通風型太陽能光伏雙層玻璃幕墻應用綜述

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荷的60%以上，因此門窗不僅是建筑行業的重要組成部分，也是貫徹國家建筑節能政策的攻關重點。現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。為實現建筑美化與節能一體化，筆者提出一種通風型太陽能光伏雙層玻璃幕墻，將太陽能光伏產業與雙層玻璃幕墻結合，利用通風換熱、調節氣流組織達到節能的效果。

關鍵詞：雙層玻璃幕墻 光伏 通風 節能

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

根據國際權威機構的預測，到21世紀50年代，全球直接利用太陽能的比例將會發展到世界能源結構中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構上的太陽能資源，將太陽能光伏與玻璃幕墻相結合的太陽能光伏幕墻的概念也已提出，并在歐美地區已有不少的應用工程項目，尤其是在德國。國內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計。

光伏幕墻可原地發電、原地使用，杜絕了由一般化石燃料發電所帶來的嚴重空氣污染。它集合了光伏發電技術和幕墻技術，因此太陽能光伏系統與建筑的結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的最新發展方向（圖1）。

1 國內外研究現狀和發展趨勢

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構進行了介紹，比利時的Andre De Herd等通過TAS軟件主要研究了風向對雙層玻璃幕墻傳熱和通風性能的影響；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情況進行了對比研究；瑞士的Henrich Manz通過CFD模擬和模型實驗測試了自然通風條件下雙層玻璃幕墻系統的傳熱問題；但是將太陽能光伏電池與雙層玻璃幕墻結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構的性能進行了一些理論研究和分析。中國科學技術大學的裴剛等結合實驗研究了單層光伏窗、雙層光伏窗和通風雙層光伏窗3種結構的光伏窗對建筑得熱、建筑采光和光電轉換的不同影響。中國科學技術大學的何偉等提出了空冷型雙層光伏窗的概念，在合肥地區以辦公建筑為研究對象對其進行了性能研究，并與普通光伏窗和中空型雙層光伏窗進行了對比分析。中國科學技術大學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用進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，如周邊環境參數，幕墻的物理尺寸大小，幕墻各個組成部分的熱物理性質、光學參數、空氣動力學參數等，而已有的研究主要針對較透明的幕墻結構，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，使通風型太陽能光伏雙層玻璃幕墻的透過率、吸收率等光學特性完全不同于傳統的雙層玻璃幕墻，光伏幕墻的存在形成了對空氣腔體的兩側非對稱加熱，強化了雙層玻璃幕墻空氣空腔的熱效應，空氣腔體流道內空氣壓力場、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發生變化，已有的研究并不能給與通風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入室內，但商業光伏幕墻的成本較高，轉換效率只有10%～15%左右，在夏季，剩下的近80%的太陽輻射被轉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入室內，增加室內熱負荷。另外由于太陽能光伏幕墻溫度的升高導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又增加了建筑的熱負荷，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負荷，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，提出設計了通風型太陽能光伏雙層玻璃幕墻結構，見圖2～圖5，光伏電池吸收太陽輻射時將產生大量余熱，強化了雙層玻璃幕墻空氣空腔的熱效應，根據需要在高段引風口輔以室外空氣補充或加以風機輔助。在夏季時，使經過土壤或水池蒸發冷卻的室外較冷空氣從幕墻底部開口進入太陽能光伏玻璃幕墻和內層玻璃形成的通風流道（帶孔走道主要是為解決幕墻維護和層間隔音問題），利用通風流道誘導效應將建筑背面較冷空氣引入流道，并從通風型光伏雙層玻璃幕墻頂部開口流到室外環境，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冷負荷，降低光伏電池運行溫度，提高光伏電池效率；在冬季時，將通風型光伏雙層玻璃幕墻頂部開口關閉，入口、引風口以及室內與空氣腔體之間連通開口的開啟關閉則需要根據環境溫度、太陽輻射強度和室內需求溫度和通風量進行綜合考慮，在空氣腔體中形成溫室效應，相比于普通光伏幕墻，大大降低了傳熱系數，目標是保證光伏幕墻的電力輸出效率的同時，降低室內熱負荷，改善建筑室內熱舒適性。

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、當地全年太陽能資源和當地氣候狀況的調查。②環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，在嚴寒和寒冷地區，溫度的影響較低；在炎熱氣候條件下應采取一定的措施，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件，應根據當地的氣候條件，綜合考慮抗風、防雨、雪荷載等問題。④光伏組件與玻璃幕墻結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）光伏發電系統要適應熱通道的特殊結構，保持與原建筑風格的一致性。因此要解決組件密封、接線盒隱蔽、粘膠在高溫與臺風作用下的結構受力問題；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、通風換氣條件的智能自動控制應具備數據自動采集、智能調節風口和百葉、光伏發電等功能。

4 結語

門窗引起的建筑負荷占建筑總負荷的60%以上，因此門窗不僅是建筑行業的重要組成部分，也是貫徹國家建筑節能政策的攻關重點。利用投射于建筑圍護結構上的太陽能資源，將太陽能光伏與玻璃幕墻相結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的利用效率、降低系統運行成本，最大化降低建筑能耗提供優化設計方法，達到光伏光熱綜合利用最優化效果，為城市公共建筑節能提供有益探索。光伏雙層幕墻融合了熱通道技術和光伏發電技術，具有明顯的隔熱、隔音、節能等優點，在建筑中意義深遠。隨著太陽能光伏發電的推廣，響應國家十三五規劃的能源戰略策略，實現可持續發展，該項目的應用具有廣泛的社會效益和經濟效益。

參考文獻

[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的熱性能模擬分析[J].太陽能學報，2009，30（11）：1476-1480.