半透明光伏玻璃窗對(duì)室內(nèi)負(fù)荷的影響

黃佳 李蘇瀧

南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能光伏建筑一體化受到了廣泛的關(guān)注。光伏組件與建筑結(jié)合，可作為建筑外窗玻璃、幕墻，能有效地利用建筑外表面進(jìn)行光伏發(fā)電，為建筑提供電能，同時(shí)還可以減少太陽(yáng)輻射。因此，近年來(lái)光伏組件與建筑結(jié)合的一體技術(shù)得到迅速發(fā)展。文獻(xiàn)[1]結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析了Low-e等幾種普通窗與不同構(gòu)造的光伏窗的全年能耗；文獻(xiàn)[2]調(diào)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(xiàn)[3]對(duì)我國(guó)5種不同氣候條件下的光伏雙層通風(fēng)玻璃幕墻（PV-DSF）和光伏中空通風(fēng)玻璃窗（PV-IGU）的綜合能量性能進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示在5個(gè)代表城市PV-IGU的節(jié)能性比PV-DSF的更好；文獻(xiàn)[4]結(jié)合實(shí)驗(yàn)，研究了香港地區(qū)普通單層面、自然通風(fēng)雙層窗、強(qiáng)迫通風(fēng)雙層窗對(duì)建筑得熱，降低空調(diào)負(fù)荷等的影響；文獻(xiàn)[5]模擬了雙層光伏窗在華東地區(qū)的熱性能，分析光伏窗在冬夏季對(duì)室內(nèi)得熱的影響；文獻(xiàn)[6]建立了光伏建筑一體化墻體的傳熱模型，并通過(guò)模擬得出光伏墻體可以減少夏季空調(diào)冷負(fù)荷。以上文獻(xiàn)對(duì)建筑得熱多以某一典型日進(jìn)行分析，本文以廣州地區(qū)典型辦公建筑為例，運(yùn)用建筑能耗分析軟件EnergyPlus對(duì)薄膜光伏玻璃和普通玻璃兩種窗戶進(jìn)行模擬，比較其對(duì)全年累計(jì)冷負(fù)荷的影響。

1 模型概況

本文模擬對(duì)象為廣州地區(qū)典型辦建筑，南北朝向，圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。人員密度設(shè)定為9 m2/人，照明強(qiáng)度為9 W/m2，設(shè)備功率密度為5 W/m2。夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26℃，新風(fēng)量為30 m3/(h·人)。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

光伏組件透光率低，可以有效減少外窗得熱，減少室內(nèi)冷負(fù)荷，但同時(shí)會(huì)引起光伏組件的溫升，不僅增加了窗戶對(duì)室內(nèi)傳熱，而且也會(huì)降低光伏板的發(fā)電效率。因此光伏窗通常設(shè)置為雙層，半透明光伏薄膜組件置于窗體外側(cè)，普通透明白玻璃位于窗體內(nèi)側(cè)，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(xué)參數(shù)

2 光伏玻璃窗與普通玻璃窗對(duì)室內(nèi)負(fù)荷的影響比較

本文運(yùn)用EnergyPlus軟件模擬研究了不同窗墻比對(duì)薄膜光伏玻璃和普通玻璃對(duì)室內(nèi)冷熱負(fù)荷的影響，模擬用室外氣象條件為當(dāng)?shù)氐湫蜌庀竽辍Ｏ募镜湫驮O(shè)計(jì)日為7月21日，天氣狀況為晴朗。

2.1 夏季室內(nèi)負(fù)荷分析

圖1為夏季典型設(shè)計(jì)日室內(nèi)14:00時(shí)的瞬時(shí)冷負(fù)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(gòu)造，室內(nèi)冷負(fù)荷值皆為上升趨勢(shì)，但與普通玻璃窗相比，光伏窗室內(nèi)負(fù)荷增長(zhǎng)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(yáng)輻射，減少室內(nèi)輻射得熱，從而顯著降低室內(nèi)冷負(fù)荷。廣州處于亞熱帶地區(qū)，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，采用透光率較低的光伏玻璃窗不僅不影響室內(nèi)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(guò)太陽(yáng)輻射直接引起的室內(nèi)冷負(fù)荷；另一部分為導(dǎo)熱得熱，由溫度較高于室內(nèi)空氣溫度的玻璃引起的室內(nèi)負(fù)荷。圖2比較了夏季典型設(shè)計(jì)日14:00時(shí)輻射得熱和導(dǎo)熱得熱在兩種玻璃窗的占比情況。普通玻璃窗對(duì)室內(nèi)負(fù)荷的影響基本均勻分布于輻射和導(dǎo)熱，兩者差距隨窗墻比的增加而增加，形成室內(nèi)負(fù)荷以輻射為主的趨勢(shì)；而光伏玻璃窗卻完全以導(dǎo)熱為主，太陽(yáng)輻射只占室內(nèi)負(fù)荷的1%左右，導(dǎo)熱傳熱量隨窗墻比的增加，由占室內(nèi)負(fù)荷7%增加到48%，幾乎成為室內(nèi)負(fù)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(fā)電的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的溫升，從而導(dǎo)致窗戶本身溫度較高，其中一部分是對(duì)室外傳熱，另一部分會(huì)直接通過(guò)窗戶導(dǎo)熱進(jìn)入室內(nèi)。

圖1 夏季典型設(shè)計(jì)日14:00室內(nèi)冷負(fù)荷

圖2 窗戶得熱量占比分布

2.2 制冷周期的月累積負(fù)荷分析

考慮到建筑立面的美觀，現(xiàn)在越來(lái)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(shí)兩種窗戶在制冷周期內(nèi)的月累積負(fù)荷，其中0.7窗墻比的建筑模型可視為將南面外墻設(shè)計(jì)為玻璃幕墻。結(jié)果表明，光伏玻璃外窗房間室內(nèi)月累積負(fù)荷都要明顯低于普通玻璃外窗房間負(fù)荷，當(dāng)窗墻比為0.1時(shí)，基本可視為普通建筑對(duì)窗戶的要求，可以看出光伏外墻房間累積負(fù)荷平均要低于普通窗10%左右；當(dāng)窗墻比為0.7（玻璃幕墻）時(shí)，光伏玻璃外墻的節(jié)能效果顯著，其中10月和11月，相對(duì)于普通外窗，光伏窗室內(nèi)負(fù)荷減少了45%，而其他月份，除4月外，基本也減少了30%負(fù)荷，表明當(dāng)窗墻比增大時(shí)，光伏外窗的節(jié)能效果愈加顯著。因此，對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)的玻璃幕墻建筑，制冷周期較長(zhǎng)，采用光伏玻璃窗不但可以有效利用外窗發(fā)電，還可大幅減少室內(nèi)負(fù)荷，節(jié)能效果顯著。

圖3 窗墻比為0.1時(shí)月累積冷負(fù)荷

圖4 窗墻比為0.7時(shí)月累積冷負(fù)荷

2.3 全年累積負(fù)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(jì)冷負(fù)荷。結(jié)果顯示，隨窗墻比的增大，光伏窗的節(jié)能效益就愈顯著；窗墻比為0.1時(shí)，相比普通玻璃窗，雙層光伏窗可以減少室內(nèi)12%的空調(diào)負(fù)荷，當(dāng)窗墻比為0.9時(shí)，光伏窗建筑全年累積負(fù)荷僅為普通玻璃窗建筑的58%。采用光伏外窗，使累計(jì)冷負(fù)荷和供冷能耗均得以減少。

建筑能耗不僅與其負(fù)荷相關(guān)，也與空調(diào)系統(tǒng)的能源利用效率有關(guān)。如果忽略空調(diào)系統(tǒng)COP在供冷周期內(nèi)的變化，供冷的節(jié)能率與累計(jì)冷負(fù)荷的相對(duì)減少率應(yīng)大致相等。因此，對(duì)于使用玻璃幕墻的建筑，添加光伏組件對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能很有意義。

圖5 全年累積冷負(fù)荷比較

3 中間空氣層通風(fēng)對(duì)室內(nèi)負(fù)荷的影響

為了提高光伏外窗的能源利用效率，對(duì)空氣腔可設(shè)置通風(fēng)以冷卻光伏組件溫度，減少室內(nèi)得熱?？涨恢锌諝庋h(huán)方式一般有兩種形式，室內(nèi)循環(huán)與室外循環(huán)，如圖6所示。由于模擬地區(qū)為廣州，屬于亞熱帶地區(qū)，若使用室內(nèi)循環(huán)，雖然有效的降低光伏組件背面溫度，但會(huì)直接將這部分熱量引入室內(nèi)，室內(nèi)窗戶附近空氣溫度升高，增大室內(nèi)冷負(fù)荷，同時(shí)導(dǎo)致室內(nèi)溫度存在分區(qū)，影響舒適度。因此，對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)，選用室外循環(huán)不僅能降低光伏組件溫度，還能減少對(duì)室內(nèi)傳熱，達(dá)到降低室內(nèi)冷負(fù)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(dǎo)熱層，這樣薄膜光伏窗戶傳熱過(guò)程可以分為兩部分：光伏窗戶的導(dǎo)熱傳熱，包括光伏窗戶內(nèi)外表面與室內(nèi)外環(huán)境以導(dǎo)熱、對(duì)流形式進(jìn)行的傳熱；光伏窗戶輻射傳熱，為透過(guò)光伏窗戶的太陽(yáng)輻射引起的室內(nèi)得熱。

圖6 空氣夾層的兩種形式（室內(nèi)循環(huán)/室外循環(huán)）

3.1 自然通風(fēng)空氣層寬度對(duì)負(fù)荷的影響

通風(fēng)可以加強(qiáng)光伏板對(duì)外散熱，降低光伏板溫度和室內(nèi)冷負(fù)荷，同時(shí)也有利于提高光伏發(fā)電的效率。空氣腔寬度的變化對(duì)于室內(nèi)冷負(fù)荷有一定的影響[6]，本文擬對(duì)此進(jìn)行定量研究。由于空氣層寬度變化相對(duì)較小，除窗戶傳熱以外，對(duì)室內(nèi)其他負(fù)荷變化的影響幾乎可以忽略，因此，此處只分析光伏窗的導(dǎo)熱量和全年累積負(fù)荷的變化。

圖7給出了三種不同窗墻比建筑的窗戶導(dǎo)熱隨空氣層寬度變化的情況。當(dāng)窗墻比較小時(shí)，改變空氣腔寬度，對(duì)傳熱無(wú)明顯影響。而當(dāng)窗墻比較大時(shí)，空氣層增加到20 mm后，傳熱量基本無(wú)變化，說(shuō)明對(duì)于大面積的光伏窗，增加空氣寬度只在一定的范圍內(nèi)才能有效減少室內(nèi)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(fù)荷。由圖可見(jiàn)，對(duì)于小窗墻比的建筑，改變空氣層寬度對(duì)全年負(fù)荷無(wú)明顯影響，故小面積的光伏窗空氣層寬度不宜超過(guò)20 mm；大窗墻比情況下，其寬度也不宜超過(guò)40 mm，以避免浪費(fèi)空間。

圖7 通風(fēng)通道對(duì)窗戶導(dǎo)熱的影響

圖8 通風(fēng)通道全年累積負(fù)荷的影響

3.2 機(jī)械通風(fēng)對(duì)室內(nèi)冷負(fù)荷的影響

自然通風(fēng)可以減少室內(nèi)負(fù)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(dǎo)熱隨空氣層流量變化的情況。結(jié)果顯示，對(duì)于不同窗墻比的光伏窗，采用機(jī)械通風(fēng)的方式增大通風(fēng)量，都可以有效增加光伏窗的對(duì)外散熱，降低室內(nèi)得熱；尤其是對(duì)于較大窗墻比的光伏窗，采用機(jī)械通風(fēng)的效果更加顯著。但是，當(dāng)單位窗戶寬度的通風(fēng)量達(dá)到0.03 m3/(s·m)后，繼續(xù)增加對(duì)室內(nèi)得熱無(wú)明顯影響。圖10為三種不同窗墻比建筑全年累積負(fù)荷隨通風(fēng)量的變化，對(duì)于0.1窗墻比的建筑隨著通風(fēng)量的增加，全年累積負(fù)荷基本無(wú)變化，因此對(duì)于小窗墻比的光伏窗，采用自然通風(fēng)即可。對(duì)于窗墻比為0.7的建筑，當(dāng)通風(fēng)量增加到0.01 m3/(s·m)時(shí)，全年累積負(fù)荷減少22%，但繼續(xù)增加通風(fēng)量對(duì)降低全年累積負(fù)荷無(wú)顯著效果，故對(duì)于較大窗墻比建筑，機(jī)械通風(fēng)量不宜超過(guò)0.01 m3/(s·m)，避免機(jī)械能不必要的消耗。

圖9 空氣層流量對(duì)窗戶傳熱的影響

圖10 空氣層流量全年累積負(fù)荷的影響

4 結(jié)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(nèi)負(fù)荷；而且窗墻比越大，節(jié)能效果越明顯。當(dāng)窗墻比為0.7時(shí)，全年累積負(fù)荷可減少34%。

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

3）雙層光伏窗添加機(jī)械通風(fēng)可以顯著降低室內(nèi)負(fù)荷，降低全年能耗，但機(jī)械通風(fēng)適用于外窗面積較大的建筑，而且通風(fēng)量不宜超過(guò)0.01 m3/(s·m)，過(guò)量的機(jī)械通風(fēng)不僅不能進(jìn)一步減少室內(nèi)負(fù)荷，還會(huì)造成風(fēng)機(jī)能耗的浪費(fèi)。

4）采用雙層光伏窗，雖然在實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的同時(shí)，大幅度降低了空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷和能耗，但將帶來(lái)初投資增加等問(wèn)題。