双层光伏窗室内光环境与建筑能耗研究及优化

作     者：高峰 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程远达;刘冲

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：半透明光伏窗 建筑净能耗 采光质量 窗墙比 动态百叶 运行模式 

摘      要：随着社会的发展与人居生活质量的提高,建筑能耗突出的问题日益显现。而作为建筑热工性能薄弱环节的透光围护结构,则成为了建筑节能的关键之一。半透明光伏窗系统将光伏组件与建筑透光围护结构相结合,在利用太阳能产生清洁电力的同时,还可以满足建筑采光、取景和美观等需求,具有主动节能的潜力和优势。但由于光伏外窗光热性能的特殊性,传统的白玻外窗建筑设计参数与遮阳设置并不完全适用于光伏外窗,仍有待进一步深入研究。因此,本文利用Grasshopper采光模拟平台与能耗模拟软件Energy Plus相耦合,对双层光伏窗建筑室内采光质量与建筑能耗进行了模拟研究:首先,搭建实验平台开展了光伏外窗室内采光视觉舒适度实验以及不同结构光伏外窗热电性能测试实验,并结合s DA与UDI指标,提出了建筑室内动态采光评价指标——s UDI;其次,利用典型气象条件下的室内水平面照度、光伏玻璃表面温度以及发电量的实验测量数据,验证了采光模型以及Energy Plus传热与发电模型的可靠性;在此基础上,结合不同气候地区的气象条件,模拟研究了建筑进深与窗墙比等设计参数对中空光伏窗采光与热电性能的影响;此外,为进一步提高采光质量,对内置动态百叶的中空光伏窗性能进行了模拟研究和参数优化;最后,从降低建筑净能耗的角度出发,研究了寒冷地区冬季工况不同运行模式双层光伏外窗对建筑节能特性的影响。本文的研究结论如下:（1）由于半透明非晶硅光伏外窗与普通白玻对太阳辐射可见光波段光谱选择性吸收的差异,使得不同外窗室内的色度等存在差异。因此,白玻室内天然光照度标准值并不适用于非晶硅光伏外窗。根据实验结果,确定了非晶硅光伏窗室内满足视觉舒适度要求的自然采光照度下限阙值400lx,并提出了建筑动态采光评价指标—s UDI。（2）通过中空光伏窗与中空玻璃窗对比研究发现,传统白玻外窗建筑的窗墙比设计值并不适用于光伏窗。因此,以改善室内采光质量与降低建筑净能耗为目标,模拟优化了不同气候条件下中空光伏窗建筑的进深与窗墙比。研究结果表明,当建筑进深为3m、4m、5m和6m时,夏热冬暖Ⅵ类光气候地区中空光伏窗的最佳窗墙比依次为40%、50%、50%以及60%;夏热冬冷V类光气候地区中空光伏窗建筑的最佳窗墙比分别为50%、60%与60%;寒冷地区Ⅲ类光气候的推荐窗墙比为30%、40%、50%以及60%。（3）对于以空调制冷负荷为主的厦门和成都地区,内置动态百叶中空光伏窗不仅显著减少了近窗处眩光区域,还有效降低了建筑净能耗;而以采暖需求为主的太原地区,内置动态百叶中空光伏窗可以明显改善室内采光质量,但同时也会导致建筑能耗略有增加。综合考虑室内自然采光质量的改善以及建筑净能耗的降低,厦门、成都以及太原地区内置动态百叶中空光伏窗的最佳倾角分别为60°、120°和90°。（4）在寒冷地区冬季工况下,按是否考虑建筑新风需求及新风负荷,分别推荐采用送风式和优化运行的双层光伏通风窗运行模式,可以在降低建筑采暖能耗的同时,提高光伏电池发电效率,减少建筑净能耗。本文的研究成果可为我国不同气候地区双层光伏窗建筑的设计应用提供设计依据与理论支撑。