淺談夏熱冬冷地區太陽能與建筑外窗的結合應用

劉婷婷 苗家齊

摘 要 夏熱冬冷地區，建筑外窗通過結合太陽能光伏光熱一體化系統，將太陽能資源轉化為電能存儲起來，減少太陽輻射通過外窗進入建筑的熱能，降低了建筑的能耗。其所存儲的電能用于通電玻璃所需的耗能，一方面改善太陽輻射的不穩定性對室內采光的影響，另一方面起到了遮擋視線的作用。

關鍵詞 太陽能;節能窗;光伏光熱;夏熱冬冷地區

在建筑圍護結構中，外窗是建筑物內部與外部環境熱量交換最頻繁的部位，時刻影響著室內熱舒適度和建筑節能。門窗占據建筑外圍護結構面積的一部分，門窗能耗約占建筑圍護結構總能耗的二分之一，外窗通過太陽輻射使室內獲得熱量而成為得熱構件[1]。據統計，在采暖或空調建筑中，冬季單層玻璃窗的熱能損耗約占供熱負荷30%～50%，夏季因太陽輻射熱透過單層玻璃窗射入室內而損耗的冷能約占空調負荷的20%～30%[2]。因此，提高外窗整體性能，將太陽能與建筑外窗有機結合，既充分利用太陽能，又減少由外窗引起的建筑能耗。

1我國太陽能資源的分布和應用

由表1可知，夏熱冬冷地區大部分城市在我國太陽能資源一般的地區，需要采取有效的技術手段和設計方法來提高太陽能的轉換效率，增加電能的轉化，增加可再生能源的供應，減少不可再生能源的損耗。

太陽能的應用分為主動式應用和被動式應用。被動式應用可以充分利用其自身與周邊環境的關系提供供暖、制冷和照明，從而減少電器設備的使用，降低能耗。主動式應用則需要通過科學的技術手段來收集和存儲太陽能，從而將其轉化為光能或電能。

夏熱冬冷地區建筑能耗主要產生于電器的夏季降溫、冬季采暖以及過渡季節除濕三方面。中國的5個建筑熱工分區內，唯一對采暖與空調均有較長時間要求的地區是夏熱冬冷地區[3]。因此，結合夏熱冬冷地區的氣候特點，促進太陽能與建筑外窗的結合應用，具有重要的現實意義。

2建筑外窗

2.1 太陽輻射得熱

通常情況下（入射角<60°），太陽光照射到外窗玻璃上，一部分被反射，一部分被吸收，一部分進入室內，未被反射的太陽輻射熱能使得窗戶升溫和室內溫度升高。因此，玻璃的反射率越高，通過率和吸收率越低，太陽輻射得熱量就越少，室內熱環境的舒適度就更加適宜[4]。

2.2 不同種類玻璃的熱工性能

玻璃的傳熱系數越大，保溫隔熱能力就越差，通過玻璃的能量損失就會越多，以及窗的遮陽系數越低，遮陽性能就越好。因此，在選擇玻璃時應該選擇。傳熱系數和遮陽系數都較低的玻璃，保證室內熱環境的穩定性。

2.3 影響因素

夏熱冬冷地區，要想實現建筑節能需要做到減小外窗傳熱系數、減小外窗太陽得熱系數，且減小太陽得熱系數節能效果更加明顯，即夏熱冬冷地區建筑外窗節能應該以隔熱為主。通過外窗產生的冷熱負荷與窗墻比成正比，建筑能耗會受到外窗熱工性能參數變化的影響[5]。

3太陽能光伏光熱一體化系統

電池表面溫度的升高會降低太陽能光伏電池的光電轉換效率。太陽能光伏光熱一體化系統是指在光伏電池正常工作時利用水冷或風冷的方式將電池工作產生的熱量帶走，一方面降低電池表面溫度提高電池工作時光電轉換效率，另一方面對被帶走的熱量加以利用得到額外的收益，達到光電熱的高效利用。將太陽能光伏光熱一體化系統與建筑物的圍護結構窗戶相結合，既可以改變通過窗戶進入室內的熱量，又可以利用太陽能電池發電，減少能耗節約能源[6]。

3.1 運行原理

太陽光照射到光伏電池板上，一部分太陽能轉化為電能存儲于蓄電池中，用于通電玻璃調光膜的使用，剩余被光伏電池板吸收的太陽能轉化成熱能導致其表面溫度上升，通過自然通風散熱降低電池板表面的溫度，提高電池發電效率，增加電池板發電量，提高整體的綜合效率。

3.2 太陽能電池

光伏裝置是整個系統的核心部分，太陽能電池的電能儲蓄與使用關系著整體的運行狀況。太陽能電池根據晶體結構不同，可以分為單晶硅電池、多晶硅電池、薄膜太陽能電池和敏感涂層太陽能電池四種。單晶硅電池制作復雜但發電效率高，發電率為15%。多晶硅電池造價相對較低，但發電率也低，僅為12%。薄膜電池發電率低于晶體硅電池，早期僅為6%，目前略有提升。敏感涂層太陽能不支持長時間發電，不能用于長期供電的裝置[3]。

太陽能輻射并不穩定，會隨著季節、天氣、時間的變化而變化，無法提供連續穩定的供能。蓄電池把剩余能量存儲起來，使得在太陽能微弱的天氣里，可以保證系統的穩定性，提高電能質量與可靠性。

3.3 新增價值

太陽能光伏光熱系統將充分利用太陽能的輻射熱和電池工作產生的熱量，通過水冷技術帶走熱量，一方面降低電池表面溫度，提高太陽能光伏電池的光電轉換效率，另一方面對熱量加以利用，將熱量用于提高水溫，提供建筑室內的熱水供應。

4通電玻璃調光膜

通電玻璃將液晶調光膜牢固黏結在兩片普通浮法玻璃之間利用了液晶的電致透射、散射現象，使得調光玻璃在通電狀態下為透明玻璃狀，斷電狀態下則透光而不透明，呈霧化狀。在外窗上結合應用這種技術，進一步控制整體系統通過感應光照的強弱來影響電能轉化的多少，進而調節通電玻璃調光膜霧化程度的大小，進而起到改變進入室內的光照強弱，改善室內光環境的舒適度，也起到了窗簾遮擋視線的作用，簡化窗簾的安裝使用。

5節能環保

近年來，國家越來越重視節約能源和環境保護，太陽能光伏發電將成為未來世界能源供應的主體。可再生能源在總能源結構的比重將不斷提升，太陽能光伏發電在世界總電力供應的所占比重也將逐年攀升，太陽能光伏產業將有良好的發展前景和能源領域重要的戰略地位。太陽能的應用前景非常廣闊，而將太陽能與建筑外窗結合應用必將成為未來建筑節能首要重視的方面。建筑外窗為太陽能光伏光熱系統提供足夠的豎向面積，節約土地、節省構架，優化太陽能轉化電能的方式，與建筑形成一體化。未來太陽能會有更多的更好的發展前景，隨著太陽能與建筑外窗一體化研究的不斷深入，將提供更完善的節能方式，最終實現建筑零能耗、零排放，為全世界節約資源和環境保護做出貢獻。

6結束語

夏熱冬冷地區，在一定條件下，建筑外窗通過結合太陽能光伏光熱一體化系統，能夠合理利用太陽能降低建筑能耗，提高可再生能源的利用率，降低不可再生能源的損耗。首先通過太陽能光伏光熱系統將太陽能資源轉化為電能存儲起來，減少太陽輻射通過外窗進入建筑的熱能，降低了建筑的能耗。然后將存儲的電能用于通電玻璃調光膜所需的耗能，一方面改善太陽光的不穩定性對室內采光的影響，另一方面起到了遮擋視線的作用，“解放”窗簾。最后，整個系統形成一個有機整體，提高了太陽能的利用率，減少了由外窗引起的建筑能耗，起到了遮陽、隔熱、遮視線的作用，將各功能進行了整合處理，提升系統的整體性能，減少不必要的損耗。

參考文獻

[1] 付祥昭.夏熱冬冷地區建筑節能技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2002：203.

[2] 姜波，劉長濱.建筑節能信息的收集與應用制度研究[J].建筑學報，2008，（9）：96-98.

[3] 趙志青.夏熱冬冷地區建筑外立面光伏系統一體化設計研究[D].南昌：南昌大學，2014.

[4] 白莉，艾莉莉.住宅建筑外窗節能及對太陽能的合理利用[J].吉林建筑工程學院學報，2009，26（3）：79-82.

[5] 黃倞，劉士清，唐小虎，等.夏熱冬冷地區辦公建筑外窗熱工性能及節能效果分析[J].建筑節能，2019，47（6）：88-92.

[6] 孫愛洲.窗式太陽能PV-T系統性能研究及優化[D].南京：南京理工大，2013.

作者簡介

劉婷婷（1996-），女，浙江溫州人;就讀院校：溫州大學，專業：建筑學，學歷：本科在讀。

苗家齊（1997-），男，內蒙古赤峰市人;就讀院校：溫州大學，專業：建筑學，學歷：本科在讀。