一种创新型动态建筑一体化光伏遮阳装置的性能集成仿真

《ENERGY AND BUILDINGS》：Building integrated performance simulation of an innovative dynamic BIPV shading device

　　•一种具有动态且可扩展叶片的创新型BIPV遮阳装置。•用于实现良好采光、有效遮阳以及光伏发电的自适应控制策略。•一种可用于动态BIPV立面系统仿真的可复制方法论。•针对米兰某办公模块的整栋建筑能源评估。•借助该光伏遮阳系统的动态功能实现了净零能耗目标。

引言
为实现近零能耗建筑的目标，利用可再生能源系统既是一项关键任务，也带来了机遇，无论是在新建筑的设计还是现有建筑的改造中都是如此。根据欧盟2010/31/EU指令的补充文件——欧盟指南244/2012，近零能耗建筑是指“具备极高能源性能的建筑，其所需能量极低，且大部分能源来自现场或附近的可再生能源”[1]。在这方面，只要不会影响建筑的功能性和效率，将光伏组件集成到建筑围护结构中（即BIPV）可发挥重要作用。虽然屋顶通常是集成光伏组件的最佳位置，但许多高层办公和住宅建筑由于屋顶表面积不足，无法安装足够的光伏组件以实现近零能耗目标。不过，这类建筑通常拥有大面积且易受阳光照射的立面。因此，将BIPV技术应用于立面系统具有重要意义，这有助于更大规模地实现净零能耗目标。在各种BIPV窗户和立面应用方案中，本研究聚焦于为大型透明立面专门设计的创新型外部遮阳装置的光伏集成技术。在这种情况下，将光伏组件集成到遮阳装置上，能够很好地兼顾遮阳需求与对太阳光的光伏利用。为此，该外部遮阳装置被设计出具有动态功能，以便更好地平衡有效的遮阳效果与采光需求。

目前，安装在立面上的BIPV产品仅占整个BIPV市场的20%[2]。这一限制源于多种原因，包括立面复杂的建筑功能需求，以及光伏组件可能出现的外部或相互间的部分遮挡问题。这就需要开发新的经济实用的技术解决方案以及适合集成到遮阳装置上的光伏材料，同时还需要改进仿真工具，以便在设计阶段就能准确评估这些系统的整体性能。

在回顾BIPV系统的现有发展状况时，我们首先会介绍一些关于现有技术及其在立面应用方面的研究，然后再探讨与遮阳装置上光伏应用相关的研究。对于后者，我们将重点关注如何模拟可移动的遮阳装置，以及其在部分遮挡条件下对建筑能源效率（如采光情况、供暖与制冷需求）以及光伏发电量的影响。

关于BIPV技术的现状，Jelle和Breivik在[3]中首次对市场上现有的产品进行了综述，介绍了用于屋顶、立面和窗户的光伏产品的发展成果。Ceron等人则进行了另一项相关研究，分析了当前专为光伏集成而设计的具有建筑功能的BIPV模块和光伏构造元件[4]。Biyik的最新研究则涵盖了BIPV及BIPVT应用领域的最新技术进展，强调了通过通风提高系统效率的方法——通过降低面板温度来提升发电量——以及适合建筑集成的新型薄膜技术[5]。

在半透明立面元素，如窗户和玻璃系统中的光伏集成方面，也存在着巨大的工业和市场兴趣。Wang研究了非晶硅半透明光伏隔热玻璃单元的整体能源性能[6]，而Romani则针对透明和半透明光伏系统提出了更为最新的研究综述[7]。在通风双皮肤立面这一特定应用领域，Agathokleous和Kalogirou研究了光伏组件与建筑立面之间的最佳空气间隙，考虑了机械通风和自然通风两种情况，同时指出针对后一种情况的研究相对较少[8]。Goncalves等人则在IDEAS建筑与区域能源仿真框架下，开发了一种多物理场BIPV模型，该模型将高精度的电气模型与基于物理原理的热流和气流模型相结合，并通过对带有自然通风功能的垂直光伏系统的实验验证，证明了该模型的有效性[9]。

当谈到遮阳装置上的光伏应用时，可能会出现两个建模问题：一是如何建模这些装置可能具有的动态功能，二是如何处理光伏电池所受到的部分遮挡效应。

在模拟动态立面组件方面，Clarke和Hensen率先概述了如何准确、快速地评估复杂程度不一的建成环境的多变量性能[10]。最近，De Vries在其博士论文中提出了一套非常全面的仿真工作流程，用于模拟不含光伏组件的自动遮阳装置的动态性能[11]。

在模拟部分遮挡条件下的BIPV性能方面，Drift开发了一种方法，用于评估并网建筑集成光伏系统的能量损失[12]。Nieto和Lopez则提出了一种计算BIPV系统中允许的最大能量损失的方法，该方法可在不同国家应用[13]。Shao研究了由于周围建筑物造成的部分遮挡现象对屋顶和立面上不同光伏配置的影响[14]。McCarty等人则基于现有文献，开发了一个框架，用于模拟立面不透明表面上的参数化BIPV阵列，该框架采用了能够描述光伏电池IV曲线的功率模型[15]。

在研究遮阳装置上的BIPV应用时，大多数研究都集中在静态组件的性能分析上。Yoo和Manz研究了一种作为建筑立面第二层覆盖结构的固定式光伏遮阳装置，并运用SOLCEL算法和计算流体动力学方法对其性能进行了建模[16]。Sun则通过简化的建筑仿真模型，分析了在不同条件下优化遮阳板伸出长度和窗户几何参数对光伏系统性能的影响[17]。Skandalos比较了不同BIPV应用方式的能源和采光性能，包括半透明光伏玻璃在窗户上的应用，以及水平百叶窗等静态遮阳装置的应用[18]。Marzouk则针对四种不同的倾斜角度（-15°、-20°、-25°和-30°），分别研究了不同朝向下的光伏遮阳装置性能，旨在实现采光、能耗和光伏发电之间的最佳平衡[19]。Akbari则研究了可按月调节的移动式光伏遮阳板，以优化其尺寸和倾斜角度[20]。Shi则对单层和多层办公建筑中集成光伏功能的遮阳装置进行了全面的能源仿真分析，其中包括供暖、制冷和照明需求方面的考量，但该研究仅考虑了水平或垂直方向的遮阳板倾斜角度，未考虑部分遮挡效应[21]。Ye等人则提出了一种多目标优化框架，旨在充分利用倾斜式光伏遮阳板的优势，同时最小化光伏组件面积，并确保在复杂的城市环境中能够获得足够的遮阳时间[22]。他们还采用基于GIS的时空分析与优化方法，对三种不同的光伏遮阳装置布置方案进行了研究：一是与水平地面平行布置，二是以当地纬度为倾斜角度布置，三是实时旋转，使光伏表面始终垂直于太阳辐射方向[23]。Nielsen则通过综合仿真，综合考虑了能源需求、室内空气质量、可用日光强度和视觉舒适度等因素，量化了动态太阳能遮阳立面组件的潜力。根据他们的研究，与固定式太阳能遮阳装置相比，动态遮阳装置能显著增加可用日光量[24]。这进一步凸显了在设计阶段就需要使用综合动态仿真工具来评估创新性BIPV解决方案性能的必要性。Jayathissa则研究了如何模拟动态BIPV系统的整体性能[24]。在他的仿真框架中，高精度的辐射度模型用于计算立面玻璃元件和光伏元件所接收的太阳辐射强度，同时还会考虑不同光伏组件之间的部分遮挡现象，从而计算出光伏发电量。透过窗户进入室内的剩余太阳辐射则会被纳入基于电阻-电容原理的建筑热力学模型中进行分析，而室内照度则通过简化后的总通量法进行计算。

尽管已有大量关于光伏遮阳装置的研究，但大多数研究仍局限于固定式或仅有间歇性调整功能的系统（例如按季节调整）。针对动态光伏遮阳解决方案的研究和方法仍然相当有限。例如，Jayathissa提出的用于动态BIPV遮阳装置的仿真方法虽然为性能评估提供了完整的解决方案，但由于其对建筑结构的描述采用的是集中参数模型，且室内照度计算也采用了简化过的总通量法，因此存在一定的局限性[24]。实际上，模拟自适应透明立面所带来的复杂性要求我们必须整合多种动态仿真工具，才能准确评估其对采光条件、建筑热平衡以及光伏发电量的影响。

因此，本研究的目的和创新点主要有两点：第一，研究一种创新的动态BIPV遮阳装置在帮助实现近零能耗目标方面的潜力，至少以米兰某办公模块为案例进行验证；第二，开发一种全面的方法论，用于准确模拟该遮阳装置的各项动态功能所带来的影响，该方法有望适用于不同气候条件和不同类型的建筑。其中，核心目标是评估该动态系统所采用的自适应控制策略，该策略需同时兼顾遮阳、采光和光伏发电功能。

这种创新型的BIPV遮阳装置采用可扩展且可旋转的遮阳板结构，每片遮阳板的两个翼部均由可滑动的叶片组成。在上层叶片的顶部则集成了薄型光伏电池/模块。由于这些遮阳板具有可扩展结构，因此它们之间的垂直距离可以比传统立面百叶系统大很多（几乎是其两倍）。这样，当遮阳板处于收起状态时，可以让更多阳光进入室内，满足采光需求；而当遮阳板展开时，则可根据实际需求实现有效的遮阳效果。

为了评估该BIPV系统的整体建筑能源性能，我们选择了位于意大利米兰的一处典型办公模块作为研究案例，该建筑的立面为朝南的透明结构。我们研究了不同窗墙比情况下的采光效果，并考察了该BIPV遮阳装置的不同适配能力。

该建筑所采用的复杂窗饰系统结合了光伏遮阳功能和玻璃窗功能。在该系统的预处理阶段，我们使用专门为这类系统开发的内部光学模型，推导出了该系统的双向散射分布函数[25]。该模型已通过与Window 6.3软件的对比验证，相关验证结果记录在[27]中。我们还使用EnergyPlus软件对办公模块的吸热量和热平衡情况进行了仿真[28]。为了更准确地评估室内采光强度，我们选择了成熟的Radiance软件进行计算，而非EnergyPlus中内置的简化版采光计算工具，后者的准确性已通过[30]中的研究得到验证。Radiance软件基于光线追踪技术，其“三阶段法”也已通过[31]中的研究得到验证。

因此，本研究采用的方法是基于免费提供的Building Controls Virtual Test Bed（BCVTB）软件的仿真实现功能，该软件能够动态结合EnergyPlus进行热性能计算，同时结合Radiance软件进行照度评估。特别是，该BIPV遮阳系统的控制策略——即决定遮阳板展开程度和倾斜角度的策略——也在BCVTB软件中得到了实现。在后续处理阶段，我们采用了经过[33]验证的简化模型来计算光伏发电量，该模型考虑了安装在遮阳板上的光伏组件之间可能存在的相互遮挡效应。最后，我们采用了净电能指标来评估该BIPV立面的整体能源性能，该系统可被视为一种智能能源系统。这一指标与[34]中提出的能源平衡指数类似，它同样考虑了供暖、制冷、照明需求以及光伏发电量等因素。

案例研究
本研究中所分析的BIPV遮阳装置是一种创新型动态百叶系统，其上集成了薄型光伏模块。我们设计了一项仿真案例研究，用以虚拟评估该装置的潜在性能。为此，选择了一种典型的办公建筑模块，其正面为朝南的透明立面。该立面配备了新型的动态BIPV遮阳装置以及带有低辐射涂层的隔热双层玻璃。作为对比，还使用了带有太阳控制功能的玻璃。为模拟BIPV立面的动态及综合性能，需要多种仿真工具。本研究中，使用EnergyPlus来模拟建筑的热环境，而Radiance则用于日光照明模拟。选择EnergyPlus是因为它是一款开放、应用广泛且经过验证的热平衡仿真软件，同时还能与复杂窗系统的输出数据相兼容。不过，在室内日光照明的精度方面还需进一步改进。

立面配置
针对该建筑案例研究，模拟了四种BIPV立面配置，这些配置考虑了不同的遮阳装置调节方式以及三种窗墙比（WWR）：50%、67%和100%。所有模拟的配置均列于表3中。在配置1和2中，遮阳板的倾斜角度固定为40度；而在配置3和4中，可调整遮阳板的倾斜角度以最大化光伏发电量（太阳能跟踪模式）。

结论
本研究旨在评估这种创新的动态BIPV遮阳装置的潜力，并建立一种可重复使用的方法，用以模拟其包括日光照明、热性能和光伏性能在内的各项动态特性。在该项研究中，位于米兰、正面朝南的办公建筑在所模拟的条件下实现了净零能耗目标，这证明了该动态系统的有效性，以及可再生能源之间可能存在的协同效应。

作者贡献声明
Alessandro Dama：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，指导，方法论，正式分析，概念设计。Cahyo Adisaputro：软件，方法论，研究，正式分析，数据整理。Emanuele Piccoli：验证，软件，方法论，研究。

利益冲突声明
作者声明没有可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系：无需声明。如果有其他作者，他们也声明自己没有可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

Alessandro Dama | Cahyo Adisaputro | Emanuele Piccoli