光伏玻璃应用于办公空间的天然光环境研究——以天津地区为例

李 卓，王立雄，张 华

(1.天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072;2.郑州大学建筑学院，河南郑州 450001)



光伏玻璃应用于办公空间的天然光环境研究
——以天津地区为例

李 卓1,2，王立雄1，张 华1

(1.天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072;2.郑州大学建筑学院，河南郑州 450001)

在全球能源与环境危机的大背景下，如何使建筑在节能的同时从耗能转化为产能，光伏建筑一体化BIPV(Building Integrated Photovoltaic)系统提供了一种有效的解决方式。光伏玻璃在发电的同时改变了室内的天然光环境质量。利用动态天然光模拟软件Daysim，对不同电池覆盖面积比的光伏玻璃应用于不同朝向办公空间的全天然采光时间百分比(DA)、有效照度(UDI)进行对比分析，得出在不同朝向办公空间应用光伏玻璃时满足天然光环境质量要求的最佳电池覆盖面积比。

光伏玻璃；DA；UDI；最佳光伏电池覆盖面积比

引言

高层办公建筑的立面可为光伏利用提供更多可安装面积，同时办公建筑对室内采光的要求相对较高，存在问题很多；因此，在本研究中，将光伏玻璃应用于天津地区的高层办公空间，通过计算机模拟光伏玻璃的天然采光性能，对高层办公空间的天然光环境进行评价。

1 光伏玻璃在建筑立面的应用现状

光伏玻璃，从广义上讲是指应用于建筑的双玻夹层BIPV(即光伏建筑一体化)组件和薄膜电池组件，也可以叫做太阳能光伏玻璃，因为它们同时也是建筑上的安全玻璃构件。本文提到的光伏玻璃是指用于建筑一体化的可透光光伏组件(双玻夹层BIPV)。

不同于传统不透光的光伏组件,光伏玻璃可以允许太阳辐射透过它进入室内。在鼓励天然采光的同时，它可以产生电量，正是由于这种可以优化及应用自然能源的优势，光伏玻璃有望成为一种新型的可持续建筑材料[1]。典型的BIPV光伏玻璃分为以下三类：夹层玻璃光伏组件，中空玻璃光伏组件和薄膜太阳能电池。光伏玻璃可以被用在窗体系统或玻璃幕墙中，如图1所示，通过调整太阳能电池间的间距来控制建筑的透光率和遮阳效果，只需要替换传统玻璃即可，可以有效减少安装费用。

图1 光伏玻璃在建筑立面中的应用实例Fig.1 Application examples of photovoltaic glass building facade

图2 中空玻璃光伏组件构造示意图Fig.2 Schematic structure of hollow glass PV modules

2 光伏玻璃的光热特性参数

首先需要确定所采用光伏玻璃的光特性参数，这些参数在建筑采光性能模拟中是关键的输入变量，而这些性能参数无法从制造商的数据表中得到。选用光伏玻璃为单晶硅中空光伏玻璃，如图2所示。根据《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)中规定的建筑用玻璃的参数选择，光伏玻璃前片玻璃的透光率为91%，背板玻璃为为89%，前片玻璃和背板玻璃的厚度均为6mm，中间有12mm的空气间层，总厚度为24mm。将前片玻璃、背板玻璃的透光率、厚度参数导入软件Optics 6.0和Window 7.2，计算得出晶硅中空光伏玻璃的光热特性参数，见表1。

表1 光伏玻璃样本光热特性参数Table 1 Light and thermal characteristics parameters of photovoltaic glass sample

3 软件选取与天然光光环境评价指标

3.1 软件选取

国内对光环境的研究主要采用计算机模拟的研究方法，即建立虚拟的办公建筑模型，基于光气候数据，对建筑室内光环境进行模拟分析，主要有静态光环境模拟和动态光环境模拟两种。

静态模拟大多采用的软件是Ecotect和Radiance，计算出最不利时刻或典型日中某几个时刻点工作平面的照度、亮度和采光系数等静态指标值，来评价该建筑内部光环境的质量。

动态光环境模拟选用的是Daysim软件，它的计算核心仍然是Radiance，基于地域性的逐时光气候数据，计算工作平面的逐时自然采光照度，并在上述照度数据的基础上根据照明控制策略进一步计算全年的人工照明能耗[2]。

3.2 天然光光环境评价方法与评价指标

对于描述天然光的气候性与多变性，天然采光系数明显有很多不足之处[3]。近些年国际上发展起来的动态天然采光评价标准中以全天然采光时间百分比DA(Daylight Autonomy) 和有效照度 UDI(Useful Daylight Autonomy)得到较为广泛的认可和应用[4]。与广泛使用的采光系数相比，全天然采光时间百分比DA充分考虑了不同的建筑朝向、使用时间以及全年中的各种实际的天气情况的影响，因此是一个全面和系统地评价全年有效自然采光的综合指标。本文选用动态评价指标DA对室内天然光环境进行采光评价。

结合我国《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)中对办公室室内天然光设计最小照度450lx的规定，在本研究中采用DA的阈值为：DA<55%；55%≤DA<75%；DA≥75%，即在我国办公建筑全年工作时间段9:00—17:00满足室内最小设计照度450lx而不用开启人工照明的时间，DA<55%时，认为采光量过低，不满足采光需求；55%≤DA<75%认为采光量为中等；DA≥75%，认为采光量非常理想。

4 光环境模型

4.1 办公建筑基础模型

本文选取sketchup软件建立办公建筑模型，出于天然光环境研究典型性和精确度的考虑，选取典型高层办公楼中的一个标准单元(长×宽×高：5m×4.2m×3.6m)作为分析对象，据此建立了一个5m×4.2m×3.6m(长×宽×高)的计算模型，只有一面外墙，其他各面为内墙，天花、地面为隔离楼板层，对于窗墙比的选择，依据《公共建筑节能设计标准》的要求被限定为0.2～0.7，在寒冷地区，这个值不允许超过0.7，在本研究中选择上限0.7。该模型可作为一独立房间、也可看做开敞大空间中的一个标准单元，见图3。

图3 办公室模型尺寸示意图Fig.3 Schematic model of the office

4.2 光伏电池片布置方式

光伏电池覆盖面积比以10%为间隔，从10%逐渐增大到80%。当光伏电池覆盖面积比低于10%时，应用光伏玻璃就不经济了；而光伏电池覆盖面积比超过80%时，将几乎贴满整个窗口区域，使得天然光很难进入室内，也会对办公人员造成视线遮挡，很难看到室外。而选择10%作为变化幅度，是考虑到这个值能够看到不同光伏电池覆盖比率带来的不同影响，同时，在做参数化模拟分析时这个值便于操作。电池片布置方式见图4。根据《建筑采光设计标准》GB 50033—2013中对办公建筑室内各表面的反射比有相应的规定，本研究中顶棚的反射比设为0.80，墙面为0.60，地面为0.30。

图4 光伏电池覆盖面积比10%～80%布置方式示意图Fig.4 The arrangement of photovoltaic cells coverage ratio from 10%～80%

5 光环境模拟结果分析

5.1 全天然采光时间百分比(DA)

如图5所示为南、东南、西南、东、西五个朝向的办公空间，随着电池覆盖面积比的变化DA的变化情况，为了方便分析，将DA值、DA变化率以及满足DA阈值所占的室内面积百分比等信息统计为表2～表6，其中后三列DA阈值与电池片覆盖面积比对应的表格中的百分数代表满足该阈值区间的室内面积百分比。

图5 不同朝向DA随电池覆盖面积比的变化曲线Fig.5 DA curves with the variation of cells coverage ratio toward the different orientation

我们可以看到，全年的全自然采光时间百分比南向最高，西向最低；随着电池覆盖面积比的增大之后，各个朝向有着类似的变化趋势。

南向电池面积比在10%～60%区间，DA变化率为0.05，变化幅度缓慢；60%～80%区间，DA变化率为1，变化幅度加快。电池覆盖面积比为70%、80%时，有25%的室内面积DA<55%，不能满足采光量的要求；而电池覆盖面积比10%～60%时，100%的室内面积DA≥75%，可以满足理想的采光量要求，见表2。同理分别得出基于DA指标，在其他四个朝向，电池覆盖面积比为10%～60%的区间是可以满足采光量的区间；10%～40%是采光量理想的区间。

表2 南向电池覆盖面积比变化引起的DA变化Table 2 South DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

表3 东南向电池覆盖面积比变化引起的DA变化Table 3 Southeast DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

表4 西南向电池覆盖面积比变化引起的DA变化Table 4 Southwest DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

表5 东向电池覆盖面积比变化引起的DA变化Table 5 East DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

表6 西向电池覆盖面积比变化引起的DA变化Table 6 West DA change caused by the variation of the cells coverage ratio

5.2 有效照度(UDI)

图6 南向UDI随电池覆盖面积比的变化曲线Fig.6 South UDI curves with the variation of cells coverage ratio

图7 东南向UDI随电池覆盖面积比的变化曲线Fig.7 Southeast UDI curves with the variation of cells coverage ratio

图8 西南向UDI随电池覆盖面积比的变化曲线Fig.8 Southwest UDI curves with the variation of cells coverage ratio

图9 东向UDI随电池覆盖面积比的变化曲线Fig.9 East UDI curves with the variation of cells coverage ratio

图10 西向UDI随电池覆盖面积比的变化曲线Fig.10 West UDI curves with the variation of cells coverage ratio

如图6～图10所示，通过五个朝向的UDI指标发现，随着电池覆盖面积比的增大，UDI<100变化非常平缓，UDI100～2000随着光伏电池覆盖面积比的增大而增大，UDI>2000和UDI100～2000绝对值相同，变化趋势相反。

因此可知随着电池覆盖面积比的增加，可以有效改善室内可能出现的眩光，并且主要是通过降低近窗处的高照度来改善室内光环境，对于远窗处的影响不大。

5.3 小结

结合五个朝向DA、 UDI的变化趋势，得出了各个朝向满足室内采光质量的电池覆盖面积比区间，取得理想采光效果的电池覆盖面积比区间以及最佳电池覆盖面积比，见表7。

表7 不同朝向光伏电池覆盖面积比选择Table 7 Choices of the cells coverage ratio of photovoltaic glass toward different orientation

6 总结

本文利用动态模拟软件Daysim对光伏玻璃电池覆盖面积比从10%逐渐增加到80%时室内的DA、UDI变化进行了模拟分析，得出了在天津地区应用光伏玻璃时，不同电池覆盖面积比的光伏玻璃对不同朝向办公空间室内采光质量的影响，可以在建筑设计阶段为光伏玻璃最佳电池覆盖面积比的选择提供基本的参考点和依据，为光伏企业提供不仅可以发电，而且能够满足建筑基本功能的有指导意义的参数，促进光伏玻璃产品设计的标准化。

[1] Wong P W, Shimoda Y,Nonaka M,et al. Semi-transparent PV: Thermal performance, power generation, daylight modeling and energy saving potential in a residential application[J]. Renewable Energy, 2008,33 (5): 1024-1036.

[2] 云朋.建筑光环境模拟[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：60-61.

[3] Mardaljevic J. Examples of climate-based daylight modeling[C]. London： Proceedings of CIBSE National Conference 2006:Engineering the Future，2006:21-22.

[4] Cantin F， Dubois M C. Daylighting metrics based on illuminance, distribution, glare and directivity[J]. Lighting Research and Technology， 2011， 43:291-307.

中国照明学会理事长办公会议在北京召开

中国照明学会2015年第一次理事长办公会议于2015年1月15日下午在北京召开，理事长办公会议成员徐淮、王立雄、赵建平、徐华、姚梦明、窦林平、王大有、邴树奎、高飞、周洪伟同志出席了会议。会议的主要议程是：汇报前一阶段的工作情况、研究近期主要工作等。会议由徐淮理事长主持。

会议首先由徐淮理事长介绍了近期学会的工作情况：

1.2014年8月22-23日，第7届中日韩照明大会在天津大学召开。会议注册代表140人，其中日本35人、韩国40人。大会共收到论文111篇，其中日本、韩国各27篇；

2.2014年9月11-12日，中国照明学会在浙江杭州召开了第六届三次常务理事会和第六届三次理事会；

3.2014年9月12-13日，由中国照明学会主办的“2014年中国照明论坛——LED照明产品设计、应用与创新论坛”在浙江杭州隆重举行，相关代表约500人参加了会议；

4.2014年9月12日晚，“第九届中照照明奖颁奖典礼”在浙江杭州隆重举行。来自行业内的专家、设计师及企业代表共400多人共同参与了此次盛典；

5.由中国照明学会编制的《照明工程设计收费标准》(试行)于2014年5月1日发布试行；《地下车库智能照明技术指导意见》于2014年7月21日发布试行；《照明设计师注册管理办法》于2014年8月1日发布，自2015年1月1日正式实施；

6.由“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯”项目办公室、中国照明学会共同主办的“中国绿色照明工程设计奖”的评选工作已经完成。经过专家评审，评出了金奖1个，银奖6个，铜奖8个，优秀奖15个；

7.由中国科学技术协会主办、中国照明学会承办的“中国科协第285次青年科学家论坛——光生物、光化学应用研究论坛”于2014年10月9-11日在安徽合肥举办。此次论坛汇聚了20余所高等院校、10余家科研机构、数十家照明企业，共150余人参会；

8.2014年11月20-22日，中国照明学会与台湾区照明灯具输出业同业公会在武汉共同举办了“海峡两岸第二十一届照明科技与营销研讨会”。本次会议以“照明科技与营销”为主题，海峡两岸照明界的专家、企业代表140余人参加了此次盛会；

9.2014年11月21日，“2014年中照照明奖城市照明建设奖颁奖典礼”在武汉举行；

10.2015年1月8日，中国科协第八届全国委员会第七次会议在北京召开，中国照明学会徐淮理事长参加了会议；

11.2015年1月13日，中国照明学会“凯图杯”会员羽毛球邀请赛在北京圆满举办。活动由中国照明学会党支部主办，广州凯图电气股份有限公司协办。来自中国照明学会理事及会员代表100余人参加了此次活动,其中80余名运动员参加了比赛；

12.中国科协批准中国照明学会成立“中国梦·照明科普传播团队”，聘请戴德慈为中国科协首席科学传播专家，并注册了中国照明科普基地联合会的科普网站。

窦林平秘书长对近期主要工作进行了安排，会议对相关问题进行了研究与讨论：

1.根据《民政部、财政部、人民银行关于加强社会团体分支(代表)机构财务管理的通知》的通知，中国照明学会将加强对所属分支机构的管理，各分支机构应按照文件要求遵照执行；

2.中国科协组织开展的推荐(提名)院士候选人工作已经开始，中国照明学会将对此项工作进行研究部署；

3.积极承接政府转移职能，争取在成果鉴定、人才鉴定、人才培养方面取得进展；

4.根据工作需要，拟成立中国照明学会照明设计师工作委员会；

5.完善学会治理结构，对成立中国照明学会监事会广泛征求意见。

会议还对其他事宜进行了商议。

Research on the Lighting Environment Using Photovoltaic Glass in Office Space—A Case Study in Tianjin

Li Zhuo1,2, Wang Lixiong1, Zhang Hua1

(1.SchoolofArchitecture,TianjinUniversity，TianjinKeyLaboratoryofBuildingPhysicalEnvironmentandEcologicalTechnology,Tianjin300072,China; 2.SchoolofArchitecture,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Against the backdrop of the global energy and environmental crisis, how to make the building from energy consumption to energy making, BIPV (Building Integrated Photovoltaic) system provides an effective solution. Compared with the traditional opaque photovoltaic modules, photovoltaic glass at the same time generates electricity, and changed the natural light indoor environmental quality. In this paper, a dynamic simulation software Daysim was used to analyze the natural light when using different cell coverage area ratio of photovoltaic glass in different directions of office space. DA and UDI were compared and analyzed in different applications toward the ideal daylighting environment in office space and the optimal battery coverage area ratio of the photovoltaic glass were found.

photovoltaic glass; DA; UDI; optimal battery coverage area ratio

J59

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.005