或太陽光少的情況下，也能保證一段時間的連續供電。

三、示范樓光電幕墻防熱原理

清華大學超低能耗示范樓由中國工程院院士、清華大學江億教授主持設計，于2005年3月竣工。該示范樓集中展示了近百項國內外最先進的建筑節能技術產品，是我國第一個集示范、展示、試驗等功能于一體的綠色建筑。這座超低能耗示范樓采用了多種性能優異的幕墻系統和能源空調系統，冬季可實現零采暖能耗，夏季空調耗能量僅為常規建筑的10%。其中最值得介紹的便是該建筑中玻璃幕墻的使用：南立面的一、二層采用的是窄通道內循環雙層光電幕墻，三、四層采用的是窄通道外循環雙層光電幕墻；東立面采用了寬通道外循環雙層幕墻。

圖2 光電幕墻玻璃系列結構示意圖 圖3 清華大學超低能耗示范樓南立面

寬通道和窄通道主要是根據通風道寬度能否供人進入分類，示范樓的南立面采用的都是窄通道。外循環、內循環和混合循環通風幕墻主要是指通風道內空氣的循環方式：外循環通風幕墻是指外層幕墻上設進出風口，通過外層幕墻實現通風、換氣，多使用單層玻璃幕墻；內層幕墻實現保溫隔熱功能，多為中空玻璃幕墻。內循環通風幕墻是指外層幕墻實現保溫隔熱功能，使用中空玻璃幕墻；內層幕墻設進、出風口，完成通風、換氣，單層玻璃幕墻即可。混合幕墻是通過內外層幕墻上的進出風口的不同開閉形式，實現不同季節下的最優組合。光電幕墻多設在外層幕墻里。

該示范樓為教學建筑，使用時間多在白天的特點，利用太陽能發電解決自身部分用電問題必然成為節能的一種趨勢。考慮到太陽能電池發電需要的接收面積比值相當可觀，我們現今解決的主要途徑多是利用建筑幕墻和屋頂。

本建筑的南立面三、四層利用的是窄通道外循環雙層光電幕墻：內層選用中空玻璃；外層窗間墻的位置安裝光電幕墻，其余部分為8mm厚單層玻璃，進、出風口設在單層玻璃上；外層立柱和橫梁使用斷熱鋁型材，完全滿足JGJ102規范和JG3035標準要求；通道內設置電動遮陽百葉；為便于光電模板及遮陽百葉的清潔與更換，在內層玻璃幕墻上設置內開窗。

示范樓南立面一、二層采用的是窄通道內循環雙層光電幕墻：內層選用下懸開啟的8mm厚單層玻璃；外層也是窗間墻的位置安裝光電幕墻，其余部分為中空玻璃；其他條件與外循環雙層幕墻基本相同。

雙層光電幕墻的冬季保溫效果極好，其光電幕墻的應用主要是為示范樓提供弱電及部分小功率電器的能耗來源。

雙層光電幕墻夏季通過內、外循環通風系統減輕雙層幕墻所造成的溫室效應，其防熱作用主要通過四個方面完成。

1.光電幕墻本身有遮陽效果，降低了進入建筑內部的日光量。

2.光電幕墻為與內層幕墻之間通道內的電動遮陽百葉提供電能，使遮陽效果進入自動化。幕墻外側設置有太陽輻射傳感器，通過實際的測量數據來控制通道內百葉的升降與旋轉角度。由于光電幕墻安裝在南向，正上方的太陽光線較為強烈，故選用的是水平遮陽構件。冬季時，百葉與玻璃面垂直，得到盡可能多的太陽輻射；夜間將百葉關上，利于室內保溫；夏季在不影響采光的狀況下，調節百葉角度，盡可能降低太陽輻射；夜間將百葉打開，使白天室內獲得的熱量快速散開。

3.窄通道區域提供一個低溫緩沖區，降低空調能耗。在夏季開啟空調時，室內低溫空氣通過玻璃進行冷輻射，降低通道內靠近內層幕墻玻璃面的空氣溫度；靠近外層幕墻的通道內的空氣受到太陽輻射溫度升高；基于冷空氣下降，暖空氣升高的原理，可以有效地排出窄通道內的熱空氣，使通道內的溫度低于室外溫度；與室內接觸的窄通道的空氣溫度低于室外溫度，其空調能耗低于同種條件下的單層玻璃幕墻的空調能耗，起到節能的效果；由于夏季室內溫度低，室外溫度高，夾層空氣只要在這兩個溫度之間，便會形成一定的熱壓差，這種熱壓差也是構成建筑室內室外通風換氣的基礎。

4.光電幕墻產生的電能還有一部分供給通道頂部的機械通風器，智能化地將多余的熱空氣排出室外。通道內的溫度傳感器與幕墻頂部的風機聯動，通過對室內到夾層的空氣進風量，來保證通道空氣溫度范圍。室外輻射越強，光伏發電量越大，供給機械通風器的電量越大，與此同時，由于太陽輻射通道溫度一直上升，同時需要更多的電量利用機械通風器流散過多的熱量。

四、結論

在清華大學超低能耗示范樓的分析過程中，我們可以看出，光電雙層幕墻較普通的雙層玻璃幕墻在夏季防熱問題上有了突破性的進展：利用光伏發電及被動節能技術，極大地降低了空調能耗，同時解決了建筑自身的部分用電問題。

由于該建筑是在不計成本的基礎上建成的示范類建筑，我們不得不考慮其推廣過程中存在的問題。以電池的價格為例，自非晶硅電池出現后，雖價格成本較晶硅電池降低很多，相對使用量變大，但其構件還未形成批量生產規模，只有達到一定產量時，成本會明顯下降。簡言之，光電雙層幕墻的發展任重而道遠，在大規模推廣應用，除了有關研究開發機構及公司企業的努力之外，還需要政府有關機構和部門進一步制訂有效的扶持政策和措施。

參考文獻：

[1] 龍文志. 光電幕墻及光電屋頂[z]. 2009.10.23. http://www.wall21.cn

[2] 龍文志. 當務之急——加強光伏建筑一體化應用[J]. 中國建筑金屬結構，2010（03）：46～51

[3] 楊建中. 實用型BIPV光電玻璃幕墻[J]. 住宅產業，2006（5）：68~69