浅谈夏热冬冷地区太阳能与建筑外窗的结合应用

刘婷婷 苗家齐

摘 要 夏热冬冷地区，建筑外窗通过结合太阳能光伏光热一体化系统，将太阳能资源转化为电能存储起来，减少太阳辐射通过外窗进入建筑的热能，降低了建筑的能耗。其所存储的电能用于通电玻璃所需的耗能，一方面改善太阳辐射的不稳定性对室内采光的影响，另一方面起到了遮挡视线的作用。

关键词 太阳能;节能窗;光伏光热;夏熱冬冷地区

在建筑围护结构中，外窗是建筑物内部与外部环境热量交换最频繁的部位，时刻影响着室内热舒适度和建筑节能。门窗占据建筑外围护结构面积的一部分，门窗能耗约占建筑围护结构总能耗的二分之一，外窗通过太阳辐射使室内获得热量而成为得热构件[1]。据统计，在采暖或空调建筑中，冬季单层玻璃窗的热能损耗约占供热负荷30%～50%，夏季因太阳辐射热透过单层玻璃窗射入室内而损耗的冷能约占空调负荷的20%～30%[2]。因此，提高外窗整体性能，将太阳能与建筑外窗有机结合，既充分利用太阳能，又减少由外窗引起的建筑能耗。

1我国太阳能资源的分布和应用

由表1可知，夏热冬冷地区大部分城市在我国太阳能资源一般的地区，需要采取有效的技术手段和设计方法来提高太阳能的转换效率，增加电能的转化，增加可再生能源的供应，减少不可再生能源的损耗。

太阳能的应用分为主动式应用和被动式应用。被动式应用可以充分利用其自身与周边环境的关系提供供暖、制冷和照明，从而减少电器设备的使用，降低能耗。主动式应用则需要通过科学的技术手段来收集和存储太阳能，从而将其转化为光能或电能。

夏热冬冷地区建筑能耗主要产生于电器的夏季降温、冬季采暖以及过渡季节除湿三方面。中国的5个建筑热工分区内，唯一对采暖与空调均有较长时间要求的地区是夏热冬冷地区[3]。因此，结合夏热冬冷地区的气候特点，促进太阳能与建筑外窗的结合应用，具有重要的现实意义。

2建筑外窗

2.1 太阳辐射得热

通常情况下（入射角<60°），太阳光照射到外窗玻璃上，一部分被反射，一部分被吸收，一部分进入室内，未被反射的太阳辐射热能使得窗户升温和室内温度升高。因此，玻璃的反射率越高，通过率和吸收率越低，太阳辐射得热量就越少，室内热环境的舒适度就更加适宜[4]。

2.2 不同种类玻璃的热工性能

玻璃的传热系数越大，保温隔热能力就越差，通过玻璃的能量损失就会越多，以及窗的遮阳系数越低，遮阳性能就越好。因此，在选择玻璃时应该选择。传热系数和遮阳系数都较低的玻璃，保证室内热环境的稳定性。

2.3 影响因素

夏热冬冷地区，要想实现建筑节能需要做到减小外窗传热系数、减小外窗太阳得热系数，且减小太阳得热系数节能效果更加明显，即夏热冬冷地区建筑外窗节能应该以隔热为主。通过外窗产生的冷热负荷与窗墙比成正比，建筑能耗会受到外窗热工性能参数变化的影响[5]。

3太阳能光伏光热一体化系统

电池表面温度的升高会降低太阳能光伏电池的光电转换效率。太阳能光伏光热一体化系统是指在光伏电池正常工作时利用水冷或风冷的方式将电池工作产生的热量带走，一方面降低电池表面温度提高电池工作时光电转换效率，另一方面对被带走的热量加以利用得到额外的收益，达到光电热的高效利用。将太阳能光伏光热一体化系统与建筑物的围护结构窗户相结合，既可以改变通过窗户进入室内的热量，又可以利用太阳能电池发电，减少能耗节约能源[6]。

3.1 运行原理

太阳光照射到光伏电池板上，一部分太阳能转化为电能存储于蓄电池中，用于通电玻璃调光膜的使用，剩余被光伏电池板吸收的太阳能转化成热能导致其表面温度上升，通过自然通风散热降低电池板表面的温度，提高电池发电效率，增加电池板发电量，提高整体的综合效率。

3.2 太阳能电池

光伏装置是整个系统的核心部分，太阳能电池的电能储蓄与使用关系着整体的运行状况。太阳能电池根据晶体结构不同，可以分为单晶硅电池、多晶硅电池、薄膜太阳能电池和敏感涂层太阳能电池四种。单晶硅电池制作复杂但发电效率高，发电率为15%。多晶硅电池造价相对较低，但发电率也低，仅为12%。薄膜电池发电率低于晶体硅电池，早期仅为6%，目前略有提升。敏感涂层太阳能不支持长时间发电，不能用于长期供电的装置[3]。

太阳能辐射并不稳定，会随着季节、天气、时间的变化而变化，无法提供连续稳定的供能。蓄电池把剩余能量存储起来，使得在太阳能微弱的天气里，可以保证系统的稳定性，提高电能质量与可靠性。

3.3 新增价值

太阳能光伏光热系统将充分利用太阳能的辐射热和电池工作产生的热量，通过水冷技术带走热量，一方面降低电池表面温度，提高太阳能光伏电池的光电转换效率，另一方面对热量加以利用，将热量用于提高水温，提供建筑室内的热水供应。

4通电玻璃调光膜

通电玻璃将液晶调光膜牢固黏结在两片普通浮法玻璃之间利用了液晶的电致透射、散射现象，使得调光玻璃在通电状态下为透明玻璃状，断电状态下则透光而不透明，呈雾化状。在外窗上结合应用这种技术，进一步控制整体系统通过感应光照的强弱来影响电能转化的多少，进而调节通电玻璃调光膜雾化程度的大小，进而起到改变进入室内的光照强弱，改善室内光环境的舒适度，也起到了窗帘遮挡视线的作用，简化窗帘的安装使用。

5节能环保

近年来，国家越来越重视节约能源和环境保护，太阳能光伏发电将成为未来世界能源供应的主体。可再生能源在总能源结构的比重将不断提升，太阳能光伏发电在世界总电力供应的所占比重也将逐年攀升，太阳能光伏产业将有良好的发展前景和能源领域重要的战略地位。太阳能的应用前景非常广阔，而将太阳能与建筑外窗结合应用必将成为未来建筑节能首要重视的方面。建筑外窗为太阳能光伏光热系统提供足够的竖向面积，节约土地、节省构架，优化太阳能转化电能的方式，与建筑形成一体化。未来太阳能会有更多的更好的发展前景，随着太阳能与建筑外窗一体化研究的不断深入，将提供更完善的节能方式，最终实现建筑零能耗、零排放，为全世界节约资源和环境保护做出贡献。

6结束语

夏热冬冷地区，在一定条件下，建筑外窗通过结合太阳能光伏光热一体化系统，能够合理利用太阳能降低建筑能耗，提高可再生能源的利用率，降低不可再生能源的损耗。首先通过太阳能光伏光热系统将太阳能资源转化为电能存储起来，减少太阳辐射通过外窗进入建筑的热能，降低了建筑的能耗。然后将存储的电能用于通电玻璃调光膜所需的耗能，一方面改善太阳光的不稳定性对室内采光的影响，另一方面起到了遮挡视线的作用，“解放”窗帘。最后，整个系统形成一个有机整体，提高了太阳能的利用率，减少了由外窗引起的建筑能耗，起到了遮阳、隔热、遮视线的作用，将各功能进行了整合处理，提升系统的整体性能，减少不必要的损耗。

参考文献

[1] 付祥昭.夏热冬冷地区建筑节能技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2002：203.

[2] 姜波，刘长滨.建筑节能信息的收集与应用制度研究[J].建筑学报，2008，（9）：96-98.

[3] 赵志青.夏热冬冷地区建筑外立面光伏系统一体化设计研究[D].南昌：南昌大学，2014.

[4] 白莉，艾莉莉.住宅建筑外窗节能及对太阳能的合理利用[J].吉林建筑工程学院学报，2009，26（3）：79-82.

[5] 黄倞，刘士清，唐小虎，等.夏热冬冷地区办公建筑外窗热工性能及节能效果分析[J].建筑节能，2019，47（6）：88-92.

[6] 孙爱洲.窗式太阳能PV-T系统性能研究及优化[D].南京：南京理工大，2013.

作者简介

刘婷婷（1996-），女，浙江温州人;就读院校：温州大学，专业：建筑学，学历：本科在读。

苗家齐（1997-），男，内蒙古赤峰市人;就读院校：温州大学，专业：建筑学，学历：本科在读。