温和地区碲化镉光伏窗的能耗与采光性能研究

Study on energy consumption and light-induced performance of thermally insulated Cadmium Telluride photovoltaic windows in warm regions

摘要

为实现建筑节能降碳目标，建筑一体化半透明光伏窗作为一项前沿技术，具有发电与调节建筑光热的双重功能。本研究以昆明地区典型农居建筑为研究对象，选择可见光透射率为15%的碲化镉（CdTe）光伏窗进行分析，探究窗墙比、光伏覆盖率对建筑能耗与室内光环境的综合影响。结果表明，80%窗墙比与90%碲化镉光伏覆盖率组合可实现最优节能效果，节能率达50.22%；60%窗墙比与60%光伏覆盖率组合可提供最佳日光照度，有效自然采光（UDI_{300~2 000 lx}）为53.88%；而在30%窗墙比下采用全光伏覆盖则有助于实现最佳视觉舒适度，未出现可察觉眩光（DGP≤0.35）。研究为温和地区半透明光伏窗的优化设计提供了理论依据，对推动建筑光伏一体化技术的科学应用与低碳发展具有重要意义。

Abstract

To achieve the goal of building energy conservation and carbon reduction， building-integrated semi-transparent photovoltaic windows， as a cutting-edge technology， have the dual functions of generating electricity and regulating the building’s light and heat. This study takes typical rural buildings in Kunming as the research object and selects cadmium telluride （CdTe） photovoltaic windows with a visible light transmittance of 15% for analysis. It explores the combined influence of window-to-wall ratio and photovoltaic coverage on building energy consumption and indoor light environment. The results show that the combination of 80% window-to-wall ratio and 90% cadmium telluride photovoltaic coverage can achieve the optimal energy-saving effect， with an energy-saving rate of 50.22%； the combination of 60% window-to-wall ratio and 60% photovoltaic coverage can provide the best daily light illumination， with an effective natural lighting （UDI_{300~2 000 lx}） of 53.88%； while adopting full photovoltaic coverage at a 30% window-to-wall ratio can help achieve the best visual comfort， without any detectable glare （DGP≤0.35）. This study provides theoretical basis and technical reference for the optimized design of semi-transparent photovoltaic windows in warm regions， and is of great significance for promoting the scientific application and low-carbon development of building photovoltaic integration technology.

Graphical abstract

关键词

碲化镉光伏窗 / 建筑光伏一体化 / 建筑能耗 / 室内光环境 / 光伏覆盖率

Key words

Cadmium Telluride photovoltaic windows / building photovoltaic integration / building energy consumption / indoor light environment / photovoltaic coverage

近年来，全球环境污染问题日益严峻，推动建筑领域节能降碳，是实现可持续发展目标的重要方向^［1-2］。在建筑围护结构中，外窗作为室内外能量交换的关键界面，其性能直接影响建筑能耗、室内热舒适与光环境质量^［3-4］。然而，传统玻璃窗热工性能较差，长期被视为建筑节能的薄弱环节^［5］。作为建筑一体化光伏（BIPV）的典型形式，半透明光伏（STPV）玻璃在提供电力的同时，其光伏组件的遮光效应也会带来太阳得热减少、自然采光水平下降以及视野通透性降低等问题^［6-7］。因此，光伏发电与建筑能耗之间的影响复杂多变，高度依赖于窗户尺寸、光伏覆盖率、透光率以及建筑所处地区的气候条件^［8-9］。在各类半透明光伏材料中，碲化镉（CdTe）光伏组件因其高转换效率、运行稳定性强及弱光性能良好，被广泛应用于建筑窗户与幕墙系统^［10］。

国内外学者已围绕半透明光伏窗的建筑能耗特性、室内光环境性能展开大量研究，多采用模拟与实验方法，对不同气候区、不同材料类型及构造参数的光伏窗系统进行了综合分析^［11-16］。现有研究证实，光伏窗的应用效益具有显著地域差异性：炎热地区可通过适当降低玻璃透光率控制建筑能耗，寒冷地区与高太阳辐照地区则可通过优化构造参数，大幅提升光伏窗的综合能效^［11-13］；在多气候区的实践验证中，光伏窗均展现出较强的节能潜力，建筑节能率普遍可达40%以上^［14］。黄启明^［15］研究发现光伏双层窗综合性能优于普通中空窗，且组件透过率低于10%时，需将覆盖率控制在50%以上，才可满足室内采光需求。李卓等^［16］通过模拟研究，探究了光伏覆盖率、安装朝向对室内采光质量的影响，并针对不同朝向给出了满足采光标准的最优光伏覆盖率区间。

总之，现有研究主要集中在整个窗户区域应用半透明光伏窗的节能性能，或仅针对采光性能进行单一维度评估，鲜少有透明玻璃和半透明光伏玻璃的结合下的性能的研究报道。因此，本研究以昆明地区典型农居建筑为对象，分析透明玻璃与碲化镉光伏玻璃的组合设计方案，探究不同窗墙比、光伏玻璃覆盖率对建筑能耗与室内光环境的综合影响。以期为温和地区半透明光伏窗的优化设计提供理论依据与参考。

1 模型建立与研究方法

1.1 建筑模型

本研究以昆明地区典型农居建筑为基准模型，建筑平面尺寸为6.20 m×6.20 m，层高3.00 m，模型几何构造如图1所示。图中展示的是窗墙比为60%的工况，其南向窗户尺寸为1.80 m （高）×3.72 m （宽）。模拟中设定屋顶、墙面与地面的反射率分别为0.72、0.75与0.58，透明玻璃与光伏玻璃的可见光透射率分别为0.73与0.15。

1.2 设计方案

窗墙比（WWR）是窗户面积与整个立面面积的比值，这是决定建筑物节能的重要立面设计因素，它的大小会直接影响建筑整体能耗和室内光环境^［7］。一般情况下，窗户面积过小，可能会引起室内照明不足以增加冬季采暖需求，窗户面积过大，可能会产生眩光问题并增加夏季制冷需求。

光伏玻璃在发电时会吸收一部分太阳辐射，这就使得进入室内的太阳热量和自然光减少。一般来说，光伏覆盖率（pv）越高，玻璃的发电能力就越强，但室内自然采光会随之变差，照明能耗也会相应增加。除此之外，光伏组件能阻隔太阳辐射，虽说可以降低夏季空调制冷负荷，却也会让冬季采暖需求有所增加。由此可见，找准合适的窗墙比与光伏覆盖率，对于建筑整体能耗和室内采光性能优化，起着至关重要的作用。

本研究共设置4种窗墙比：30%、45%、60%、80%，分别代表小、中、大、特大窗口。同时，每种窗墙比下设置了0%~100%光伏覆盖率，共包括44种工况，具体设计方案如图2所示，中间区域的蓝色玻璃为光伏玻璃，两侧的紫色玻璃为透明玻璃。

1.3 模拟软件

本研究选择Energy Plus软件进行建筑全年能耗模拟，作为业内公认的权威建筑性能模拟工具，Energy Plus在热环境、采光效果、能源消耗等场景的模拟精度已得到大量研究验证，也是当前建筑综合性能评估的常用软件^［18-19］。

选择Radiance软件对室内全年光环境展开评估，包括有效自然采光（UDI）和日光眩光概率（DGP）。该软件结合了反向光线追踪算法和双向分布函数，可精准计算室内日光照度、辐照度以及眩光指数，还能结合建筑几何形态、围护结构光学特性、当地气候边界条件，将模拟结果以彩色效果图或轮廓图形式直观呈现，模拟精度已得到多项研究验证^［20-21］。

1.4 气象数据与参数设置

中国建筑气候划分为五大区域，本研究选取温和地区昆明作为模拟对象，其地处北纬25.02°、东经102.68°，月均气温在8.4 ℃~20.1 ℃之间，年总太阳辐射量1 400~1 600 kWh/m²，模拟所用全年EPW格式气象数据下载自Energy Plus官网。本次能耗模拟的人员、照明、设备参数均依据《农村居住建筑节能设计标准》（GB50824—2013）^［22］进行设定；空调采用理想系统，可全额满足房间冷热需求；照度临界值设为500 lx，距地面0.75 m参考点照度低于该值时自动开启人工照明。

1.5 评价指标

1.5.1 能耗评价

建筑节能率可直观反映建筑采用节能措施后，相较基准建筑的能耗降低比例，是评估建筑节能性能的核心量化指标，具体计算公式如式（1）所示。

E=\frac{E_{\mathrm{1}}-E_{\mathrm{2}}}{E_{\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%},（1）

其中，E_{\mathrm{1}}、E_{\mathrm{2}}分别为基准建筑能耗与设计建筑能耗（kWh）。

1.5.2 采光评价

本研究选取有效自然采光（UDI）和日光眩光概率（DGP）两大指标，综合评价室内全年采光效果和视觉舒适度。

UDI主要用来衡量全年日光供给能否满足使用者的需要^［23］。该指标按照室内照度大小划分为3个区间：低于300 lx属于日光供给不足，需要开启人工照明辅助；300~2 000 lx为有效日光区间，能够满足日常视觉使用需求；超过2 000 lx则容易引发视觉疲劳或是热不适感。本研究选取UDI_{300~2 000 lx}作为有效照度范围，代表室内照度在300~2 000 lx范围内的时间百分比。

日光眩光概率DGP主要用于评估室内眩光程度，DGP按感知程度分为4个等级^［24］：不可感知眩光（DGP≤0.35）、可感知眩光（0.35<DGP≤0.40）、干扰性眩光（0.40<DGP≤0.45）和不可忍受眩光（DGP>0.45）。为客观评估眩光环境质量，WIENOLD^［25］进一步设定了4个眩光舒适度等级：“最佳”（DGP≤0.35，超过95%的时间）、“良好”（0.35<DGP≤0.40，超过95%的时间）、“合理”（0.40<DGP≤0.45，超过95%的时间）与“不合理”（DGP>0.45，超过5%的时间）。

2 结果分析

2.1 能耗情况

本研究针对4种窗墙比（30%、45%、60%、80%）工况，分析了碲化镉光伏玻璃覆盖率在0%~100%区间内，对建筑全年能耗的具体影响，包括供暖、制冷、照明三类能耗以及光伏发电量，年度模拟结果如图3所示。从结果来看，在光伏覆盖率保持不变的前提下，窗墙比越大，进入室内的太阳辐射量就越多，不仅能有效降低照明能耗，还会因太阳得热增多使得制冷能耗小幅上涨、采暖能耗相应降低；与此同时，光伏玻璃覆盖面积越大，对应的光伏发电量也会随之提升。可以看出，建筑全年总能耗整体随窗墙比的增大呈现下降趋势。

从图3A可以看出，在30%窗墙比条件下，完全采用碲化镉光伏玻璃窗（覆盖率100%）会导致比透明玻璃窗更高的能耗。其主要在于碲化镉光伏玻璃的可见光透射率较低，导致室内照度不足而增加照明能耗，同时冬季太阳得热减少，进一步加大了采暖负荷。尽管光伏玻璃产生一定发电量，但不足以抵消照明与采暖负荷的增加，导致所有光伏玻璃配置下的建筑节能率均为负值。因此，综合考虑光伏组件投资成本，不建议将所选的碲化镉光伏玻璃应用于小窗墙比（即窗墙比=30%）。

进一步分析可知，当窗墙比从45%增加到80%，碲化镉光伏玻璃的节能潜力显著提升。在45%、60%和80%窗墙比下，分别采用90%、80%和90%光伏覆盖率，可实现最低总能耗。尽管使用光伏玻璃会在一定程度上增加供暖和照明负荷，但它能减少制冷需求，再加上自身的发电能力，可以在负荷与发电之间形成良性平衡，从而发挥出显著的节能作用。其中，80%窗墙比与90%光伏覆盖率组合下的节能效果最佳，节能率达到50.22%。

2.2 采光情况

2.2.1 有效自然采光

研究模拟分析了昆明地区农居建筑在不同窗墙比和光伏覆盖率组合下年度室内的UDI，结果如图4所示。模拟结果表明，随着窗墙比从30%增大至80%，室内过度照明情况（UDI>2 000 lx）变得愈加严重。采用碲化镉光伏玻璃对窗户进行部分覆盖可有效缓解过度照明，改善室内光环境，然而，若窗户全部采用碲化镉光伏玻璃，则可能导致有效照明不足。

由图4A和B可见，在窗墙比较小（30%和45%）的情况下，碲化镉玻璃因透光率较低，使用光伏窗会进一步降低窗户的能见度，影响室内采光。具体表现为：在30%窗墙比下，透明玻璃性能最佳，其UDI_{300~2 000 lx}比例为45.78%；而10%和20%覆盖率的碲化镉光伏窗分别为43.24%和40.25%。同时，碲化镉光伏窗下UDI<300 lx的范围达52.68%~95.01%，高于透明玻璃的49.75%，表明其更容易导致照明不足。在45%窗墙比下，20%碲化镉光伏窗表现最优，UDI_{300~2 000 lx}比例为53.82%；10%和30%覆盖率的碲化镉光伏窗也表现良好，分别达到53.64%和53.54%。由此可见，在小窗墙比（30%）下，并非所有碲化镉光伏窗配置均能改善室内日光可用性，尤其是在满足理想照度范围（UDI_{300~2 000 lx}）内。

从图4C和D可以看出，在60%和80%窗墙比条件下，采用碲化镉光伏窗可显著改善室内光环境，效果优于透明玻璃。具体表现为：在60%窗墙比下，透明玻璃窗的UDI_{300~2 000 lx}比例仅为41.76%；而60%碲化镉光伏窗提升至53.88%，70%和80%覆盖率的光伏窗也分别达到53.77%和52.69%。在80%窗墙比下，透明玻璃的有用照度时间为48.03%；最优配置为90%碲化镉光伏窗，比例为53.71%，80%覆盖率光伏窗也达到53.41%。

总体而言，碲化镉光伏窗因其透光率较低，所有设计方案均显著降低了过度照明（UDI>2 000 lx）的发生概率，表明透明玻璃往往比碲化镉光伏玻璃更易导致过度照明。

2.2.2 日光眩光概率

研究采用DGP对昆明地区农居建筑进行视觉舒适度评估，观测点位于距窗1.5 m、距地1.2 m处，不同窗户设计下的年度DGP预测结果见图5。结果显示，在所有窗墙比条件下，透明玻璃均无法达到“最佳”眩光等级。其不可忍受眩光（DGP>0.45）时间占比随窗墙比增大（30%、45%、60%、80%）而显著上升，分别为26.92%、52.39%、59.62%和63.72%。相比之下，采用碲化镉光伏窗可显著提升不可感知眩光（DGP≤0.35）的比例，有效改善视觉舒适性。

在30%窗墙比下，透明玻璃的不可忍受、干扰性（0.4<DGP≤0.45）和可感知眩光（0.35<DGP≤0.4）时间占比分别为26.92%、16.16%和11.62%。而采用80%至100%覆盖率的碲化镉光伏窗后，不可感知眩光比例分别提高至96.67%、98.68%与100%，均满足“最佳”等级；70%覆盖率光伏窗达到“良好”等级（DGP<0.4占比97.56%）；60%与50%覆盖率则为“合理”等级（DGP<0.45占比分别为97.09%和95.51%）。其余覆盖率低于40%的光伏窗因不可忍受眩光时间超过5%，被归类为“不合理”。在45%窗墙比下，90%至100%覆盖率的碲化镉光伏窗可达到“良好”等级，80%覆盖率为“合理”。在60%与80%窗墙比下，所有碲化镉窗及透明玻璃均出现超过5%的不可忍受眩光，属于“不合理”分类。

综上所述，使用碲化镉光伏玻璃能有效抑制日光眩光，显著提升室内视觉舒适性。透明玻璃在眩光控制方面表现较差，不建议单独使用。碲化镉光伏窗在多数设计方案下均能对日光视觉舒适性带来积极改善，其适用性取决于窗墙比与光伏覆盖率。

3 结论

1）建筑总能耗随着窗墙比的增大呈下降趋势。在较大窗墙比（≥60%）下，光伏窗在产生发电量的同时，可显著提升视觉舒适性，设计中应优先考虑采用较大窗墙比。

2）80%窗墙比与90%碲化镉光伏覆盖率组合能耗节能效果最佳，节能率达到50.22%；60%窗墙比与60%碲化镉光伏覆盖率组合有效自然采光最佳。30%窗墙比下全光伏覆盖可实现全时段无眩光环境（DGP≤0.35），能有效提升室内视觉舒适性。

3）碲化镉光伏窗在合理的窗墙比与光伏覆盖率下，不仅能有效降低建筑能源消耗，还能在保障室内光环境舒适性方面发挥积极作用，为建筑节能优化与人性化光环境设计提供了可行路径。

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基金资助

陕西省科技厅项目(2022SF-528)