综述：低能耗建筑用光伏光伏幕墙玻璃综述：先进集成与应用优化

《Energy》：A review of solar PV glazing for low-energy buildings: advanced integration and application optimization

　　

# 低能耗建筑用光伏光伏玻璃综述

## 摘要

作为一种极具前景的建筑一体化可再生能源，光伏光伏（PV）玻璃因兼具隔热保温、自然采光和发电功能而受到全球广泛关注，被视为重要的发展方向。在追求可持续发展的过程中，其在低能耗建筑中的应用至关重要，尤其是在高密度和高能耗的城市地区。本综述基于权威报告和学术研究，对适用于低能耗建筑的光伏光伏玻璃技术、与建筑的先进集成以及技术经济应用优化进行了最新全面概述。首先总结了各类光伏光伏玻璃技术的理论模型、实验测试和数值模拟，展示了半透明光伏玻璃、光伏双层玻璃、光伏真空玻璃以及采用自适应材料的光伏玻璃等显著技术进步。随后回顾了光伏光伏玻璃与空调系统、自然采光、建筑供电和热系统集成的技术效果和应用效果，讨论了其在低能耗建筑中的潜力与优势。此外，本文还重点从关键优化参数、优化目标及不同建筑类型下的优化方法等方面，对光伏光伏玻璃的优化问题进行了批判性分析。本综述对当前低能耗建筑光伏光伏玻璃技术的发展阶段和研究范围进行了最新评估，并展望了低能耗建筑实施的光明前景。它深入分析了光伏光伏玻璃在建筑中的应用，涵盖技术进步、集成方法和优化策略，为低能耗建筑提供了重要参考。

## 引言

21世纪，气候变化和世界能源危机是全球面临的最严峻挑战之一，其主要驱动因素是全球变暖。建筑业是关键贡献者之一，2023年消耗了约32%的终端总能源，并产生了34%的碳排放，这与快速城市化密切相关[1]。在中国，建筑与建筑行业在最近一年内排放了约51.3亿吨二氧化碳，占能源行业碳排放量的48.3%[2]。特别是中国"十五五"规划明确提出，要将既有建筑节能改造和碳减排作为优先事项，同时积极推进城市更新与绿色建筑发展的深度融合[3]。全球统计数据显示，目前全球超过一半的人口居住在城市，这些城市贡献了超过70%的年度碳排放和66.7%的全球能源消耗[4]。此外，受城市人口份额增长的推动，这一碳排放和能源消耗增长的趋势预计将持续，到2050年城市人口比例将达到近70%[4]。因此，应对城市能源危机已成为缓解其对全球可持续性日益加剧影响的首要任务。值得注意的是，利用可再生能源为城市建筑部门脱碳提供了一条可行途径。据报道，可再生能源占总能源供应的38%，代表2024年能源增长中最大的份额[5]。此外，根据最新统计数据，建筑领域可再生能源就业占比达到57%[6]。图1展示了2024年至2030年全球终端能源份额，表明可再生能源比例显著改善，太阳能份额翻倍[5]、[6]、[7]、[8]。未来，可再生能源的显著扩展将取代化石燃料，太阳能将成为这一变革的关键，尤其是在城市地区[9]、[10]。

在众多可再生能源中，太阳能光伏（PV）凭借其卓越优势备受关注，包括资源丰富[11]、[12]、可持续性强[13]、[14]、环境影响极小[15]、[16]以及可扩展性好[17]、[18]。根据最新统计数据[7]，截至2024年底，全球可再生能源总装机容量达到4448 GW，其中太阳能占比最大（42%），如图2所示。建筑用太阳能技术，如光伏板[19]和光伏玻璃[20]，已被广泛研究。光伏光伏玻璃既能提供隔热保温[21]、[22]，又能发电[23]、[24]，同时对自然光和可视性的影响有限[25]，使其成为建筑节能和环保技术，尤其适用于高密度和高能耗的城市地区[26]、[27]。通过对光伏光伏玻璃的结构和材料组成进行修改，其性能可以显著提升[28]、[29]。具体实例包括：光伏双层玻璃[30]和光伏真空玻璃[31]实现了隔热保温性能的显著改善，以及采用碲化镉（CdTe）[32]、[33]或钙钛矿[34]制造的光伏玻璃增强了发电能力。由于城市空间有限[35]以及节能减排的迫切需求[36]，将光伏玻璃与建筑集成至关重要，以实现最低能耗和碳排放。因此，对光伏光伏玻璃的先进集成和技术经济应用优化进行全面研究，对于开发低能耗建筑和实现显著的脱碳效益至关重要。

学术界已发表了一些光伏光伏玻璃的最新综述。例如，Batista等人从多层面设计视角总结了建筑一体化应用中的光伏玻璃，涵盖建筑、电气、组件和电池层面，重点聚焦于提升电气性能[37]。Bao等人研究了建筑一体化围护结构原型在过去几十年的实际应用，包括屋顶、不透光和半透明光伏玻璃以及遮阳设备[38]。Tahmasbi等人考察了采用自适应材料的光伏玻璃和光伏双层玻璃在建筑中的作用和影响，以及其实施技术和研究方法[39]。Chen等人讨论了建筑一体化光伏系统组合（屋顶、立面、玻璃和遮阳）的技术，并评估了影响建筑一体化光伏系统应用功能与设计的变量[40]。Zhou等人对光伏玻璃的被动影响进行了全面分析，考虑了光伏玻璃结构、周围气候和建筑使用情况的影响[41]。Aalloul等人对光伏玻璃的理论模型（热模型、电气模型、热电耦合模型）进行了深入研究，建议未来调查新技术、改进二极管模型并简化耦合系统[42]。Uddin等人概述了近年来光伏真空玻璃的结构、进展、热性能和前景[43]。Ta?er等人总结了影响近期建筑一体化光伏系统采光-热-能源性能的环境参数和光伏相关参数，回顾了现有研究并归纳了各变量的影响[44]。Bushra系统地回顾了光伏玻璃设计的参数化策略，按五个维度进行分类：范围、应用、技术、目标和实施方法[45]。Yu等人考察了不同配置光伏玻璃的采光-热-电气性能[46]。

表1概述了目前关于光伏光伏玻璃主题的综述文献。可以发现，很少有研究聚焦于对不同类型光伏玻璃技术（如光伏玻璃、光伏双层玻璃、光伏真空玻璃、采用自适应材料的光伏玻璃）在理论模型、实验测试和数值模拟方面面向低能耗建筑的全面总结。此外，在光伏玻璃技术与建筑单元（空调、自然采光、建筑供电、热系统）的先进集成方面，在低能耗运行方面的技术效果和应用效果上存在研究空白。此外，还应进一步探索光伏光伏玻璃的技术经济应用优化，考虑各种优化参数、优化目标、优化方法和建筑类型，以实现技术提升和经济节约。本综述提供了一份最新全面概述，其范围与贡献如下：

（1）概述了不同类型的光伏光伏玻璃技术，包括半透明光伏玻璃、光伏双层玻璃、光伏真空玻璃和采用自适应材料的光伏玻璃，从理论模型、实验测试和数值模拟方面总结了其在低能耗建筑中的应用。

（2）分析了光伏光伏玻璃与空调、自然采光、供电和热系统在低能耗建筑中的先进集成，在低能耗建筑的背景下讨论了旨在改善室内环境、提高能效和优化系统性能的技术进展和应用。

（3）进一步探讨了低能耗建筑光伏光伏玻璃的技术经济应用优化，涵盖优化参数、优化目标、优化方法和建筑类型，为光伏光伏玻璃在低能耗建筑中的应用提供了技术与经济目标的见解。

（4）确定了对低能耗建筑光伏光伏玻璃的深入展望，包括光伏玻璃技术的耦合理论模型、光伏玻璃集成中的随机不确定性考量、光伏玻璃优化的机器学习方法以及低能耗建筑的灵活可持续运行。

本研究的一般结构如图3所示。第2节回顾了光伏光伏玻璃技术的最新发展，涵盖半透明光伏玻璃、光伏双层玻璃、光伏真空玻璃和采用自适应材料的光伏玻璃的理论模型、实验测试和数值模拟。第3节总结了光伏光伏玻璃在低能耗建筑中集成的技术进展和应用，重点关注空调、自然采光、建筑供电和热系统。第4节探索了低能耗建筑光伏光伏玻璃的优化问题，从技术和经济目标角度出发，考虑优化参数、目标、方法和建筑类型。最后，第5节提出了低能耗建筑光伏光伏玻璃的潜在未来方向。本综述对低能耗建筑光伏光伏玻璃的研究范围和发展现状进行了当前评估，重点关注先进集成和应用优化。它明确指出了适用于低能耗建筑的光伏玻璃和潜在研究空白，旨在促进未来的技术进步和应用。本工作可以为相关领域未来对低能耗建筑光伏光伏玻璃的调查提供明确指导。

## 低能耗建筑光伏光伏玻璃技术

随着全球城市化加速，城市地区高密度和高能耗的建筑形式已成为能源消耗的集中中心。光伏光伏玻璃技术非常适合与建筑立面集成，为低能耗建筑提供了一种有前景的解决方案。与传统的屋顶光伏技术相比，建筑立面巨大的垂直表面积可有效用于清洁能源发电，显著提高了每单位面积的光伏玻璃发电输出。

## 低能耗建筑光伏光伏玻璃集成

光伏光伏玻璃使建筑围护结构能够实现光伏转换，在土地资源受限的条件下为现场可再生能源集成提供了一种可行途径。光伏玻璃技术与空调、自然采光、建筑供电和热系统的先进集成，其主要目的并非提高单个面板的转换效率或满足装饰功能，而是旨在从根本上重构建筑的能源体系。

## 低能耗建筑光伏光伏玻璃优化

在高层建筑应用中，光伏光伏玻璃的配置参数（如窗墙比和透光率）在采光、热性能和电气性能之间存在固有的权衡关系。单目标优化往往以牺牲整体建筑性能为代价。因此，需要进行多目标优化，以全面平衡能耗、室内视觉与热舒适度以及发电量，从而克服单目标优化的局限性。

## 结论与展望

光伏光伏玻璃是一种高效的节能技术，兼具采光、热能和电气功能，是低能耗建筑极具前景的可持续解决方案。本研究对低能耗建筑光伏光伏玻璃进行了全面且最新的综述，重点聚焦于光伏光伏玻璃技术、与建筑单元的先进集成以及技术经济应用优化。对理论模型、实验测试和数值……

## CRediT作者贡献声明

郑景云：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，资源，获取资金，数据整理，概念构思。

罗迪潜：正式分析，概念构思。

刘家：撰写——审稿与编辑，监督，方法论，获取资金。

吴辉军：监督，资源，获取资金。

黄佳龙：撰写——审稿与编辑，资源，方法论。

周为民：撰写初稿、研究方法、形式分析

利益冲突声明 ? 作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系有可能影响本论文报告的工作。

致谢

本研究描述的工作获得以下资金支持：中国国家自然科学基金（项目编号：52578118、52378092、5231101074）、广州市科技计划项目（项目编号：2025A03J3109、2025A04J4495）、中国广东省科学技术协会青年人才培养计划（编号：SKXRC2026608）。

郑景云、黄佳龙、周为民、刘佳、吴惠军、罗弟千

广州大学土木工程学院，中国广州