通风型太阳能光伏双层玻璃幕墙应用综述

刘凯++王栅++江清阳

摘 要：随着我国城市化水平和人们对生活质量要求的不断提高，建筑能耗在未来总能耗中所占比例将继续增加。在我国建筑能耗占社会总能耗的30%以上，而其中由于门窗引起的建筑能耗占建筑总负荷的60%以上，因此门窗不仅是建筑行业的重要组成部分，也是贯彻国家建筑节能政策的攻关重点。现如今在建筑美化方面玻璃幕墙更是使用频繁，加大了建筑能耗损失。为实现建筑美化与节能一体化，笔者提出一种通风型太阳能光伏双层玻璃幕墙，将太阳能光伏产业与双层玻璃幕墙结合，利用通风换热、调节气流组织达到节能的效果。

关键词：双层玻璃幕墙 光伏 通风 节能

中图分类号：TU11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（c）-0012-03

根据国际权威机构的预测，到21世纪50年代，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中13%～15%，成为未来的主要能源之一。太阳能作为一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，为充分利用投射于建筑围护结构上的太阳能资源，将太阳能光伏与玻璃幕墙相结合的太阳能光伏幕墙的概念也已提出，并在欧美地区已有不少的应用工程项目，尤其是在德国。国内如北京的部分奥运场馆，深圳、上海等某些示范建筑也采用了太阳能光伏幕墙设计。

光伏幕墙可原地发电、原地使用，杜绝了由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染。它集合了光伏发电技术和幕墙技术，因此太阳能光伏系统与建筑的结合成为了住宅建筑中的一个最新亮点，代表了建筑光伏一体化技术的最新发展方向（图1）。

1 国内外研究现状和发展趋势

国际上对于双层玻璃幕墙的性能研究已有不少报道，德国的Till Pasquay等对德国三幢双层玻璃幕墙建筑的结构进行了介绍，比利时的Andre De Herd等通过TAS软件主要研究了风向对双层玻璃幕墙传热和通风性能的影响；Ikbal Centier等人用TAS和CFD软件对单层玻璃幕墙和双层玻璃幕墙的能耗、热舒适性和水汽凝结情况进行了对比研究；瑞士的Henrich Manz通过CFD模拟和模型实验测试了自然通风条件下双层玻璃幕墙系统的传热问题；但是将太阳能光伏电池与双层玻璃幕墙结合起来研究的并不多见，有加拿大的Andreas K.Athienitis和Remi Charron对单层单元式双层玻璃幕墙与太阳电池一体化结构的性能进行了一些理论研究和分析。中国科学技术大学的裴刚等结合实验研究了单层光伏窗、双层光伏窗和通风双层光伏窗3种结构的光伏窗对建筑得热、建筑采光和光电转换的不同影响。中国科学技术大学的何伟等提出了空冷型双层光伏窗的概念，在合肥地区以办公建筑为研究对象对其进行了性能研究，并与普通光伏窗和中空型双层光伏窗进行了对比分析。中国科学技术大学的张永煦加工了可逆空冷型双层光伏窗，并在夏季气候条件下进行了空冷型双层光伏窗和单层光伏窗的性能对比实验。香港城市大学的周天泰对非晶硅透光性光伏玻璃在香港某办公楼外窗中的应用进行了实验和模拟研究。

已有的研究表明，双层玻璃幕墙的性能受到很多因素的影响，如周边环境参数，幕墙的物理尺寸大小，幕墙各个组成部分的热物理性质、光学参数、空气动力学参数等，而已有的研究主要针对较透明的幕墙结构，基本上没有考虑玻璃幕墙高吸收率的影响，而光伏电池的存在，使通风型太阳能光伏双层玻璃幕墙的透过率、吸收率等光学特性完全不同于传统的双层玻璃幕墙，光伏幕墙的存在形成了对空气腔体的两侧非对称加热，强化了双层玻璃幕墙空气空腔的热效应，空气腔体流道内空气压力场、速度场和温度场的分布将随着太阳辐射强度、光伏电池覆盖率等参数发生变化，已有的研究并不能给与通风型太阳能光伏双层玻璃幕墙性能分析提供足够的信息。

2 通风型光伏双层玻璃幕墙原理

太阳能光伏幕墙虽然能够利用投射到窗面上的太阳辐射，减少太阳辐射直接进入室内，但商业光伏幕墙的成本较高，转换效率只有10%～15%左右，在夏季，剩下的近80%的太阳辐射被转化为热量使光伏电池的温度升高，从而降低光伏电池效率的同时，剩余30%以上的热量以对流换热和长波辐射的形式进入室内，增加室内热负荷。另外由于太阳能光伏幕墙温度的升高导致近幕墙位置的热舒适度大大降低，而在冬季，玻璃幕墙较大的传热系数又增加了建筑的热负荷，从而加大了建筑的运行成本和能耗水平。

为降低太阳能光伏玻璃幕墙增加的室内负荷，提高能源综合利用效率，降低太阳能光伏玻璃幕墙使用成本，提出设计了通风型太阳能光伏双层玻璃幕墙结构，见图2～图5，光伏电池吸收太阳辐射时将产生大量余热，强化了双层玻璃幕墙空气空腔的热效应，根据需要在高段引风口辅以室外空气补充或加以风机辅助。在夏季时，使经过土壤或水池蒸发冷却的室外较冷空气从幕墙底部开口进入太阳能光伏玻璃幕墙和内层玻璃形成的通风流道（带孔走道主要是为解决幕墙维护和层间隔音问题），利用通风流道诱导效应将建筑背面较冷空气引入流道，并从通风型光伏双层玻璃幕墙顶部开口流到室外环境，从而将太阳能光伏玻璃幕墙吸收的热量带到室外，减少建筑由太阳辐射引起的空调冷负荷，降低光伏电池运行温度，提高光伏電池效率；在冬季时，将通风型光伏双层玻璃幕墙顶部开口关闭，入口、引风口以及室内与空气腔体之间连通开口的开启关闭则需要根据环境温度、太阳辐射强度和室内需求温度和通风量进行综合考虑，在空气腔体中形成温室效应，相比于普通光伏幕墙，大大降低了传热系数，目标是保证光伏幕墙的电力输出效率的同时，降低室内热负荷，改善建筑室内热舒适性。

3 与建筑一体化需要解决的问题

（1）要做好太阳能光伏发电与建筑一体化需要解决一系列问题：①光伏幕墙适宜性、当地全年太阳能资源和当地气候状况的调查。②环境温度对太阳能光伏电池的效率有影响，一般来说，温度越高效率越低。因此，在严寒和寒冷地区，温度的影响较低；在炎热气候条件下应采取一定的措施，使得太阳能电池板的温度不至于过高。③光伏幕墙作为建筑构件，应根据当地的气候条件，综合考虑抗风、防雨、雪荷载等问题。④光伏组件与玻璃幕墙结合通常会形成幕墙上的非透明或半透明部分，因此光伏幕墙具有一定遮阳的功能，同时也降低了玻璃幕墙的透光性能。

（2）光伏发电系统要适应热通道的特殊结构，保持与原建筑风格的一致性。因此要解决组件密封、接线盒隐蔽、粘胶在高温与台风作用下的结构受力问题；要改善组件的散热情况、降低电池片温度，以减少组件效率损失。

（3）光伏系统、通风换气条件的智能自动控制应具备数据自动采集、智能调节风口和百叶、光伏发电等功能。

4 结语

门窗引起的建筑负荷占建筑总负荷的60%以上，因此门窗不仅是建筑行业的重要组成部分，也是贯彻国家建筑节能政策的攻关重点。利用投射于建筑围护结构上的太陽能资源，将太阳能光伏与玻璃幕墙相结合的太阳能光伏幕墙的概念也随之提出。该研究将为提高建筑中太阳能光伏系统的利用效率、降低系统运行成本，最大化降低建筑能耗提供优化设计方法，达到光伏光热综合利用最优化效果，为城市公共建筑节能提供有益探索。光伏双层幕墙融合了热通道技术和光伏发电技术，具有明显的隔热、隔音、节能等优点，在建筑中意义深远。随着太阳能光伏发电的推广，响应国家十三五规划的能源战略策略，实现可持续发展，该项目的应用具有广泛的社会效益和经济效益。

参考文献

[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] 裴刚，季杰，蒋爱国.光伏双层窗的综合性能研究[J].太阳能学报，2009，30（4）：441-444.

[6] 何伟，张永煦，刘俊跃.空冷型光伏双层窗在华东地区的热性能模拟分析[J].太阳能学报，2009，30（11）：1476-1480.