《Energy and Buildings》：Performance evaluation of building-integrated photovoltaic windows with triple-glazing: Summer assessment in cold climate
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研究針對(duì)CdTe三玻光伏窗（TPV）與低輻射三玻窗（TLE）的熱性能及發(fā)電效能開(kāi)展三個(gè)月夏季戶(hù)外監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)TPV在減少熱增益（4.43 kWh/m2）及提升發(fā)電量（3.38%平均效率）方面優(yōu)于TLE，綜合節(jié)能率達(dá)32.4%，且 occupant 活動(dòng)通過(guò)空調(diào)使用影響SHGC 14.81%，為建筑光伏一體化提供數(shù)據(jù)支持。
徐春文|田新濤|楊如梅|宋莎莎|韓飛|孔德峰|張葉琳
中國(guó)石油大學(xué)（華東）管道與土木工程學(xué)院，青島266580，中國(guó)
摘要
本研究開(kāi)展了一項(xiàng)為期三個(gè)月的戶(hù)外監(jiān)測(cè)活動(dòng)，旨在評(píng)估CdTe三玻光伏（TPV）窗戶(hù)在真實(shí)夏季條件下的太陽(yáng)能管理性能，并將其與配置相似的高性能三玻Low-E（TLE）窗戶(hù)進(jìn)行比較。研究評(píng)估了光伏熱性能、發(fā)電量、能源效率、日光利用指標(biāo)以及人員占用對(duì)TPV性能的影響。主要發(fā)現(xiàn)表明，TPV系統(tǒng)的熱調(diào)節(jié)性能與TLE系統(tǒng)相當(dāng)，同時(shí)還具有發(fā)電的額外優(yōu)勢(shì)。在無(wú)人居住的情況下，TPV在減少太陽(yáng)得熱方面表現(xiàn)更優(yōu)，在53個(gè)無(wú)人居住的日子里，其得熱量減少了4.43 kWh/m2，散熱量增加了3.75 kWh/m2，從而使得室內(nèi)溫度降低了2°C。人員占用通過(guò)使用空調(diào)系統(tǒng)改變了TPV的熱特性，使太陽(yáng)得熱系數(shù)（SHGC）增加了14.81%。在整個(gè)三個(gè)月期間，TPV系統(tǒng)共發(fā)電8.1 kWh/m2，平均效率為3.38%，這與太陽(yáng)輻照度有很強(qiáng)的相關(guān)性。結(jié)合熱調(diào)節(jié)和發(fā)電功能，TPV相比當(dāng)前的TLE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了32.4%的總體節(jié)能率，9月份這一比例達(dá)到了46.73%，其中減少的得熱貢獻(xiàn)了超過(guò)50%的節(jié)能效果，同時(shí)仍保持了高于規(guī)范要求的充足日光。這種性能歸因于通過(guò)遮陽(yáng)和發(fā)電實(shí)現(xiàn)的有效太陽(yáng)能管理。本研究為優(yōu)化光伏窗戶(hù)系統(tǒng)在建筑中的集成和應(yīng)用提供了寶貴的實(shí)際數(shù)據(jù)和見(jiàn)解。
引言
建筑節(jié)能對(duì)全球可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)到2050年全球建筑能源需求將激增至160 EJ [1]。最近的研究進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中實(shí)施被動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)和先進(jìn)熱管理系統(tǒng)的緊迫性，以實(shí)現(xiàn)這些挑戰(zhàn)性目標(biāo) [2]。在建筑節(jié)能中，透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)起著重要作用，而窗戶(hù)能源優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)建筑能源效率和綠色建筑目標(biāo)的關(guān)鍵 [3],[4]。該領(lǐng)域的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是提高玻璃系統(tǒng)的熱絕緣性能 [5],[6],[7],[8],[9]。特別是三玻窗戶(hù)由于其優(yōu)越的絕緣性能，正成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) [10]。
與此同時(shí)，光伏（PV）玻璃也因其節(jié)能和發(fā)電的雙重效益而受到關(guān)注 [11],[12],[13]。目前市場(chǎng)上的光伏電池可以分為三代。其中，第一代（晶體硅）和第二代（碲化鎘、銅銦硒化物和非晶硅）已應(yīng)用于附著式光伏（BAPV）和集成式光伏（BIPV），而第三代（染料敏化太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、有機(jī)光伏）正在探索其應(yīng)用潛力 [14]。Kumar等人 [15] 在馬來(lái)西亞比較了晶體硅、CdTe和銅銦硒化物應(yīng)用于BAPV和BIPV時(shí)的性能，并通過(guò)能量產(chǎn)量、產(chǎn)量系數(shù)、容量利用率、性能比和損耗等方面進(jìn)行了定量對(duì)比。結(jié)果表明，CdTe在這兩種結(jié)構(gòu)中的性能最佳。表1總結(jié)了一些關(guān)于CdTe/半透明光伏（STPV）技術(shù)的最新研究，比較了不同玻璃系統(tǒng)的集成配置、研究方法、目標(biāo)和性能結(jié)果。BIPV窗戶(hù)可以在翻新或新建建筑的整體節(jié)能性能中發(fā)揮作用，它們可以控制進(jìn)入建筑內(nèi)部的日光和太陽(yáng)能。STPV窗戶(hù)作為BIPV的一種實(shí)現(xiàn)方式，可能是實(shí)現(xiàn)窗戶(hù)相關(guān)節(jié)能目標(biāo)的有效手段 [16]。
雖然單層光伏窗戶(hù)的U值較高，無(wú)法滿(mǎn)足高熱絕緣要求 [17],[18]，但將光伏玻璃與雙層玻璃結(jié)合使用顯示出有希望的結(jié)果 [19]。研究表明，光伏雙層窗戶(hù)相比單層光伏窗戶(hù)顯著減少了得熱量，同時(shí)提供了更好的熱舒適度 [20]。隨著能源效率標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格和雙層窗戶(hù)的普及，三層窗戶(hù)受到了更多關(guān)注，一些歐洲國(guó)家要求在建筑中使用這種窗戶(hù) [21]。因此，將光伏技術(shù)與三層窗戶(hù)結(jié)合使用為建筑節(jié)能提供了一種新的解決方案。這種組合在保持優(yōu)異的熱絕緣性能的同時(shí)，利用了光伏玻璃的獨(dú)特特性，為建筑節(jié)能提供了新的方法。
基于STPV窗戶(hù)的進(jìn)步，當(dāng)前的研究重點(diǎn)關(guān)注其熱性能、光學(xué)性能、節(jié)能潛力、發(fā)電能力以及室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，包括熱舒適度、日光利用和視覺(jué)舒適度。在各種氣候區(qū)進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)和模擬研究，以評(píng)估不同的STPV窗戶(hù)配置，如光伏雙層通風(fēng)窗戶(hù)、真空光伏玻璃和中空光伏真空玻璃（表1）。研究表明，STPV窗戶(hù)可以減少得熱量，提供遮陽(yáng)效果，從而降低冷卻負(fù)荷 [22],[23],[24]，顯示出在太陽(yáng)得熱控制、熱絕緣、節(jié)能和室內(nèi)舒適度方面的潛在優(yōu)勢(shì)。例如，Tan等人 [25] 開(kāi)發(fā)了一種真空STPV窗戶(hù)，與普通雙層窗戶(hù)相比，年得熱量和損失減少了60%。同樣，Alrashidi等人 [26] 發(fā)現(xiàn)，基于CdTe的半透明光伏玻璃在低透明度下可以將太陽(yáng)得熱量減少96%，并使室內(nèi)溫度降低23.2%。盡管這些結(jié)果很有前景，但對(duì)現(xiàn)有研究的批判性回顧揭示了以下局限性：
•關(guān)于光伏技術(shù)與三層窗戶(hù)系統(tǒng)集成方面的綜合研究存在顯著空白。雖然真空玻璃提供了更好的熱絕緣性能，但隨著能源效率標(biāo)準(zhǔn)的提高，三層窗戶(hù)代表了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，但其實(shí)際應(yīng)用范圍仍需進(jìn)一步探索。
•目前該領(lǐng)域的大多數(shù)研究主要依賴(lài)于數(shù)值模擬或僅持續(xù)幾天的短期實(shí)驗(yàn)（表1），缺乏長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證模擬的可靠性，并捕捉這些系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的真實(shí)性能和耐久性。
•比較研究通常使用單層或雙層窗戶(hù)作為參考點(diǎn)。然而，由于三層Low-E玻璃代表了高性能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，直接與這些先進(jìn)玻璃技術(shù)進(jìn)行比較對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估光伏窗戶(hù)的相對(duì)節(jié)能潛力至關(guān)重要。
•缺乏考慮實(shí)際人員活動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能影響的研究。這種忽視忽略了人類(lèi)行為與建筑能源系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)相互作用，可能導(dǎo)致理論節(jié)能效果與實(shí)際節(jié)能效果之間的差異。
基于當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，本研究以中國(guó)北方的一棟典型建筑為例，圍繞以下目標(biāo)開(kāi)展研究：（1）進(jìn)行為期三個(gè)月的夏季戶(hù)外監(jiān)測(cè)，比較CdTe三玻光伏窗戶(hù)（TPV）與高性能三層Low-E窗戶(hù)（TLE）的長(zhǎng)期光伏熱傳遞特性，并量化人員活動(dòng)對(duì)TPV性能的影響；（2）描述和分析中國(guó)寒冷地區(qū)整個(gè)夏季TPV的發(fā)電特性；（3）評(píng)估寒冷地區(qū)夏季TPV的整體能源性能，結(jié)合熱性能和電性能來(lái)評(píng)估其綜合節(jié)能潛力。
本研究的新穎性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
(1)針對(duì)由于能源效率標(biāo)準(zhǔn)提高而推動(dòng)的三層窗戶(hù)系統(tǒng)的日益普及，本研究開(kāi)發(fā)了CdTe三玻光伏窗戶(hù)，其熱絕緣性能優(yōu)于雙層光伏窗戶(hù)，成本效益也優(yōu)于真空光伏玻璃。為期三個(gè)月的夏季綜合監(jiān)測(cè)將這一系統(tǒng)與高性能三層Low-E窗戶(hù)進(jìn)行了對(duì)比，提供了針對(duì)未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)玻璃技術(shù)的關(guān)鍵性能評(píng)估。
(2)量化實(shí)際占用影響：與以往僅關(guān)注理想實(shí)驗(yàn)室條件或短期測(cè)量的研究不同，本研究量化了實(shí)際占用在整個(gè)冷卻季節(jié)對(duì)CdTe三玻光伏窗戶(hù)性能的影響，為實(shí)際應(yīng)用提供了重要見(jiàn)解。
實(shí)驗(yàn)設(shè)置
為了研究光伏玻璃與三層窗戶(hù)結(jié)合的光伏熱傳遞特性和夏季能源性能，制造并安裝了CdTe三玻光伏（TPV）窗戶(hù)在一個(gè)實(shí)際建筑中。設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估其性能與配置相似的高性能三層Low-E（TLE）窗戶(hù)的性能。圖1顯示了玻璃結(jié)構(gòu)和框架組裝以及系統(tǒng)示意圖。
窗戶(hù)區(qū)域照度和有用日光評(píng)估
日光利用性能是確定光伏玻璃是否適合建筑應(yīng)用的關(guān)鍵因素。在四個(gè)代表性日子（兩個(gè)晴天和兩個(gè)陰天）的8:00至17:00期間，在窗戶(hù)附近位置進(jìn)行了室內(nèi)照度測(cè)量，以大致評(píng)估TPV系統(tǒng)的日光利用性能。在晴朗條件下，TPV房間內(nèi)的測(cè)試點(diǎn)平均照度為1.22 klx，而TLE房間內(nèi)的照度為2.54 klx。
結(jié)論
為了定量評(píng)估CdTe三玻光伏（TPV）窗戶(hù)在真實(shí)夏季條件下的長(zhǎng)期光伏熱性能、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率和能源性能，本研究進(jìn)行了為期三個(gè)月的戶(hù)外監(jiān)測(cè)活動(dòng)。將TPV窗戶(hù)的性能與三層Low-E（TLE）窗戶(hù)進(jìn)行了比較，提供了有關(guān)它們相對(duì)優(yōu)勢(shì)的寶貴見(jiàn)解。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
徐春文：撰寫(xiě) – 審稿與編輯，撰寫(xiě) – 原稿，監(jiān)督，項(xiàng)目管理，資金獲取。田新濤：撰寫(xiě) – 原稿，調(diào)查，正式分析，數(shù)據(jù)管理。楊如梅：撰寫(xiě) – 原稿，正式分析，數(shù)據(jù)管理。宋莎莎：驗(yàn)證，方法論，資金獲取。韓飛：撰寫(xiě) – 審稿與編輯，項(xiàng)目管理，方法論。孔德峰：項(xiàng)目管理，方法論，數(shù)據(jù)管理，概念化。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒(méi)有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
作者感謝“青島新型PCM與光伏多功能幕墻專(zhuān)家工作站”的支持。該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52278131、52408140、52570232）、CPSF的博士后獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃（GZC20242011）以及中國(guó)石油大學(xué)（華東）的種子基金（24CX06007A）的財(cái)政支持。
