绝缘通风型光伏真空玻璃系统的光热电特性研究

《Renewable Energy》：Investigation of the Photothermal–Electrical Characteristics of Insulated and Ventilated Photovoltaic Vacuum Glazing Systems

　　

钱如碧|秦进|曹萌|余忠奇

中国上海杨浦区四平路1239号同济大学建筑与城市规划学院，邮编200092

摘要

当前关于建筑能效的研究越来越重视被动式环境调控与综合能源生成。光伏真空玻璃兼具太阳光控制、发电及优异的隔热性能，被视为绿色建筑发展中的有力解决方案。然而现有研究缺乏对不同光伏真空玻璃配置的全面年度评估，导致对其光热电性能的理解不足。本研究在EnergyPlus中建立并通过实验验证了光伏真空玻璃系统的光热电耦合仿真框架。该框架基于传导传递函数法，整合了耦合传热、采光、光伏发电以及通风腔体模型，从而准确模拟光伏真空玻璃系统的动态热行为。以中国夏热冬冷气候区的某办公建筑为研究对象，进行了年度仿真分析，比较了不同朝向下绝缘型与通风型光伏真空玻璃的性能。此外，还建立了多目标优化框架以优化光伏真空玻璃的设计参数，系统量化了季节性热性能以及暖通能耗、照明需求、光伏输出和采光性能之间的权衡关系。光伏真空玻璃显著提升了采光质量，使平均有效日光照度提升了约30%。当窗墙比和电池覆盖比均为60%时，与传统双层玻璃相比，光伏真空玻璃可使净能量使用强度降低约40%，而朝西的通风型光伏真空玻璃的降低幅度最大，可达50.08%。

引言

随着能源消耗的持续增长，环境危机与能源安全问题日益凸显。2024年，中国民用建筑领域的能耗约为13亿吨标准煤当量，占全国总最终能耗的21.8%。由此产生的碳排放量为24.7亿吨二氧化碳，占中国能源相关碳排放量的22.1%[1]。因此，推动可再生能源与高效节能技术的发展已成为全球瞩目的重点。近年来，建筑一体化光伏技术在中国绿色建筑发展中逐渐成为主流方案。窗户对于决定室内热性能和采光质量起着关键作用[2]。光伏玻璃既能发电又能实现太阳光遮挡[3]，而真空玻璃则具备更出色的隔热性能[4]。将这两种技术相结合，光伏真空玻璃被视为推动低碳建筑发展的有力技术路径[5]。光伏真空玻璃系统有多种配置形式[6]，包括双层、三层和四层结构，这些结构可以是复合型、绝缘型或通风型。尽管四层光伏真空玻璃比双层和三层结构更重，但其隔热性能更好（金等人，2025；黄等人，2021），且层结构修改和更换的灵活性更高。因此，四层光伏真空玻璃仍是目前研究的主要对象。

以往的研究主要关注建筑能耗、热性能和采光性能，如表1所示。所报告的U值在0.23到2.3瓦·米^-2·开尔文^-1之间，这一数值主要受低辐射涂层和支撑柱等因素的影响[7][8]。太阳得热系数则在0.13到0.464之间，且深受电池覆盖比的影响[9]。邱等人[10]指出，非晶硅四层复合光伏真空玻璃的最大节能率为66.0%。除了热性能优势外，光伏真空玻璃还具有较高的显色指数，能有效提升室内采光质量[11][12]。现有研究表明，光伏真空玻璃能够在降低建筑能耗的同时，提升采光质量和视觉舒适度。为进一步增强光伏真空玻璃系统的隔热性能，人们还提出了通风型光伏真空玻璃方案[13]。不过，大多数研究仅聚焦于单一类型的光伏真空玻璃配置，而针对绝缘型与通风型光伏真空玻璃的系统性比较仍然较少。此外，现有的通风型光伏真空玻璃通常采用垂直立面开口设计，这可能在高层建筑中限制空气流动。

还有研究在五个具有代表性的气候区对四层绝缘型光伏真空玻璃进行了跨气候比较[14]，结果表明，在长沙、广州和昆明，朝西的此类玻璃性能最佳，而哈尔滨则更适合使用朝北的玻璃。现有的年度多朝向研究多集中在夏热冬暖地区或跨气候比较上，针对夏热冬冷地区办公建筑的研究则相对较少。虽然张等人[15]发现通风型光伏真空玻璃会加剧夏季散热问题并增加冬季热量损失，但这些相互矛盾效应之间的年度权衡关系尚未得到充分量化。此外，张等人的研究主要是对关键设计变量进行离散参数分析，而对光伏真空玻璃系统进行连续多目标优化的研究则相对较少。现有研究也多侧重于基于净能量的指标，这可能削弱对照明需求、暖通能耗和光伏发电之间平衡关系的理解。同时，关键设计参数之间的相互作用和替代效应也尚未得到充分探讨。

目前EnergyPlus软件中的窗户热平衡计算通常忽略玻璃系统的热容量，这限制了对瞬态热响应和表面温度的准确预测[16]。为解决这一问题，邱等人[17]采用了一种动态耦合方法，将MATLAB中的瞬态传热模型与EnergyPlus中的建筑能源模拟相结合，提升了三层光伏真空玻璃系统热性能模拟的准确性。不过，该框架主要关注热行为，缺乏采光分析，也未在真实天气条件下进行全尺度室外验证。现有研究大多依赖跨平台协同仿真方法，这类方法需要在不同软件平台之间频繁交换数据并同步参数，这增加了建模复杂性，还可能导致时间步不一致、边界条件不匹配以及误差传播等问题。

基于以上背景，本研究的贡献如下：

• 1.
  基于传导传递函数法和能量守恒原理，在统一的仿真环境中建立了经过实验验证的光热电模型，该模型能够更准确地反映光伏真空玻璃系统的热惯性及动态传热特性，且耦合一致性更高。
• 2.
  系统比较了四层绝缘型与通风型光伏真空玻璃的季节性传热机制，分析了这两种不同配置对建筑热负荷和光伏发电量的影响。
• 3.
  量化了夏热冬冷气候区办公建筑中，不同朝向下四层绝缘型与通风型光伏真空玻璃在制冷、供暖、照明和光伏发电方面的年度权衡关系。此外，还建立了多目标优化框架，分析关键设计参数之间的相互作用与替代效应，从而确定最优设计策略。

本研究为夏热冬冷地区办公建筑中绝缘型与通风型光伏真空玻璃的应用提供了实用的设计指导，同时也为光伏集成玻璃系统的整体设计与性能评估带来了新的见解。

章节节选

光伏真空玻璃系统设计

本研究探讨了四层绝缘型光伏真空玻璃系统与通风型光伏真空玻璃系统（见图1），这两种系统均旨在将光伏发电、隔热功能与采光功能集成到同一玻璃结构中。在两种系统中，外侧的光伏玻璃主要负责太阳光控制与发电，而内侧的真空玻璃则进一步提升隔热性能。

光伏玻璃是通过将3.2毫米厚的外侧透明导电氧化膜玻璃与3.2毫米厚的内侧玻璃层叠在一起而制成的

研究方法

如图2所示，本研究建立了一个集成仿真框架，用于评估光伏真空玻璃系统的传热、采光和发电等耦合行为。该框架包含等效传热模型、采光模型和光伏发电模型，可实现多维度性能评估。此外，还加入了通风腔体模型，以准确描述通风型光伏真空玻璃结构的熱行为。最初，需要分析其光学和热学特性

室外实验设置

如图3所示，实验装置尺寸一致，均设置在位于中国上海同济大学四平路校区的三层楼屋顶上（北纬31.4°，东经121.45°）。每个实验装置的宽度为1.6米，深度为1.3米，高度为2.0米，其结构由彩色涂层钢板包裹聚氨酯泡沫芯材的夹层保温板构成。通风型光伏真空玻璃系统和光伏真空玻璃系统的尺寸分别为1.2米（宽）×1.6米

模型参数设置

为全面评估中国夏热冬冷气候区办公建筑中光伏真空玻璃系统的节能效果，本研究以上海某典型的单周边办公单元作为案例研究对象。案例选择的理由详见补充说明4。气象数据取自中国标准气象数据集，如图8所示。制冷季为5月至9月，而供暖季则包括1月、2月以及

结论

本研究建立了光伏真空玻璃系统的光热电模型，并通过实验对其进行了验证，进而将该模型应用于评估夏热冬冷气候区不同朝向的办公建筑中四层绝缘型与通风型光伏真空玻璃系统的季节性性能。此外，还建立了多目标优化框架，以确定最优设计策略并分析关键设计参数之间的相互作用。研究结果表明，光伏真空玻璃系统不仅能降低建筑能耗

作者贡献说明

秦进：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，项目监督，项目管理，研究方法设计，资金获取，研究构思。钱如碧：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，结果可视化，模型验证，软件应用，研究方法设计，实验研究，数据分析，研究构思。余忠奇：资源提供，资金获取。曹萌：模型验证

利益声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52278039）以及同济建筑设计（集团）有限公司的研究经费支持（项目编号：2023J-JB04）。