半透明光伏围护结构采光分析.pdf

安徽建筑中图分类号：TU113.5文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）5-0092-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.0320引言随着经济的飞速发展，人们对于居住环境的要求越来越高，导致建筑能源消耗急速增加。光伏建筑一体化技术可以在为建筑提供电力的同时充当建筑构件，其中光伏窗户可以在产生电力与降低空调负荷的同时改善BIPV建筑室内自然采光环境1。由于窗户作为半透明组件，太阳辐射能够直接透过窗户对室内空气进行加热，因此虽然光伏窗户能够遮挡部分太阳辐射，但与普通窗户一样，也会造成室内冷量的大量流失2。基于此，大部分研究人员主要针对光伏窗户的本身发电-传热性能的优化对光伏窗户建筑室内热负荷变化规律进行分析3-4。自然光随着太阳辐射一起进入室内，为室内提供一定程度的自然采光，因此光伏窗户对建筑室内自然采光也会产生巨大的影响。所以Nandar Lynn 等5利用一种便携式的室内采光测量系统来对半透明光伏窗户透光的显色性（CRI）进行了分析，在实验室和安装在建筑上的测试结果分别为98和93。结果表明在实验室以及安装在建筑上的时候，半透明薄膜窗户都具有良好的显色性能。与此同时，也有很多针对光伏窗户对室内采光环境的影响进行的研究。直接对光伏窗户一体化建筑室内采光环境进行分析也是重要的研究方向。K.Kapsis 等6分析了半透明光伏窗对商业建筑外墙采光性能的潜在影响。模拟结果表明，半透明光伏组件的可见光有效透射率为30%，在将其加工成双层光伏窗户之后，全年都能为室内提供足够的自然采光，其有效采光量（DA）300lx/50%=1，同时其眩光指数（DGI）=5%。F.J.Moralejo-Vzqueza 等7对不同种类光伏窗户组件的光学性能进行了测试。结果表明，光伏窗在采光和太阳能控制方面具有良好的性能，能够有效地和建筑立面以及窗户相结合，其特性参数也可以用来模拟不同类型光伏组件与建筑立面以及窗户结合之后对建筑物能量平衡的影响。虽然光伏窗户对建筑室内采光环境的影响较大，但之前主要是针对光伏窗户本身的光学性能进行分析，而在相关文献只是针对单一种类的或者是单一透过率的光伏窗户对室内采光环境的影响进行分析。本文利用实验测试数据对光伏窗户一体化建筑的采光模拟模型进行验证，随后利用可靠的模型对不同透过率的光伏窗户对室内采光环境的影响进行分析，从而对不同安装朝向、透过率及排布方式的光伏组件对室内光环境的变化进行进一步的分析。1光伏窗户一体化建筑室内光环境理论分析1.1 光伏房间数值模拟模型相较于普通透明窗户，在光伏电池排布差异的影响下，光伏窗户一体化建筑室内光环境变化规律更复杂，因此采用更准确的后向光线追踪法对光伏一体化建筑室内采光环境进行模拟。首先利用数值模拟软件Daysim建立光伏窗户一体化建筑室内采光模拟模型，Daysim是一个基于 Radiance 的经过实验验证的模拟工具7-8，用于动态自然采用与照明的分析。光伏建筑室内采光模型如图1所示，其中光伏房间尺寸为9m4m3m（长宽高），光伏窗中光伏组件的覆盖率为0.9，室内地板反射率为20%，屋顶反射率为70%，墙壁反射率为35%，光伏电池反射率为5%，光伏幕墙透光部分透射率为80%。图1光伏房间模型1.2 光伏房间模型验证实验测试平台为了对所建立的光伏房间室内采光环境数值模拟模型可靠性进行分析，本文利用建立在四川成都的光伏窗户一体化实验测试平台对该模型的准确性进行验证。为了减小实验数据的偏差，利用在0.75m高工作的平面两个点的照度表征室内平均照度。两个测点布置位置如图2所示，其中将两个测点布置在距光伏窗4.5m位置处，避免太阳辐射直射对测试数据的影响，两个测点间距为2m，保证该平均值表征室内照度情况的准确性。为了更直观地分析光伏窗户室内采光模型的可靠性，本文进一步采用平均偏差（MBE，在正负10%的范围之内）与均方根误差（RMSE，在 30%的范围之内）对测试数据与模拟数据的差异性进半透明光伏围护结构采光分析黎姝洵1，2，肖鹏1，2，徐丽1，2（1.四川水利职业技术学院，四川成都611845；2.四川水利创新发展研究院，四川成都611845）摘要：文章通过实验与模拟手段探究了在不同设计情况下半透明光伏幕墙对室内光环境的影响。通过Daysim建立光伏房间的采光模型并采用UDI、SDA与DGP参数分析室内采光环境质量。通过实验验证模型，发现其平均偏差均方根误差分别为7.13%和13.35%，表明该模型具有较高的可靠性。通过设计不同朝向、不同光伏电池覆盖率与不同光伏电池排布的光伏幕墙，分析其对室内光环境的影响，结果表明，南向的光伏幕墙能够为室内环境提供最优异的室内采光环境；同时随着光伏电池覆盖率的增加，SDA值逐渐下降。如果在光伏电池覆盖率不变的情况下将光伏电池排布在光伏幕墙下端可以有效增加光伏房间的采光质量。关键词：半透明组件；光伏围护结构；采光；数值模拟作者简介：黎姝洵（1988-），女，四川成都人，毕业于四川大学建筑科学技术专业，研究生，硕士，副教授。专业方向：建筑技术科学。图2模型验证实验测点分布图水 电 暖通技术与应用92安徽建筑行分析。平均偏差主要是表征数值模拟结果与实测结果之间的平均差异，均方根误差则是反映数值模拟结果与实测结果之间的偏差，其计算公式如下：()11m-SMBE(%)=mNiiiNiI=-（1）21()()(%)NiiiVmsNCRMSEm=-=（2）式中，mi是i点的测量值；si是i点的模拟值；N是测量数值的个数；-m测量值的平均值。1.3 室内光环境分析方法室内自然照度直接影响人们的正常学习和工作，因此首先采用有效自然采光照度（UDI）来评价室内采光环境，在本文中，UDI指数将室内照明条件分为300lx、300lx-2000lx 和 2000lx 三个范围。它仅提供 100lx2000lx之间照明水平的充分评估，表明超出此范围的照明水平由于潜在的眩光或太暗而无效。室内自然采光能够满足人们学习和工作的时间是有限的，因此为了分析全天不采用人工照明的时间，本文又采用全自然采光百分比（sDA）10对室内采光环境进行分析。年度 sDA 表示为自然采光充足的面积占整个办公室面积的百分比，其中自然采光充足的面积为在50%的工作时间，满足300lx（sDA100lx/50%）的房间面积。其中310月份的工作时间为7：0017：00，其余月份工作时间为8：0018：00。由于室内眩光对人体的视觉舒适性也有巨大影响，因此本文进一步采用日光眩光概率（DGP）9来评估光伏房间室内自然采光情况。2结果分析2.1 模型验证为了减少实验数据偏差，利用从 6月9日-11日三天的实验数据对模型准确性进行验证，实验测试与数值模拟结果随时间变化曲线如图3所示。从图3中可以发现，实验测试数据与数值模拟数据的变化规律相同，而实验测试数据在 11：0013:00之间的值都要略高于数值模拟数据，主要是由实验测试中太阳辐射对照度测试的影响大于数值模拟中对照度的影响所导致的。随后利用公式（1）与公式（2）对实验测试数据与模拟数据之间的平均偏差和均方根误差进行计算。通过计算得知，所使用的模拟模型平均偏差为 7.13%，明显小于 10%，同时均方根误差则为13.35%，也远远小于30%。这表明所使用的室内采光数值模拟模型具有较高的可靠性。图3实验测试与数值模拟结果随时间变化的曲线图2.2 数值模拟结果分析2.2.1不同朝向图 4为光伏幕墙不同朝向时，房间0.75m高度处UDI的分布。光伏幕墙朝南有最高的 sDA值，为 45.6%。sDA值从大到小依次为南向、东向、西向、北向。从图5可以看出，北向房间远离幕墙的区域采光较少；与北向相比，南向、东向、西向的房间UDI分布更加均匀，但北向房间幕墙附近的区域有更舒适的采光。图4房间0.75m处不同朝向的UDI分布图5不同朝向房间sDA300lx值2.2.2不同覆盖率图6为光伏幕墙不同光伏电池覆盖率的情况。光伏电池在光伏幕墙上均匀排布，从（a）（g）覆盖率分别为 0.25、0.35、0.66、0.78、0.82、0.9。图7为不同覆盖率情况下光伏房间的sDA值。由图可知，随着覆盖率的增加，sDA值逐渐下降。对于均匀排布的光伏幕墙，减少覆盖率对光伏房间的采光改善并不显著。将光伏幕墙覆盖率从0.9 降低到 0.25，光伏房间的 sDA 值增加了37.7%。同时光伏幕墙对室内光环境的影响并不随覆盖率均匀变化，随着覆盖率的增加，光伏房间sDA值减少的幅度也逐渐下降。可以看出覆盖率为0.66时，sDA值降幅最大，考虑到光伏幕墙的年发电量情况，选择覆盖率为0.52比较合适。图7不同覆盖率情况下光伏房间sDA值2.2.3不同光伏电池排布对于自然采光有一定需求的房间，可以适当降低光伏电池的覆盖率，因此研究如何在覆盖率不变的情况下提供较为充足的自然采光也很有必要。除了光伏电池均匀排布的情况，以下讨论光伏电池非均匀分布的四种情况，如图8，其中光伏电池覆盖率均为0.25。案例1为光伏电池全部排布在光伏幕墙下端；案例2为光伏电池排布在光伏幕墙上下两端；案例3为光伏电池排布在光伏幕墙上端；案例4为两排光伏电池紧挨，然后均匀分布的情况。图 9 为不同光伏电池排布时房间0.75m处 UDI分布情况。可以看出，在过度采光与其他案例相似的情况下，案例1的UDI分布更均匀。经计算，案例1案例 4 房间 0.75m 处 sDA 值分别为图8光伏电池不同排布情况图6光伏幕墙不同覆盖率（下转第133页）水 电 暖通技术与应用93安徽建筑火灾发生时，火源处的温度变化最明显，温度变化趋势大致相同。通过楼梯间和电梯井上升到13楼的烟雾是导致13楼中间区域充满烟雾的主要因素。通过深入分析发现，疏散效率与人员密度、人员相对位置、疏散拥挤程度有关。在实际消防工作中，消防通道中存在大量的滞留和拥挤是导致消防人员疏散效率下降的重要因素。能见度的改变对疏散和营救工作具有重要的指导作用。在本研究所进行的数值仿真中，最好的应急疏散通道是东边的疏散通道。参考文献1李元齐,杜志杰,路志浩,等.装配式钢结构体系建筑一体化建造技术研发和实践J.建筑钢结构进展,2021,23(10):12-25.2靳立磊.装配式建筑安全管理中BIM技术的应用研究J.大众标准化,2022(17):52-54.3杨连杰,夏吉勇,刘辉,等.基于BIM技术的装配式建筑结构设计与探究J.砖瓦,2022(08):60-62.4唐嵩皓,李新卓.基于BIM的装配式建筑施工精细化管理研究J.城市建筑空间,2022,29(S1):389-390+395.5刘占省,吴震东.基于数字孪生的装配式建筑构件安装智能化管理模型研究J.施工技术(中英文),2022,51(11):54-60.6王侃,杨礼东,刘勇,等.BIM技术在天府万达国际医院项目施工中的应用:以天府万达国际医院项目为例J.智能建筑与智慧城市,2022(07):115-117.7王会,方金强,张兵.国内装配式建筑研究热点与演进趋势:基于CiteSpace的可视化分析J.科技和产业,2022,22(05):208-217.8李博,杨振喜,王增强.基于 BIM 技术的某装配式办公楼火灾时人员疏散模拟研究J.建筑安全,2022,37(05):37-40.9陈钊,孙景楠,周子龙,等.基于DEA方法的公路工程施工现场安全管理绩效评价研究J.长沙理工大学学报(自然科学版),2022,19(01):105-114.10程灏,刘淑芳,姜凤珍.基于变权-正态灰云模型的装配式建筑施工安全评价J.数学的实践与认识,2021,51(22):54-66.64.4%、60.6%、60.6%和 63.3%。可以看出，将光伏电池排布在光伏幕墙下端可以有效增加光伏房间的采光质量，其sDA 值甚至与透明玻璃幕墙相同。此外，相较于完全均匀分布的情况，案例4的半均匀分布也能增加采光质量。图9房间不同光伏电池排布0.75m处UDI分布情况由于室内采光量非常充足，可能会导致过度采光以及眩光的可能性，因此需研究不同情