亚热带气候建筑中光致变色和半透明光伏玻璃的隔热与采光性能研究：以香港的实际应用为探讨对象

《Renewable Energy》：Thermal and daylighting performance of photochromic and semi-transparent photovoltaic glazing in subtropical climate building applications: An exploratory study for practical application in Hong Kong

　　**研究标题：** 王明扬|王梦梦|孔哲|向长英
**所在机构：** 中国苏州大学建筑学院

**摘要：**
本研究通过实验方法评估和比较了光致变色（PC）玻璃、半透明光伏（STPV）玻璃和单层玻璃（SG）在香港亚热带气候条件下作为窗户材料的热性能和日光性能。研究人员建造了三个1:7.5比例的测试装置，并配备了温度传感器、日射强度计和照度传感器，在不同天气条件下对这三种玻璃进行了四天的监测。研究结果表明：
1) STPV玻璃在表面温度较高的情况下仍具有优异的热性能，对室内空气温度的影响最小，显示出节能潜力；
2) PC玻璃能够动态调节光透射率，在保持与SG相似的室内空气温度的同时减少太阳能热量吸收；
3) 与SG和PC玻璃相比，STPV玻璃提供的室内自然日光水平更低但更为稳定；
4) 利用STPV玻璃的发电功能补充人工照明时，在晴天和阴天的工作时间内，有用照度的比例分别比PC玻璃高4.7%和21.7%，这突显了其在优化日光性能和能源利用方面的显著优势；
5) 斯皮尔曼相关性分析表明，即时水平和垂直太阳辐射是影响所有类型玻璃日光性能的主要因素。

**引言：**
随着全球能源需求的持续增长和气候变化问题的日益严重，建筑物占全球能源消耗的约40%[1]。在建筑能耗中，建筑围护结构的热性能起着关键作用，而窗户由于低热绝缘性能和透明性成为能源损失的主要来源之一[2]。热量损失、太阳辐射吸收以及空气渗透通过窗户直接影响室内热环境，增加了供暖、制冷和通风系统的能源需求。因此，减少窗户的能源损失是提高整体建筑能源效率、降低能耗的关键手段。目前亟需在建筑中采用先进的玻璃材料。以往的研究提出了多种新型建筑材料，包括光伏（PV）玻璃[3,4]、电致变色（EC）玻璃[5]、光致变色（PC）玻璃、悬浮颗粒装置（SPD）玻璃[6]、分散液晶（PDLC）玻璃[7]、热致变色（TC）玻璃和气致变色（GC）玻璃等。一些先进技术（如PC、SPD和PDLC）需要外部电刺激来控制其行为，虽然智能化程度高，但操作系统较为复杂；而TC玻璃等产品仍需克服耐久性、响应时间较慢和初始成本较高的问题[8]。本研究旨在探索易于维护和操作的先进玻璃技术，以便大规模应用。

**建筑集成光伏（BIPV）技术**是将可再生能源发电与建筑能源效率相结合的创新解决方案[9,10]。作为一种具有大规模生产潜力的先进玻璃类型，半透明光伏（STPV）玻璃是BIPV技术的重要应用形式，它将光伏发电集成到窗户和幕墙等建筑构件中，从而实现可再生能源利用并优化自然采光和节能性能，提升建筑可持续性[11,12]。近年来，研究人员利用仿真软件和实验方法对STPV的全面性能进行了深入分析，重点研究了其热性能、电能效率和日光性能以及优化潜力。不同的光伏材料被用于BIPV玻璃的制作，包括碲化镉（CdTe）、钙钛矿、有机太阳能电池等。其中，基于CdTe的STPV在稳定性、经济性和大规模制造能力方面表现出优势[13-15]。

**光致变色（PC）玻璃和半透明光伏（STPV）玻璃的性能比较：**
本研究在亚热带气候背景下比较了PC玻璃和STPV玻璃的性能，为类似气候条件下的建筑围护结构设计提供了宝贵见解。通过直接实验，本研究综合评估了这些新型玻璃的热性能、日光性能和电能性能，从而全面了解了它们的特点和优势。

**实验设计与方法：**
为了更好地理解不同类型玻璃的性能，研究探讨了环境变量（如太阳辐射、环境温度）与室内照度和发电能力等性能指标之间的关系。相关性分析是常用的评估方法，其中皮尔逊（Pearson）、肯德尔（Kendall）和斯皮尔曼（Spearman）相关系数是最常用的方法。皮尔逊系数适用于评估两个变量之间的线性关联[26]。Jebli等人在英国彭林地区对不同透明度的CdTe STPV玻璃进行了热性能研究，发现使用最低透明度的玻璃在西南朝向的情况下，可减少96%的太阳热量吸收和23.2%的制冷能耗[13]。Wang等人研究了STPV玻璃在热带岛屿气候条件下的性能，发现该玻璃可减少约24%的热量吸收、4.4%的暖通空调能耗和3%的总能源需求[14]。他们结合数值模拟和实验测量，全面评估了STPV玻璃在香港地区的发电能力、热性能和日光效率，表明STPV玻璃不仅在能源方面具有优势，还能提供高质量的室内色彩呈现效果[10]。Huang等人研究了不同结构设计的STPV玻璃，并对其热性能和电能性能进行了实验分析[15]。Qiu等人对不同气候区域内的真空光伏隔热玻璃单元进行了热性能模拟，结果显示这种玻璃在典型气候下具有显著的节能潜力[16]。一些学者还研究了STPV玻璃的视觉舒适度[17,18]。为推广基于CdTe的STPV玻璃，Huang等人通过全尺寸实验和EnergyPlus软件模拟，研究了不同气候条件下的STPVE配置[19]。

**相变材料（PCM）：**
相变材料（PCM）是一种近年来在窗户应用中展现出巨大潜力的被动技术。作为一种智能相变玻璃，光致变色（PC）玻璃可根据太阳辐射水平的变化自动调节其光学特性（颜色和透射率变化[20]。在强日光照射下，嵌入PC玻璃中的光敏晶体受紫外线刺激会改变分子结构，呈现更暗/有色的状态；当光照减弱时，玻璃会恢复到透明状态[21]。这种响应日光变化的特性使PC玻璃成为具有提升室内日光质量和减少不必要的热量吸收的优秀窗户材料[22]。Teixeira等人进行了小规模实验，比较了PC玻璃和传统透明玻璃的性能，发现PC玻璃可以降低14%的室内温度并减少10–50%的可见光[23]。Cannavale等人通过仿真研究了PC玻璃的能源性能，并将其与透明玻璃和商用太阳控制玻璃进行了对比，证明PC玻璃具有更强的节能效果[24]。Khaled等人研究了不同窗墙比例和气候条件下PC玻璃的能源性能、日光效率和眩光控制效果，发现低窗墙比例下节能效果为1%–4%，而在以制冷为主的气候条件下节能效果可达10%–14%，同时显著降低室内眩光水平[25]。

**结论：**
STPV和PC玻璃分别是两种新兴的主动和被动建筑技术，均对建筑物的碳减排和节能具有显著影响。建筑师和工程师需要了解这些新技术的特点，并根据具体应用场景选择最适合的材料。然而，目前缺乏对这些技术的详细对比研究。尽管已有研究全面探讨了STPV玻璃的热性能、电能效率和日光性能，但大多数研究仍以单层玻璃或低辐射涂层玻璃作为参考对象。对于PC玻璃，现有研究主要集中在数值模拟上，实验研究相对较少。文献中缺乏关于STPV和PC玻璃热性能和光学性能的系统性比较分析，尤其是缺乏实际应用数据。缺乏实证数据和对比研究使得建筑师和工程师难以为不同应用场景选择合适的先进玻璃类型。因此，有必要在实际室外环境中全面评估这两种有前景的先进玻璃的性能，以更好地发挥其在建筑节能和室内环境优化中的作用。本研究将通过实验方法比较和分析PV玻璃、PC玻璃和单层玻璃（SG）的热性能和日光性能，以弥补现有研究的不足，为先进建筑玻璃系统的优化设计和应用提供科学依据。虽然这项关于PC玻璃的实验研究规模有限，且缺乏与STPV玻璃的总体比较，但它仍为相关领域做出了贡献。
**结论**
本研究在香港进行了一系列实验，系统地评估了STPV玻璃和PC玻璃的热性能和光学性能。鉴于现有文献中缺乏关于这两种先进类型玻璃的对比研究，本研究的成果有助于填补这一知识空白。主要结论如下：
与SG玻璃相比，PC玻璃的内外表面温度显著更高；同时，PC玻璃的CRediT评分也更高。

**作者贡献声明**
Wang Wanting：概念化设计、调研方法、软件开发、数据可视化、论文初稿撰写。
Wang Mingyang：调研工作、数据可视化、论文初稿撰写。
Wang Mengmeng：数据整理、论文撰写。
Kong Zhe：项目监督、论文修订与编辑。
Xiang Changying：概念化设计、项目资金申请、调研方法制定、项目管理工作、项目监督、论文修订与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
本研究得到了香港研究资助委员会（RGC）早期职业发展计划（项目编号26209223）的支持。作者衷心感谢香港科技大学（HKUST）和香港研究资助委员会的资助，并感谢South Star Glass Limited提供测试用PC样品。