博士生邹武威Engineering:一种应用于玻璃幕墙建筑的新型动态垂直光伏围护结构

2024年8月，中国工程院院刊《Engineering》杂志刊登了课题组邹武威博士生的最新成果：A New Dynamic and Vertical Photovoltaic Integrated Building Envelope for High-Rise Glaze-Facade Buildings. (https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.014）

【Graphical Abstract】

【背景介绍】

玻璃幕墙广泛应用于现代高层建筑中，以满足建筑美学的需求。然而，由于保温隔热性能有限，玻璃幕墙也给建筑造成了大量的太阳能得热与损失，同时对室内热舒适及建筑节能产生不利影响。传统遮阳装置能够降低太阳能得热，但未能对太阳能加以利用。通过将建筑遮阳结构与光伏组件集成，在被动降低建筑HVAC能耗的同时，主动利用建筑表面的太阳能发电，从而提高建筑节能率。但是，静态光伏遮阳结构由于缺乏可调节性，在响应天气变化、太阳能利用率以及室内视觉舒适度方面仍有不足。本研究提出了一种新型动态垂直光伏围护结构(dvPVBE)，通过主动调节光伏百叶的位置和角度，动态响应天气变化和用户需求，在满足建筑节能、太阳能利用、提高室内视觉舒适度的同时，兼顾建筑美学。

【核心内容】

(1) 不同场景下dvPVBE的控制策略

图2展示了与办公建筑集成的dvPVBE的控制策略。根据工作时间和人员在室情况，提出了三种不同的控制策略，包括发电优先，节能优先以及采光优先。在非工作时段或者室内无人时，采用发电优先策略，光伏百叶全部展开，并根据太阳实时位置，逐时更新最佳百叶角度，实现最大光伏发电量。在工作时段，根据使用者的需求，选择节能优先或采光优先策略。其中，节能优先需要综合考虑百叶调节对于HVAC、照明以及光伏发电量的影响，以实现室内净能耗最低的目标。采光优先主要保证室内人员的视觉舒适度，通过比较参考点照度实际值与目标值的偏差，主动调节百叶位置和角度。通过动态调节，dvPVBE可以满足不同场景下的用户需求，实现高效建筑节能。

(2) dvPVBE的建模与能耗模拟

建立了dvPVBE的建筑能耗模拟模型。为进一步证明dvPVBE在提高建筑能效方面的可行性，并与传统静态光伏百叶的性能进行比较，本研究通过EnergyPlus软件模拟了全年可调的百叶角度对于建筑节能的影响，提出了求解最优动态百叶角度的通用方法。图3展示了dvPVBE的建筑模型，dvPVBE集成在北京某办公建筑的南立面房间。在工作时段，采用节能优先策略，其余时段，均采用发电优先策略。通过模拟全年逐时不同百叶角度下的建筑能耗，综合考虑HVAC、照明能耗及光伏发电量，得到对应的逐时最优百叶角度及最低室内净能耗。

(3) dvPVBE全年最优角度及节能潜力

研究了全年dvPVBE的逐时最优百叶角度及对应的节能潜力。图4以热图的形式呈现了全年的最优百叶角度。为了减弱气象波动的影响，选取每个月每天同一小时的百叶角度的中位数进行展示，并在非工作时段将百叶角度设置为0°，以保护室内隐私。结果表明，全年大部分时间里，最优百叶角度集中在45°– 60°，以实现室内能耗与光伏发电的平衡。在清晨，较大的百叶角度有利于增加太阳光透过量，从而降低照明能耗。图5展示了最优百叶角度下的房间全年能耗，并与固定角度的光伏百叶进行了对比。与45°光伏百叶相比，dvPVBE在HVAC能耗方面降低了33%，在照明能耗方面降低了30%，而在光伏发电量方面仅略微降低2%，能够满足房间全年131%的能源需求。dvPVBE表现出比固定光伏百叶更高的节能潜力，也证明了动态光伏百叶提高建筑能效的可行性。

【成果小结】

本研究提出了一种应用于玻璃幕墙建筑的新型动态垂直光伏围护结构。dvPVBE基于实时气象传感数据反馈，主动调节光伏百叶的角度与位置，以平衡HVAC、照明能耗和光伏发电，同时保证了室内视觉舒适度。模拟结果表明，dvPVBE相比于固定光伏百叶，具有更高的节能潜力，将进一步助力建筑脱碳。作为实现光伏建筑一体化的重要路径，dvPVBE在改善玻璃幕墙建筑的能耗方面具有重要价值，并将为建筑行业的节能减排做出重要贡献。

【作者介绍】

邹武威：清华大学建筑技术科学系博士生

该论文的第一作者为清华大学建筑技术科学系博士生邹武威，他致力于建筑光伏一体化、水凝胶热湿传递强化及热管理应用相关研究，已在Energy Convers. Manage., Engineering等期刊发表一作论文2篇，以第一完成人申请发明专利2项，授权实用新型专利1项。

本文通讯作者为深圳大学土木与交通工程学院特聘教授莫金汉和湖南大学土木工程学院教授彭晋卿。松山湖材料实验室田恩泽副研究员、清华大学建筑技术科学系博士生汪琰、硕士生魏嘉泽参与了这项工作。

本文引用格式

Zou WW, Wang Y, Tian EZ, Wei JZ, Peng JQ*, Mo JH*. A new dynamic and vertical photovoltaic integrated building envelope for high-rise glaze-facade buildings. Engineering, 2024, 39, 194-203.

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52078269, 52325801）资助，特此致谢。

原文出处: https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.014

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