非晶硅薄膜光伏幕墙节能计算模型的构建研究

非晶硅薄膜光伏幕墙节能计算模型的构建研究
发布时间：2021-12-24T07:19:58.566Z 来源：《建筑实践》2021年第25期作者：张要锋胡铮龙[导读] 以非晶硅薄膜光伏幕墙为对象，通过分析其当前节能计算存在问题
张要锋胡铮龙
光伏发电系统控制与优化湖南省工程实验室，湖南湘潭411100 摘要：以非晶硅薄膜光伏幕墙为对象，通过分析其当前节能计算存在问题，在当前模型基础上提出增加特征参数计算和发电补偿量计算的内容，创新优化形成新模型，并将研究计算的相关参数有机融入到传统建筑节能计算软件中，进行建筑耗能分析及权衡判断，为公共建筑非晶硅薄膜光伏幕墙的节能计算提供必要的技术依据。

关键词：非晶硅薄膜幕墙节能计算模型构建
项目基金：湖南教育厅科学研究项目（19C0874）
2020年9月，习近平主席第75届联合国大会一般性辩论上宣布“中国将二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和”的目标。

如何节能减排成为我国经济持续性发展的重要任务，据有相关部门统计，当前我国建筑业的直接碳排量巨大，约占全国总碳排放总量的10%左右。

如何在降低建筑自身能耗同时让建筑产生能源，是解决建筑的碳减排最有效的途径。

近些年，随着光伏发电技术的成熟和发展，我国大中城市中涌现了大量光伏幕墙建筑，光伏幕墙也已成为未来建筑可持续发展方向之一。

非晶硅薄膜光伏幕墙色彩丰富、透光均匀柔和，可根据需要选用不同的透明度，在耐热及弱光效应方面均表现出色，相比晶体硅电池的它价格相对低，其在高温、反射或散射弱光条件下比晶硅电池增加10%左右的年发电量。

非晶硅光伏电池具有特殊的表皮机理，可做为装饰材料为建筑增添光影效果，又能为建筑发电产能，具有多重的功能，越来越受到市场的青睐。

一、计算模型存在问题及原因分析
目前在推广非晶硅薄膜光伏幕墙中出现了很多问题，如客户对产品认知度不够、单位面积发电效率低等，其中最不能让人接受的是非晶硅薄膜光伏幕墙虽然是节能材料，但是在现有节能计算模式中无法计算或者出现计算不节能的结果，严重制约了光伏幕墙技术的推广。

分析其原因主要有如下两点：
原因一：采用传统节能计算方法，缺乏光伏器件的相关参考数值。

在现行规范计算模式下，计算者对非晶硅薄膜光伏电池的构造和材料性能认识不够，忽略材料的自身特性。

如它内部的结合胶粘层，其传热系数本身就比较低属于保温材料；内部的导电膜就是生产建筑Low-E玻璃的材料，对室内的红外线高反射，抑制玻璃内表面的热辐射；同时电池在发电的同时产生热量，对环境温度也有一定的影响。

这些在传统的节能评估或节能计算模型都没有利用，造成判断上准确性缺失。

原因二，当前节能计算模型下，没有考虑非晶硅薄膜光伏幕墙的发电量对建筑用能的补偿。

用非晶硅薄膜光伏器件来替代传统的玻璃幕墙，它将光伏器件与建筑材料集成化，发挥材料1+1>2的功能，光伏器件即是建材又是发电材料，组件能将照射在建筑上的太阳能转化电能，达到产能、节能的效果，这不同于传统的节能建材的在进行节能计算时，只需考虑材料的节能保温性能即可。

所以在非晶硅薄膜光伏幕墙节能评估或者节能计算时，应增加发电量对建筑的用能补偿的内容和完善光伏幕墙特性评价指标。

总之，研究构建光伏幕墙的新模型将其应用到实际工程节能评估和节能计算审查上，为非晶硅薄膜光伏材料是节能材料提供理论依据。

二、构建的新模型及计算模块介绍
基于以上两个原因，如果要解决好非晶硅幕墙的节能计算的问题，就要在当前的计算模型中增加相应模块，如光伏器件的热工性能参数和发电量补偿计算的内容，并将计算的相关产生参数有机融入现有建筑节能计算中，调整优化计算模型，使其更加适合非晶硅薄膜幕墙节能计算，经过多番的实际验证和修改后，提出如下新计算模型：
构建的新模型包括非晶硅光伏幕墙的基础参数计算模块、补偿电量计算模块和传统软件模拟计算模块三个部分组成。

其中，模块一为基础参数计算，它是根据选择非晶硅薄膜的构造进行分解计算，解决当前光伏幕墙计算中，缺乏光伏器件的相关参考热工参数值和参数库的内容。

模块二为补偿电量计算，它是补充传统节能计算模式中没有考虑光伏幕墙产生电能对建筑能耗的贡献，并创新提出单位面积补偿量等量，来导入软件模拟权衡判断中建筑单位面积耗能的计算。

模块三为软件模拟计算，它是在原来节能计算进行改造，将前两模块研究的内容有机融入其中，配合衔接现有的建筑节能设计规范和计算软件，该部分根据需要划分为建模常规计算和权衡判断两部分内容。

1.基础参数计算模块
（1）非晶硅薄膜光伏器件选型及构造
当前对建筑材料热工性能和光学性能的研究计算都比较成熟，非晶硅薄膜光伏器件作为一种新型建筑材料，只有深入了解其内部构造，才能更对其热工性能和光学性能进行计算。

对于非晶硅薄膜电池中的玻璃、中空层构造层来说，现有节能计算软件已经包含的相关参数及设置方法，只需对非晶硅薄膜组件中的PVB结合层、p-i-n阶层和导电膜层进行研究，将建立相应计算公式，并汇集到软件中提出建立相关参数库，运用到当前的节能计算模拟软件中。

目前市场上，光伏幕墙常用的非晶硅薄膜光伏组件主要有两种，一种为中空组件，另一种为常规组件的，其内部构造如下图所示：
第一层为3.2厚超白钢化玻璃。

它是电池的基底，可见光透过率大于91%，具有良好透优性，能最大范围、最大限度提高光伏薄膜电池的光电转换效率。

第二层为TCO。

它是透明氧化物导电膜，具有高的光线透过率，光线穿过它被电池吸收，因能够导电也作为电池的一个电极。

TCO一般制备成绒面，可以起到减少反射光从而增加光的吸收率的作用。

以上这两层为非晶硅薄膜电池层沉积的基础。

第三层为电池层，即p-i-n层，分别由非晶硅掺硼形成p 区，掺磷形成n 区，非杂质或轻掺杂的形成i 层，它太阳能电池的本征层，光生载流子主要在该层产生。

p、n 区在电池内部形成内势场，以收集电荷同时与背电极和Al/Ag 电极形成欧姆接触，对外部提供电功率。

第四层为结合层，主要起到黏结和提高相关性能作用，常用材料有PVB或EVE。

传统的光伏组件采用EV A材料，因其抗老化性差，随着时间的增加会老化发黄，影响发电效率和美观性。

而PVB是由聚乙烯醇和丁醛在强酸催化作用下反应得到的高分子化合物，PVB树脂具有良好的相溶性，可以加入内部增塑剂、粘接力调节剂，抗氧化，紫外线吸收剂等添加剂，经高压复合、加温而成。

使组件具有良好的耐寒性、耐热性、改善耐候性、低温性等特点。

第五层钢化玻璃保护层，它具有很高的透光率，超白钢化颜色统一、可见光透光性优点，它是低铁玻璃，其内部铁含量仅是普通的
1/10不到，对可见光中的绿波、红紫波段吸收能力弱，确保颜色一致性。

中空组件除了以上的5层构造组成，还有真空层和内部钢化玻璃保护层，所以既有常规组件性能外，还具备中空玻璃的保温、隔热、隔音等性能。

（2）热工性能参数计算
非晶硅薄膜幕墙常用的热工性能有遮阳系数、传热系数、可见光透射率、环境温度影响修正值等。

1）光伏幕墙传热系数
常规非晶硅薄膜光伏幕墙的传热系数计算可以参考加胶玻璃的计算方式，充分考虑内部结合材料的特点，如EVE、PVB等光伏电池组件的常用物质，很好的隔热保温性能，它们是以共聚物形式存在，具有光学透明性、耐环境应力开裂性、耐候性、耐腐蚀性、热密封性等，热熔分解后，形成网状结构，可以参考硅酮胶的相关性能进行计算；电池层厚度只有纳米级，可以忽略设置或者按玻璃计算。

光伏薄膜电池本身就是节能材料，薄膜电池片内部的TCO导电膜，也是生产建筑Low-E玻璃的材料，它能有效抑制玻璃内部的热辐射。

这里的传热系数采用中心部位而不考虑边缘效应，稳态条件下，选用非晶硅薄膜组件类型的U值可以主要参照依据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008的公式（1/U=1/he+1/hi+1/ht）进行核算。

2）光伏幕墙遮阳系数
非晶硅薄膜光伏幕墙的遮阳，可以根据安装室内环境要求不同，选择不同遮阳效果的组件，非晶硅薄膜光伏幕墙单元的遮阳系数为其总透射比与标准3mm厚透明玻璃的太阳光总透射比的比值，计算依据GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》规定的计算公式
Swc=gw/0.889计算，其与光伏幕墙的透射比和铝合金型材的面积、非晶硅组件的面积、透射比有关。

3）光伏幕墙可见光透射率
光伏幕墙可见光透射率等于室内可见光与所有太阳光透过非晶硅光伏幕墙构比值。

根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005的中的可见光透射比的计算公式为：τw=τgAg/Ag+Af 进行计算。

非晶硅光伏幕墙的因为考虑发电量的最大化，组件通常不透光，不过也可根据设计需要的室内光环境来选择透光率在20%-40%之间薄膜组件。

4）环境温度影响修正值
非晶硅电池片在光电转换过程会产生热量，影响其表面温度，这将对幕墙室内外热量交换的影响。

通过翻阅相关文献和一定时间观测发现，硅光伏组件在工作时间的表面温度比气温普遍高上3-6 C°，在幕墙正南随气温变化呈现非正比线性变化，且夏季温差大于冬季温差、
晴天温差大于阴天温差，说明非晶硅光伏幕墙对室内的热环境在建筑的保暖方面有积极作用，重点体现在表面温度比环境温度高，在节能计算时，可以在最低温度基础上适当修正，提高计算的室外温度；在夏季空调耗能计算时，也要对最高温度修正提高，以确保非晶硅薄膜光伏幕墙节能计算的准确性。

2.补偿发电量计算模块
（1）光伏幕墙补偿发电总量
当面光伏电站发电量及其衰减和计算研究也比较成熟，对于非晶硅光伏幕墙的发电补偿量，可以通过PVsys软件模拟或发电量计算公式来实现。

如采用公式进行计算，应对光伏建筑的立面发电量相关参数按照地面光伏电站计算基础上调整修正，将其转化成建筑立面的辐射值。

根据《光伏发电设计规范》中关于光伏发电量计算的公式：Ep=HA×PAZ/ES×K进行优化，原公式HA为水平面太阳能总辐照量，在光伏幕墙计算时应考虑乘以相应折减系数，转化为建筑垂直面太阳能总辐射量；其中PAZ（安装容量）和ES（标准条件下辐照度）保持不变；在修正系数K的选用上，重点考虑组件类型系数、转化效率系数等与光伏类型相关参数修，应考虑到非晶硅薄膜组件的前期衰减率较大，后期衰减趋于稳定的特性，在第一年衰减率取值建议为-10%。

其他K值如光伏幕墙倾角、方位角的修正系数结合站址所在地太阳能资源数据及纬度、经度，进行计算；光伏可用率系数要考虑光伏幕墙不同于地面电站的维护和管理，可用率就适当提高；遮挡影响系数，一般光伏幕墙系统自遮挡较少，主要考虑周边建筑和树木的对立面的遮挡，取值可以适当提高；逆变器效率、集电线路、升压变压器损耗系数可按常规光伏电站取值；光伏组件表面污染修正系数可以适当减小，考虑建筑立面的清洗难度和清洗间隔要求。

（2）年平均发电补偿量
光伏幕墙的年平均发电补偿量等于补偿发电总量与非晶硅光伏组件正常使用寿命的比值（即EN=EP/N），目前按照国家光伏组件生产规范要求，光伏组件的正常使用寿命应不低于25年。

因为光伏发电器件存在发电逐年衰减现象，年发电量存在较大差值，以100kW光伏电站为例，第1年和第25年的发电量相差2万度左右，为呈现光伏幕墙对建筑年能耗的出力程度，可以增加年平均发电补偿量作为节能建筑的重要考量之一，同时也可以将其结果直接运用到现有的节能计算软件中，对接权衡判断中的全年耗能量。

（3）单位面积补偿量
单位面积发电补偿量等于年平均发电补偿量与建筑使用面积的比值（即ES=EN/S），该值能更好地反映建筑单位面积产生能源的总量。

它可与当前建筑节能规范很好的对接，也能将直接运用到现有的模拟计算软件中，对接权衡判断的建筑单位面积耗量，并在模型建筑空调和采暖基础能耗年平均能耗基础上减去该值得到建筑实际的单位面积耗能量。

3.软件模拟计算模块
（1）模型搭建
可以采用国内通用PKPM、eQUEST等软件进行建筑能耗模型，并进行节能计算，判断建筑是否满足当前节能标准，最终生成详细的设计说明和计算报告，如果需要进行节能权衡判断时，软件能提供相似类型的参考建筑对比能耗，以多种直观方式将建筑的耗能和经济指标分析结果显示出来。

设计利用PKPM、eQUEST等软件对拟建的非晶硅薄膜光伏幕墙建筑，先按照传统玻璃幕墙建筑进行拟建模分析，建模条件包括建筑所处的属于热工分区，建筑的甲、乙、丙类性质分类，以及优化后的模块一基础参数计算中的光伏幕墙传热系数、光伏幕墙遮阳系数、光伏幕墙可见光透射率等参数，并利用非晶硅光伏幕墙对环境气候温度影响数值修正，涉及到建筑当地的设计热工分区的最低、最高温度等温度参数。

把这些数值导入到传统节能软件拟搭建的模型中进行节能计算，最终计算结果包括屋顶、外墙类型、外窗、幕墙、热桥等部位的导热系数、蓄热系数、热阻、热惰性指等参数。

将最后计算的建筑能耗指标与我国当前实施的《公共建筑节能设计标准》允许指标进行比对，如果满足该规范要求，完成非晶硅薄膜光伏幕墙节能计算，生成设计说明和计算报告并增加光伏幕墙补偿发电量计算和经济效益内容。

不满足要求，对建筑进行更为复杂的建筑节能权衡判断。

（2）权衡判断和对比
前面的节能计算不能完全满足现有《公共建筑节能设计标准》规定的围护结构热工要求时，应根据规范要求，对该建筑进行全年空气调节和采暖能耗，全年总耗能量和单位面积耗能量的计算。

这时把构建新模型的模块二补偿发电量计算导入到该权衡判断中。

用建筑年总能耗量和单位面积能耗量分别减去非晶硅薄膜光伏幕墙年平均发电补偿量、单位面积补偿量等参数，最终得出该建筑接近真实的能耗数值。

然后与软件中提供的参考建筑进行全年能耗的对比，判定建筑的围护结构总体热工性能是否比参考建筑更节能，根据标准要求参考建筑是围护结构热工性能满足现行标准的要求。

如对比低于参考建筑的能耗，说明光伏幕墙建筑满座现行标准，完成非晶硅薄膜光伏幕墙节能计算，增补增经济效益内容，生成设计说明和计算报告。

三、总结
总之，通过对非晶硅薄膜光伏幕墙的材料热工性能和环境温度影响修正值等等剖析计算，将热工性能的传热系数、遮阳系数、可见光投射率、温度影响修正值等直接运用到现有节能计算软件中，建立光伏幕墙特性的热工性能参数库，通过非晶硅薄膜光伏幕墙的发电量与组件类型，衰减率、自遮挡等其他因素的影响关系，提出其优化修正的年发电补偿总量，单位面积耗能量等参数；在原有模拟软件计算结果的基础上，编订相关计算法则，得到建筑实际能耗指标，通过光伏幕墙建筑和传统参考建筑的年平均能耗指标对比，最终形成非晶薄膜光伏幕墙节能计算模型。

这种计算新模型，考虑到光伏组件组成物质的特性和自身发电特征，提出单位面积补偿量、年均发电补偿量、综合的节能减排效益等创新指标，在不改变传统建筑节能计算模型的基础上，对其进行优化和补充，从而达到更好地推广非晶硅薄膜光伏幕墙的目的。

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