集成半透明光伏技术窗户的能效与结构特性对比分析

《Energy Strategy Reviews》：Comparative analysis of energy efficiency and structural properties of windows with integrated semitransparent photovoltaic technologies

　　

在寒冷气候区，对兼具高能效与清洁能源生产的先进窗户技术的需求，为评估四种不同的集成太阳能电池的半透明光伏窗户提供了契机。这些窗户采用了三种不同的太阳能电池材料（晶体硅、非晶硅和钙钛矿）。研究人员通过模拟模型研究了所有四种配置的能耗、室内热舒适度、日光利用和发电量。模型评估表明，采用非晶硅太阳能电池和双表皮幕墙的组合，虽然每年产生11.48兆瓦时的电能，但净节能为负值，达到-16.04兆瓦时/年。这一结果归因于相对于参考模型，建筑总能耗需求增加了27.52兆瓦时/年。非晶硅太阳能电池与双表皮幕墙的组合产生了11.5兆瓦时/年的电能，但也导致年度能耗净增25.1兆瓦时/年。同样，钙钛矿太阳能电池与中空玻璃单元的组合产生了15.3兆瓦时/年的电能，但净节能为-8兆瓦时/年。虽然这些特定配置有效缓解了夏季冷负荷，但由于在寒冷气候下被动式太阳得热的损失，它们显著加剧了冬季供暖需求。相比之下，晶体硅太阳能电池与真空玻璃的组合配置表现出卓越的性能，每年产生27.9兆瓦时的电能。尽管年度能耗需求仅边际增加0.6%，但该系统实现了23.9兆瓦时/年的显著净节能，使其成为发电和热效率方面最有效的解决方案。这些发现凸显了在优化建筑能效与可持续发电的同时，战略性平衡太阳得热、隔热和可见光透射率的至关重要性。

**论文解读：集成半透明光伏窗户在寒冷气候下的能效与结构特性研究**

**研究背景与问题**
建筑部门在全球能源消耗中占据显著份额，预计到2040年将增长30%。推动老旧、高能耗建筑向更节能的新技术转型势在必行。建筑一体化光伏与半透明太阳能电池的结合已成为最具吸引力的理念之一。然而，尽管可再生能源和能效提升等解决方案意义重大，但由于技术成熟度不足，其在市场中的应用仍受限。窗户对建筑能效至关重要，因其极大地影响着热交换和日光利用。早期研究表明，单层玻璃窗热损失显著，而传统双层玻璃单元则能提升热效率。先进窗户技术，如双表皮幕墙、真空玻璃和中空玻璃单元，在降低能耗和提升舒适度方面展现出巨大潜力。在寒冷气候区，供暖需求仍是主要的能耗需求，而半透明光伏系统不仅能通过隔热降低供暖需求，还能发电。然而，当前研究缺乏在统一模拟条件下，将不同代际的半透明光伏电池与现代窗户结构进行综合评估的探索。大多数先前研究要么聚焦于单一光伏技术，要么孤立地考察特定结构类型。此外，针对寒冷气候区大型体育场馆等建筑，同时考虑能耗与发电双重影响的综合性研究明显不足，这构成了当前文献中的一个重要空白。

**研究目的与方法**
本研究旨在通过模拟和比较四种集成了不同半透明太阳能电池与先进玻璃结构的窗户配置，以填补上述研究空白。具体配置包括：1) 晶体硅太阳能电池与中空玻璃单元结合；2) 晶体硅太阳能电池与真空玻璃结合；3) 非晶硅太阳能电池与双表皮幕墙结合；4) 非晶硅太阳能电池与中空玻璃单元结合。这些配置将针对一个标准化的参考建筑进行评估，该建筑包含一个经过优化的天窗区域，旨在平衡热损失、日光性能和半透明太阳能电池的发电能力。研究重点评估这些窗户配置对月度和年度供暖与冷负荷、日光驱动的照明需求以及光伏发电的影响。

研究方法采用系统化的测试流程，在干冷乡村条件下评估不同窗户系统中半透明太阳能电池的热电效率。主要步骤包括：基于环境条件和建筑设计选择典型结构；获取建筑规格和平面图以进行全面的热分析；进行建筑围护结构热分析并实施标准化程序；通过敏感性分析确定最佳窗墙比以最大化半透明太阳能电池的发电量；使用DesignBuilder工具对三种不同窗户结构与三种不同半透明太阳能电池技术组合后的性能进行系统测试。案例建筑位于伊朗加兹温省的一个村庄，属于寒冷干旱气候。研究首先对建筑围护结构进行标准化处理，以符合ASHRAE标准，降低各部件（外墙、屋顶、门、窗）的U值（整体传热系数）。选用的半透明太阳能电池代表了三代技术：第一代晶体硅、第二代非晶硅和第三代钙钛矿，其关键属性（效率、可见光透射率等）均有详细参数。窗户结构则评估了中空玻璃单元、真空玻璃和双表皮幕墙三种先进技术。模拟在DesignBuilder/EnergyPlus框架下进行，设定了统一的边界条件，包括基于体育设施热舒适标准的HVAC（供暖、通风与空调）系统设定、照明控制、内部负荷及 occupancy（人员占用）时间表等。性能评估指标包括净节能、热舒适度、日光性能以及基于能耗和发电量计算的CO₂排放。

**研究结果**
* **冬季分析**：所有半透明光伏集成模型在冬季均能维持稳定的热舒适度，运行温度与参考模型相当。其中，晶体硅+真空玻璃配置的隔热性能最佳，其供暖需求仅比基准线略微增加1%，同时相对于高窗墙比案例，窗户热损失降低了54%。非晶硅或钙钛矿与中空玻璃单元或双表皮幕墙的组合性能一致，但由于太阳得热总体较低，供暖需求增加了约4%。
* **夏季分析**：在夏季高峰热负荷期间，所有半透明光伏配置均比传统玻璃单元表现出更优的热调节能力。晶体硅+真空玻璃模型由于具有中等的太阳得热系数，其峰值冷负荷略高，但仍满足舒适标准。非晶硅和钙钛矿模型由于太阳得热系数较低，峰值冷负荷更低。钙钛矿+中空玻璃单元模型在夏季性能最佳，冷负荷极低，同时保持较高的可见光透射率。
* **年度性能分析**：集成窗户系统全年都能提供符合国际舒适标准阈值的室内空气温度和运行温度。晶体硅+真空玻璃窗户模型的不适小时数最低，年度供暖负荷需求与基准相当，并产生了最高的光伏发电量。非晶硅和钙钛矿替代方案的供暖负荷需求略高于基准，但显著降低了冷负荷需求。在太阳得热方面，晶体硅+真空玻璃模型具有近乎平衡的分布。低太阳得热系数方案降低了夏季冷负荷，但略微增加了冬季供暖负荷。照明需求方面，晶体硅+真空玻璃因透光率较低而需求较大，而钙钛矿+中空玻璃单元因高透光率导致照明能耗近乎为零。综合分析表明，晶体硅+真空玻璃在全年平衡性能方面最佳。
* **综合能源与环境评估**：晶体硅太阳能电池与真空玻璃的组合在运行需求与现场发电之间实现了最有效的平衡。该模型仅增加0.6%的能耗，却实现了23.9兆瓦时/年的净节能，表现最佳。其他模型则表现出不同程度的效益。从环境角度看，该模型使CO₂排放量较基准降低了约4%（每年12吨）。敏感性分析表明，天窗面积在180至220平方米之间时，能在发电与能耗之间达到最佳平衡。

**讨论与结论**
研究讨论部分强调了半透明光伏集成在寒冷气候区公共建筑中的战略意义，指出“最优”设计取决于项目战略优先级（如碳减排、视觉舒适标准、运行能耗成本）。研究承认了建模假设的局限性（例如双表皮幕墙模型未考虑空腔通风），但指出在统一假设下的相对比较仍然有效。研究结果为后续技术经济评估提供了定量基础，能够支持早期决策，特别是在公共部门项目中，投资决策常受减排效率驱动而非短期财务回报。

**研究结论**指出，在全球建筑节能与可持续建筑承诺的背景下，半透明光伏技术成为一种可行方案。本研究表明，在寒冷气候区成功部署建筑一体化光伏的主要要求是光学与热学参数的协调设计。在评估的半透明光伏配置中，晶体硅+真空玻璃提供了最佳结果，其额外能耗需求极低，年度节能显著，热舒适度改善，并能实现可测量的CO₂减排。其他配置在夏季负荷调节和日光性能改善方面也表现出显著效果。研究强调，实现半透明光伏成功集成的关键在于太阳得热系数、U值和可见光透射率的协调设计，这能使寒冷气候区建筑实现最佳能源性能并生产可再生电力。超越建筑尺度，本研究结果为公共建筑中半透明光伏的可扩展部署提供了政策相关见解，支持更高级别规划中的早期经济筛选，并有助于寒冷气候区分布式发电与能源转型的战略讨论。