半透明光伏組件在BIPV中的優(yōu)化應(yīng)用研究

摘 要：因半透明光伏組件能夠同時實現(xiàn)光伏發(fā)電和保持透光性，其在現(xiàn)代綠色建筑中的應(yīng)用潛力被廣泛認(rèn)可。采用數(shù)值模擬方法，基于半透明光伏組件在實際光伏建筑一體化（BIPV）項目中的適用性研究，進一步分析了其在滿足建筑用能和采光質(zhì)量條件下的優(yōu)化應(yīng)用。研究結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計對改善建筑室內(nèi)光環(huán)境和提升節(jié)能降碳效益具有積極影響，并確認(rèn)了合理優(yōu)化采光分布的重要性。研究結(jié)果為半透明光伏組件在BIPV中的應(yīng)用提供了實用的設(shè)計策略和實踐參考。

關(guān)鍵詞：光伏建筑一體化；半透明光伏組件；綠色建筑；建筑碳排放；自然采光

中圖分類號：TM615 文獻標(biāo)志碼：A

0" 引言

據(jù)統(tǒng)計，2020年中國建筑在使用過程中的能耗總量高達10.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，占全國能源消耗總量的21.3%；碳排放量達到21.6億t，占全國碳排放總量的21.7%[1]。中國為如期實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，控制建筑領(lǐng)域的碳排放尤為關(guān)鍵。在此背景下，發(fā)展光伏建筑一體化（BIPV）技術(shù)是一種極具潛力的建筑節(jié)能減碳途徑。而半透明光伏組件兼具發(fā)電性和透光性，與BIPV的理念高度契合。

目前，半透明光伏組件的研究主要集中在材料研發(fā)和電極制備技術(shù)方面，以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）與平均可見光透過率（average visible light transmittance，AVT）之間的平衡，并提升光學(xué)效率（luminous efficiency，LUE，其值為PCE與AVT的乘積）。2020年，Liu等[2]利用光學(xué)剪裁方法制備了半透明有機太陽電池（ST-OSC），此類太陽電池在AVT達到50%的同時，仍可保證PCE達到9.8%；2022年，Huang等[3]利用分子量調(diào)的順序沉積方法，使半透明有機太陽電池的LUE突破了5%；同年，Wu等[4]針對半透明鈣鈦礦太陽電池（ST-PSC）中光學(xué)損耗和光生載流子損耗問題，提出了有效的光子傳播管理措施和載流子動力學(xué)調(diào)控策略，并對其商業(yè)價值進行分析。

上述研究表明，半透明光伏組件已具備投入商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)條件。盡管如此，在實際應(yīng)用中仍需考慮建筑所需的光伏組件的PCE與AVT的平衡問題，這要求將實驗室成果與具體的建筑項目相結(jié)合進行更深入的實踐研究。基于此，本文采用數(shù)值模擬方法，根據(jù)采光分布提出兩種半透明光伏組件在BIPV中應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計方案，分析優(yōu)化效果，并研究半透明光伏組件對室內(nèi)眩光環(huán)境的影響；通過對比研究，證實所提出優(yōu)化設(shè)計方案的應(yīng)用價值。需要說明的是，本研究為一個大課題，課題前期內(nèi)容主要以實際工程為例，對半透明光伏組件在綠色建筑中的適用條件進行了研究，詳見文獻[5]，本文為該課題的中后期內(nèi)容（文中提到的樣品標(biāo)號順序為整個課題中的標(biāo)號順序）。

1" 項目概況

以常州市建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司在建的質(zhì)量科技服務(wù)中心大樓（下文簡稱為“中心大樓”）裙樓東南角的零碳館為例，對半透明光伏組件在BIPV中的優(yōu)化應(yīng)用進行分析研究。該項目位于常州市鐘樓區(qū)，建筑朝向為南偏西19.11°，按照GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》的三星級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，中心大樓整體建筑效果圖如圖1所示。

零碳館地上共5層，第1、2層為低碳科普展示區(qū)；第3、4層為開放式辦公空間，本文選取這兩層進行實驗研究。這兩層的主要功能房間總面積為1055.16 m2，其中房間3001、4002、4003為研發(fā)用科研設(shè)計室，房間4001為大空間會議室；將3層的18個窗戶洞口（下文簡稱為“洞口”）編號為3-1～3-18，將4層的18個洞口編號為4-1～4-18，其中，編號3-1～3-4和4-1～4-4為西南立面洞口，編號3-5～3-14和4-5～4-14為東南立面洞口，編號3-15～3-18和4-15～4-18為西北立面洞口。第3、4層的平面圖如圖2所示。

零碳館的用電種類為直流電，計劃全部用電由零碳館屋面及中心大樓裙房圍欄區(qū)域安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)提供。然而經(jīng)過能耗計算，發(fā)現(xiàn)零碳館屋面及中心大樓裙房圍欄區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量不足以滿足零碳館全部電用電需求，因此，擬在第3、4層的洞口布置半透明光伏組件作為光伏窗（下文簡稱為“半透明光伏窗”），組成立面光伏發(fā)電系統(tǒng)，從而在保證室內(nèi)自然采光的同時，滿足零碳館的用電需求。

2" 優(yōu)化設(shè)計方案模擬分析

2.1" 模擬設(shè)置

依據(jù)課題前期研究（即文獻[5]），利用PKPM-Daylight軟件對零碳館進行室內(nèi)光環(huán)境模擬，其3D模型如圖3所示，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.2" 動態(tài)采光分析

課題前期已研究了在GB/T 50378—2019中采光條款的限制下，半透明光伏組件在BIPV系統(tǒng)中的適用條件及減碳效益。研究結(jié)果表明：在零碳館第3、4層的西南、東南立面布置半透明光伏窗的工況下，使這兩層同時滿足動態(tài)采光要求的條件是半透明光伏窗的AVT應(yīng)高于36%。

使用由文獻[6]中公開的半透明有機光伏組件樣品2（其AVT為36%）組成半透明光伏窗，測試使用光伏窗前、后零碳館第3、4層平面的動態(tài)采光情況，測試結(jié)果如圖4所示。

對比圖4a和圖4b可以看出：當(dāng)洞口的AVT降低后，第3、4層平面圖的下半部分左半邊會出現(xiàn)大面積的采光不達標(biāo)（日照度達標(biāo)小時數(shù)低于4 h）區(qū)域。

為改善采光分布并提高達標(biāo)率，在全部洞口使用半透明光伏窗的原方案基礎(chǔ)上，根據(jù)采光不達標(biāo)區(qū)域的情況，提出以下兩個優(yōu)化方案。

1）方案1：將洞口3-2、3-3、4-2、4-3換回原外窗材料，其他洞口繼續(xù)使用半透明光伏窗。此方案的優(yōu)點為這些洞口位于建筑的西南立面，年總太陽輻照量相對較低，因此替換部分半透明光伏窗可改善采光，同時對光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量影響較小。

2）方案2：將洞口3-7、3-8、4-7、4-8換回原外窗材料，其他洞口繼續(xù)使用半透明光伏窗。此方案可以直接改變采光不達標(biāo)區(qū)域面積。

方案1與方案2的動態(tài)采光模擬計算結(jié)果如圖5所示。

結(jié)合圖4b，圖5的模擬結(jié)果顯示：通過優(yōu)化設(shè)計，建筑的采光分布得以改善，采光不達標(biāo)區(qū)域的面積明顯減小，第3層的采光達標(biāo)率由67.2%分別提高至70.4%（方案1）和70.7%（方案2），第4層的采光達標(biāo)率由59.9%分別提高至63.1%（方案1）和65.2%（方案2）。在滿足GB/T 50378—2019要求的條件下，半透明光伏窗所需的AVT最小值降低，在保持相同LUE的前提下，為半透明光伏組件的選材提供了更大的可選擇空間。

對方案1、方案2的適用條件進行進一步研究，依據(jù)國內(nèi)外主流期刊發(fā)表過的相關(guān)研究采用的制作工藝，制作4組半透明光伏組件樣品用于數(shù)值模擬研究，4組樣品的AVT在30%～33%，具體參數(shù)如表2所示。

采用方案1時，半透明光伏窗分別采用4組樣品時建筑的動態(tài)采光模擬結(jié)果如圖6和表3所示。

采用方案2時，半透明光伏窗分別采用4組樣品時建筑的動態(tài)采光結(jié)果如圖7和表4所示。

根據(jù)表3、表4的模擬結(jié)果：若要確保建筑的第3、4層主要功能區(qū)的動態(tài)采光達標(biāo)面積占比均達到60%，采用方案1時半透明光伏窗材料的AVT需超過32%；而采用方案2時，半透明光伏窗材料的AVT達到31%便可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3" 眩光分析

眩光是指當(dāng)視野中出現(xiàn)過于明亮的光源或亮度對比度過大時，對視覺舒適度產(chǎn)生負(fù)面影響的現(xiàn)象。為了評估本文提出的優(yōu)化設(shè)計發(fā)案對室內(nèi)眩光環(huán)境的影響，進行進一步對比分析。在綠色建筑室內(nèi)光環(huán)境評價中，通常以不舒適眩光指數(shù)（DGI）作為評價指標(biāo)，其表達式為：

DGI=10·lg∑Gn" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：DGI為不舒適眩光指數(shù)；Gn為眩光常數(shù)。

眩光常數(shù)可表示為：

Gn=0.478" " " "Ls1.6 Ω0.8

Lb+0.07ω0.5Ls" " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中：Ls為窗亮度，cd/m2；Lb為背景亮度，cd/m2；ω為立體角，sr；Ω為修正立體角，sr。

其中，修正立體角的表達式為：

Ω=∫" dω" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

p2

式中：p為古斯位置指數(shù)，其表達式為：

p=exp[（35.2–0.31889α–1.22e）10-3β+

（21+0.26667α–0.002963α2）10-5β2]" " " " " " "（4）

式中：α為窗對角線與垂直方向的夾角，rad；β為眼與窗中心點間連線與視線方向的夾角，rad。

針對第3、4層的公共辦公區(qū)域，對布置半透明光伏窗前和采用原方案布置半透明光伏窗（材料為樣品2，AVT為36%）兩種情況進行眩光計算，其不舒適眩光指數(shù)如圖8所示。

從圖8可以看出：在零碳館第3、4層的西南立面和東南立面布置AVT較低的半透明光伏窗后，公共辦公區(qū)域的整體眩光環(huán)境有所改善；而在未布置半透明光伏窗的西北立面，室內(nèi)窗前由于亮度對比度增大，不舒適眩光指數(shù)隨之增加，但仍低于GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的不舒適眩光指數(shù)限值。

在AVT同樣為36%的條件下，采用半透明光伏窗對第3、4層平面圖中上半?yún)^(qū)域的光環(huán)境影響較小，3種方案上半?yún)^(qū)域各洞口的不舒適眩光指數(shù)變化均在0.2以內(nèi)，下半?yún)^(qū)域各洞口的不舒適眩光指數(shù)如圖9所示。

3種方案中，使第3、4層同時滿足GB/T 50378—2019中最低限度動態(tài)采光照度要求的工況下，第3、4層平面圖各洞口的不舒適眩光指數(shù)如圖10所示。圖10b中，由于在3種方案中，洞口4-12～4-14的不舒適眩光指數(shù)均為0，此處不做展示。

由圖10可知：由于優(yōu)化方案的AVT更低，在方案1中洞口3-7、3-8、3-11～3-13、4-7、4-8、4-11和方案2中洞口3-2、3-11～3-13、4-2、4-11這些受更換半透明光伏窗影響較小的位置，不舒適眩光指數(shù)降低；在方案1中洞口3-2、3-3、3-6、4-1、4-2、4-6和方案2中洞口3-6、3-7、4-6、4-7這些受影響較大的位置，由于存在更大的亮度對比度，不舒適眩光指數(shù)相對于原方案有所增加，但仍在限值以下。

2.4" 能耗與碳排放模擬分析

在光環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，對2種優(yōu)化方案的發(fā)電量與減碳效率進行計算分析。調(diào)取常州市（31.80°N，120.00°E）全年太陽輻照度值，利用PKPM-Solar軟件計算零碳館第3、4層西南立面、東南立面布置半透明光伏窗后各洞口的單位面積年總太陽輻射量，結(jié)果如圖11所示。

利用PKPM-CES軟件對零碳館運行階段的耗電量和碳排放量進行計算，結(jié)果如表5所示。

零碳館屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)計年發(fā)電量為3.02萬kWh，裙房圍欄光伏發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)計年發(fā)電量為3.34萬kWh，二者發(fā)電總量無法滿足零碳館運行所需的電量。

采用方案1，當(dāng)半透明光伏組件的PCE達到9.40%時，可使零碳館實現(xiàn)運行階段零碳排放；半透明光伏組件材料采用文獻[11]中的鈣鈦礦太陽電池樣品8（其AVT為33.4%，PCE為9.6%，LUE為3.21%），可較低限度地同時滿足標(biāo)準(zhǔn)中的動態(tài)采光要求和建筑運行階段零碳排放要求。選

用方案2，當(dāng)半透明光伏組件的PCE達到9.54%時，可使建筑達到運行階段零碳排放；半透明光伏窗材料采用樣品7時，可較低限度地同時滿足標(biāo)準(zhǔn)中的動態(tài)采光要求和建筑運行階段零碳排放要求。

與原方案相比，雖然優(yōu)化方案中半透明光伏組件所需的LUE理論值更高，但由于對AVT的要求降低，使其材料可選范圍擴大，實際可采用的半透明光伏組件LUE更低，從而為項目提供了更靈活的選擇空間。

3" 結(jié)論

在半透明光伏組件在實際綠色建筑工程中的適用性研究基礎(chǔ)上，本研究從光環(huán)境和節(jié)能減碳角度，針對半透明光伏組件在BIPV中的應(yīng)用提出了兩種優(yōu)化設(shè)計方案，并進行了模擬驗證分析，主要結(jié)論如下：

1）兩種優(yōu)化設(shè)計方案均有效改善了建筑功能空間的采光分布，在滿足GB/T 50378—2019采光要求的條件下，方案1與方案2分別將所需半透明光伏組件的AVT最低值降低至33%和31%。

2）在項目所處的光環(huán)境內(nèi)，使用半透明光伏組件后，建筑室內(nèi)的眩光環(huán)境整體較未使用時有所改善，優(yōu)化設(shè)計會對眩光產(chǎn)生一定影響，但不舒適眩光指數(shù)始終可控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的限值以內(nèi)。

3）方案1中半透明光伏組件PCE達到9.40%，或方案2中半透明光伏組件PCE達到9.54%時，與原光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，可使建筑達到運行階段零碳排放。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，在立面光伏發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)采光面積更小的同時，可選的半透明光伏組件LUE更低。

本次優(yōu)化應(yīng)用研究探索了兼顧室內(nèi)環(huán)境和光伏發(fā)電的解決辦法，結(jié)合建筑自身的空間特點，通過合理的優(yōu)化設(shè)計改善室內(nèi)采光分布，確保光環(huán)境的舒適性和光伏發(fā)電的高效性，為半透明光伏組件在實際工程中的應(yīng)用提供了實用的設(shè)計思路與實踐支持。

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OPTIMIZATION STUDY ON APPLICATION OF

SEMI-TRANSPARENT PV MODULE ON BIPV

Liu Tiening，Wang Qinfang，Xu Ming，Xu Guoxin

（Changzhou Institute of Building Science Group，Changzhou 213000，China）

Abstract：Semi-transparent PV modules can simultaneously achieve PV power generation and maintain light transmission，are considered to have great application potential in modern green buildings. This paper employs numerical simulation methods to study the applicability of semi-transparent PV modules in actual BIPV projects，and further analyze their optimized application in meeting building energy consumption and daylighting quality. The research results show that optimizing design has a positive impact on improving the indoor light environment of buildings and energy-saving carbon reduction benefits，confirming the importance of reasonable optimization of daylighting distribution. This study provide practical design strategies and practical references for the application of semi-transparent PV modules in BIPV.

Keywords：BIPV；semi-transparent PV modules；green buildings；building carbon emission；natural daylight