半透明光伏玻璃窗對室內負荷的影響

黃佳 李蘇瀧

南京理工大學能源與動力工程學院

隨著光伏發電技術的發展，太陽能光伏建筑一體化受到了廣泛的關注。光伏組件與建筑結合，可作為建筑外窗玻璃、幕墻，能有效地利用建筑外表面進行光伏發電，為建筑提供電能，同時還可以減少太陽輻射。因此，近年來光伏組件與建筑結合的一體技術得到迅速發展。文獻[1]結合實驗分析了Low-e等幾種普通窗與不同構造的光伏窗的全年能耗；文獻[2]調查了6種商用的半透明光伏窗性能，并模擬研究了其在不同朝向與窗墻比情況下建筑的凈電效益（Net Electrical Benefit）；文獻[3]對我國5種不同氣候條件下的光伏雙層通風玻璃幕墻（PV-DSF）和光伏中空通風玻璃窗（PV-IGU）的綜合能量性能進行了研究，結果顯示在5個代表城市PV-IGU的節能性比PV-DSF的更好；文獻[4]結合實驗，研究了香港地區普通單層面、自然通風雙層窗、強迫通風雙層窗對建筑得熱，降低空調負荷等的影響；文獻[5]模擬了雙層光伏窗在華東地區的熱性能，分析光伏窗在冬夏季對室內得熱的影響；文獻[6]建立了光伏建筑一體化墻體的傳熱模型，并通過模擬得出光伏墻體可以減少夏季空調冷負荷。以上文獻對建筑得熱多以某一典型日進行分析，本文以廣州地區典型辦公建筑為例，運用建筑能耗分析軟件EnergyPlus對薄膜光伏玻璃和普通玻璃兩種窗戶進行模擬，比較其對全年累計冷負荷的影響。

1 模型概況

本文模擬對象為廣州地區典型辦建筑，南北朝向，圍護結構參數如表1。人員密度設定為9 m2/人，照明強度為9 W/m2，設備功率密度為5 W/m2。夏季室內設計溫度為26℃，新風量為30 m3/(h·人)。

表1 圍護結構參數

光伏組件透光率低，可以有效減少外窗得熱，減少室內冷負荷，但同時會引起光伏組件的溫升，不僅增加了窗戶對室內傳熱，而且也會降低光伏板的發電效率。因此光伏窗通常設置為雙層，半透明光伏薄膜組件置于窗體外側，普通透明白玻璃位于窗體內側，中間為空腔。本文采用的光伏薄膜玻璃窗和普通玻璃窗物理特性如表2所示。

表2 玻璃光學參數

2 光伏玻璃窗與普通玻璃窗對室內負荷的影響比較

本文運用EnergyPlus軟件模擬研究了不同窗墻比對薄膜光伏玻璃和普通玻璃對室內冷熱負荷的影響，模擬用室外氣象條件為當地典型氣象年。夏季典型設計日為7月21日，天氣狀況為晴朗。

2.1 夏季室內負荷分析

圖1為夏季典型設計日室內14:00時的瞬時冷負荷隨南外墻窗墻比的變化。采用光伏窗戶與普通玻璃窗戶兩種不同方式的外窗構造，室內冷負荷值皆為上升趨勢，但與普通玻璃窗相比，光伏窗室內負荷增長速率較為緩慢。由于光伏玻璃組件透光率較低，僅為普通玻璃的8.6%，可以有效削弱太陽輻射，減少室內輻射得熱，從而顯著降低室內冷負荷。廣州處于亞熱帶地區，太陽輻射較強，采用透光率較低的光伏玻璃窗不僅不影響室內光照度，還可以有效降低眩光度，提高光舒適感。

窗戶傳熱分為兩部分：一部分為輻射得熱，通過太陽輻射直接引起的室內冷負荷；另一部分為導熱得熱，由溫度較高于室內空氣溫度的玻璃引起的室內負荷。圖2比較了夏季典型設計日14:00時輻射得熱和導熱得熱在兩種玻璃窗的占比情況。普通玻璃窗對室內負荷的影響基本均勻分布于輻射和導熱，兩者差距隨窗墻比的增加而增加，形成室內負荷以輻射為主的趨勢；而光伏玻璃窗卻完全以導熱為主，太陽輻射只占室內負荷的1%左右，導熱傳熱量隨窗墻比的增加，由占室內負荷7%增加到48%，幾乎成為室內負荷的主要因素。這是由于光伏窗透明度低而吸收率高，光伏組件在發電的同時會產生一定的溫升，從而導致窗戶本身溫度較高，其中一部分是對室外傳熱，另一部分會直接通過窗戶導熱進入室內。

圖1 夏季典型設計日14:00室內冷負荷

圖2 窗戶得熱量占比分布

2.2 制冷周期的月累積負荷分析

考慮到建筑立面的美觀，現在越來越多的公共建筑采用幕墻玻璃。圖3和圖4比較了窗墻比為0.1和0.7時兩種窗戶在制冷周期內的月累積負荷，其中0.7窗墻比的建筑模型可視為將南面外墻設計為玻璃幕墻。結果表明，光伏玻璃外窗房間室內月累積負荷都要明顯低于普通玻璃外窗房間負荷，當窗墻比為0.1時，基本可視為普通建筑對窗戶的要求，可以看出光伏外墻房間累積負荷平均要低于普通窗10%左右；當窗墻比為0.7（玻璃幕墻）時，光伏玻璃外墻的節能效果顯著，其中10月和11月，相對于普通外窗，光伏窗室內負荷減少了45%，而其他月份，除4月外，基本也減少了30%負荷，表明當窗墻比增大時，光伏外窗的節能效果愈加顯著。因此，對于夏熱冬暖地區的玻璃幕墻建筑，制冷周期較長，采用光伏玻璃窗不但可以有效利用外窗發電，還可大幅減少室內負荷，節能效果顯著。

圖3 窗墻比為0.1時月累積冷負荷

圖4 窗墻比為0.7時月累積冷負荷

2.3 全年累積負荷分析

圖5給出兩種窗戶在不同窗墻比條件下的全年累計冷負荷。結果顯示，隨窗墻比的增大，光伏窗的節能效益就愈顯著；窗墻比為0.1時，相比普通玻璃窗，雙層光伏窗可以減少室內12%的空調負荷，當窗墻比為0.9時，光伏窗建筑全年累積負荷僅為普通玻璃窗建筑的58%。采用光伏外窗，使累計冷負荷和供冷能耗均得以減少。

建筑能耗不僅與其負荷相關，也與空調系統的能源利用效率有關。如果忽略空調系統COP在供冷周期內的變化，供冷的節能率與累計冷負荷的相對減少率應大致相等。因此，對于使用玻璃幕墻的建筑，添加光伏組件對于空調系統的節能很有意義。

圖5 全年累積冷負荷比較

3 中間空氣層通風對室內負荷的影響

為了提高光伏外窗的能源利用效率，對空氣腔可設置通風以冷卻光伏組件溫度，減少室內得熱。空腔中空氣循環方式一般有兩種形式，室內循環與室外循環，如圖6所示。由于模擬地區為廣州，屬于亞熱帶地區，若使用室內循環，雖然有效的降低光伏組件背面溫度，但會直接將這部分熱量引入室內，室內窗戶附近空氣溫度升高，增大室內冷負荷，同時導致室內溫度存在分區，影響舒適度。因此，對于夏熱冬暖地區，選用室外循環不僅能降低光伏組件溫度，還能減少對室內傳熱，達到降低室內冷負荷的目的。本文將薄膜光伏組件與墻體之間的空氣層視為純導熱層，這樣薄膜光伏窗戶傳熱過程可以分為兩部分：光伏窗戶的導熱傳熱，包括光伏窗戶內外表面與室內外環境以導熱、對流形式進行的傳熱；光伏窗戶輻射傳熱，為透過光伏窗戶的太陽輻射引起的室內得熱。

圖6 空氣夾層的兩種形式（室內循環/室外循環）

3.1 自然通風空氣層寬度對負荷的影響

通風可以加強光伏板對外散熱，降低光伏板溫度和室內冷負荷，同時也有利于提高光伏發電的效率。空氣腔寬度的變化對于室內冷負荷有一定的影響[6]，本文擬對此進行定量研究。由于空氣層寬度變化相對較小，除窗戶傳熱以外，對室內其他負荷變化的影響幾乎可以忽略，因此，此處只分析光伏窗的導熱量和全年累積負荷的變化。

圖7給出了三種不同窗墻比建筑的窗戶導熱隨空氣層寬度變化的情況。當窗墻比較小時，改變空氣腔寬度，對傳熱無明顯影響。而當窗墻比較大時，空氣層增加到20 mm后，傳熱量基本無變化，說明對于大面積的光伏窗，增加空氣寬度只在一定的范圍內才能有效減少室內得熱。圖8給出不同空氣腔寬度情況下，三種窗墻比的建筑全年累積負荷。由圖可見，對于小窗墻比的建筑，改變空氣層寬度對全年負荷無明顯影響，故小面積的光伏窗空氣層寬度不宜超過20 mm；大窗墻比情況下，其寬度也不宜超過40 mm，以避免浪費空間。

圖7 通風通道對窗戶導熱的影響

圖8 通風通道全年累積負荷的影響

3.2 機械通風對室內冷負荷的影響

自然通風可以減少室內負荷，但削弱效果有限，圖9給出了三種不同窗墻比建筑的窗戶導熱隨空氣層流量變化的情況。結果顯示，對于不同窗墻比的光伏窗，采用機械通風的方式增大通風量，都可以有效增加光伏窗的對外散熱，降低室內得熱；尤其是對于較大窗墻比的光伏窗，采用機械通風的效果更加顯著。但是，當單位窗戶寬度的通風量達到0.03 m3/(s·m)后，繼續增加對室內得熱無明顯影響。圖10為三種不同窗墻比建筑全年累積負荷隨通風量的變化，對于0.1窗墻比的建筑隨著通風量的增加，全年累積負荷基本無變化，因此對于小窗墻比的光伏窗，采用自然通風即可。對于窗墻比為0.7的建筑，當通風量增加到0.01 m3/(s·m)時，全年累積負荷減少22%，但繼續增加通風量對降低全年累積負荷無顯著效果，故對于較大窗墻比建筑，機械通風量不宜超過0.01 m3/(s·m)，避免機械能不必要的消耗。

圖9 空氣層流量對窗戶傳熱的影響

圖10 空氣層流量全年累積負荷的影響

4 結論

1）與普通玻璃窗相比，雙層光伏窗可以有效削弱夏季輻射得熱，降低室內負荷；而且窗墻比越大，節能效果越明顯。當窗墻比為0.7時，全年累積負荷可減少34%。

2）在雙層光伏窗空氣層中，采取通風措施，可以一定程度地降低室內負荷。但對于窗墻比較小的建筑，空氣腔寬度不宜超過20 mm；大窗墻比情形，則不宜超過40 mm；。

3）雙層光伏窗添加機械通風可以顯著降低室內負荷，降低全年能耗，但機械通風適用于外窗面積較大的建筑，而且通風量不宜超過0.01 m3/(s·m)，過量的機械通風不僅不能進一步減少室內負荷，還會造成風機能耗的浪費。

4）采用雙層光伏窗，雖然在實現光伏發電的同時，大幅度降低了空調系統負荷和能耗，但將帶來初投資增加等問題。