半透明光伏外窗采光性能与综合节能潜力的研究及优化

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随着能源危机的到来,大力发展可再生能源成为当今社会的主旋律。光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic,BIPV)技术通过将太阳能利用与建筑围护结构相结合,实现清洁电力的生产以供建筑自身用电需求或并入公共电网,不仅避免了传输过程中的电力损失,也可以有效缓解电网的峰载负荷。半透明光伏外窗是一种典型的BIPV技术形式,可以在满足室内采光需求的前提下提高建筑的综合能效,被认为是实现绿色低碳建筑的有效途径。然而,现有研究更多地关注半透明光伏外窗的热工及发电性能,有关半透明光伏外窗建筑室内采光质量及综合能效的研究较少,相关认知还存在部分不足,有待进一步深入探讨。本文分别采用Daysim和EnergyPlus软件对半透明光伏窗的室内采光质量和建筑综合能效进行了模拟研究:通过典型气象条件下的室内采光照度实测数据验证了Daysim采光模型的可靠性,并结合全新的自然采光评价指标——N-Daylit区域,对半透明光伏窗建筑室内采光质量的动态变化进行了研究;采用EnergyPlus软件模拟研究了半透明光伏窗建筑全年的空调/采暖、照明能耗以及光伏系统发电量,并对半透明光伏窗的综合节能潜力进行了探讨。本文的主要研究内容包括以下两个部分:1)针对哈尔滨、太原、上海以及广州等四个城市不同的气候特征,分别研究了光伏电池覆盖率、建筑朝向以及窗墙比等设计参数对单层及双层半透明光伏窗采光性能与综合节能潜力的影响,并从改善室内采光质量和提升建筑综合能效的角度,对半透明光伏窗的设计参数进行了优化。2)在此基础上,本文对比分析了半透明光伏窗与普通玻璃窗、双层中空玻璃窗和Low-E中空玻璃窗的性能差异,进一步探讨了半透明光伏窗的应用前景和节能潜力。研究结果表明,相比于单层光伏窗,半透明双层光伏窗由于其良好的保温效果,其节能潜力更佳。在严寒地区城市哈尔滨,当半透明双层光伏窗的光伏电池覆盖率为20%、南向安装且建筑窗墙比为50%时,室内N-Daylit区域面积占比达到了69%,综合能耗相较于单层光伏窗减少了15.2%;寒冷地区城市太原,南向、30%窗墙比建筑采用光伏电池覆盖率为30%的半透明双层光伏窗室内N-Daylit区域面积占比达到了63%,综合能耗相较于单层光伏窗减少了10.9%;而在夏热冬冷地区城市上海和夏热冬暖地区城市广州,半透明双层光伏窗的节能效果不如哈尔滨和太原一般显著。双层光伏窗在上海地区(南向、40%窗墙比和30%光伏电池覆盖率)和在广州地区(北向、30%窗墙比和20%光伏电池覆盖率)应用时室内N-Daylit区域面积占比均超过了60%,而综合能耗仅比单层光伏窗减少了3.46%和3.32%。半透明双层光伏窗系统在以采暖能耗为主的哈尔滨和太原地区节能效果最佳。哈尔滨地区半透明双层光伏窗系统相比于普通玻璃窗、双层中空玻璃窗和Low-E中空玻璃窗综合能耗分别减少了27.8%、11%和15.8%,太原地区则分别减少了28.9%、17.1%和7.2%。而对于建筑能耗以制冷能耗为主的上海和广州而言,Low-E中空玻璃由于其较高的表面反射率和良好的隔热性能大大降低了建筑整体综合能耗,具有最佳的节能效果。本课题的研究成果可为不同气候区的光伏建筑设计提供一些理论支撑和设计参考,为光伏窗进一步的研究提供了一套具有实际操作价值的模型和方法。
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