林成楷，程遠(yuǎn)達(dá)，楊晉明，高峰，秦智勝，吳璠

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著各國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界能源需求量日益增長，社會能源問題日益突出.清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心[1]的研究表明，2018年，我國建筑能耗已經(jīng)占到全社會總能耗的37%，并且這個數(shù)據(jù)近幾年仍在不斷上升.因此，發(fā)展節(jié)能建筑對降低總體能源消耗影響深遠(yuǎn).由于外窗具有較高的傳熱系數(shù)，因此，減少外窗傳熱造成的建筑能耗是降低建筑總能耗的關(guān)鍵[2].光伏(PV)外窗是一種新型節(jié)能窗戶，不僅能滿足基本功能，還能利用光伏組件的光電效應(yīng)生產(chǎn)清潔電力，從而為建筑能源系統(tǒng)提供部分電能，緩解建筑實際用電負(fù)荷[3].光伏外窗的逐步推廣將對我國能源使用結(jié)構(gòu)的改善和優(yōu)化升級帶來深遠(yuǎn)影響.

雙層光伏外窗是光伏外窗中較有特色的一類，國內(nèi)外許多學(xué)者對雙層光伏外窗的應(yīng)用效果及運(yùn)行特性進(jìn)行了多方面的研究.Kapsis等[4]采用Daysim軟件對不同透過率的半透明光伏外窗及其他類型光伏外窗的居室進(jìn)行室內(nèi)采光性能的全年動態(tài)模擬和研究，結(jié)果表明，當(dāng)雙層光伏外窗的外層采用透過率為30%的非晶硅光伏玻璃時，室內(nèi)全年的自然采光狀況基本達(dá)標(biāo)，此時，全自然采光空間占比sDA300，50%=1，且眩光概率DGP=5%.Moralejo-Vazquez等[5]通過紫外線分光光度計對光伏外窗的光學(xué)性能進(jìn)行實驗研究，結(jié)果表明，通過調(diào)整光伏外窗的透過率可以實現(xiàn)采光質(zhì)量與室內(nèi)得熱量相互協(xié)調(diào)，光伏系統(tǒng)與建筑能夠高效率地進(jìn)行集成.Yan等[6]采用Radiance軟件對雙層玻璃窗間夾有不同朝向與角度的板條進(jìn)行模擬研究，采用自然采光有效照度(UDI)、照度均勻度(UR)及DGP等指標(biāo)進(jìn)行采光環(huán)境評價，結(jié)果表明，帶有透明條的雙層玻璃窗有更好的采光性能，可以使得自然采光有效照度增加47%～79%，還能有效地降低眩光概率.Cheng等[7]對寒冷地區(qū)的半透明光伏外窗辦公建筑的采光質(zhì)量和節(jié)能潛力進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明，當(dāng)光伏外窗的安裝朝向為南向、窗墻比為40%～50%且透過率為50%～60%時，采光良好，節(jié)能效果較好.何偉等[8]在合肥地區(qū)對空冷型雙層光伏外窗、單層光伏外窗和中空型雙層光伏外窗進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，相比于其他兩類窗戶，空冷型雙層光伏外窗可以有效減少夏季的室內(nèi)冷負(fù)荷效果.黃啟明[9]通過軟件模擬的方法分析光伏外窗內(nèi)的空腔間距對雙層光伏通風(fēng)窗的熱性能及室內(nèi)負(fù)荷的影響，結(jié)果表明，當(dāng)空腔間距為60～70 mm時，雙層光伏通風(fēng)外窗煙囪效應(yīng)最為顯著，通風(fēng)性能較為優(yōu)良.

上述文獻(xiàn)主要從采光和能耗特性角度對雙層光伏外窗建筑進(jìn)行研究，但主要針對局部改善或簡單層級比較.目前尚未見到對雙層光伏外窗采光和能耗特性進(jìn)行整體評價的模型研究，而在實際工程應(yīng)用中，雙層光伏外窗設(shè)計方案選取是個典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題，需要綜合且科學(xué)地評估各方案.因此，本文選取雙層光伏外窗建筑的采光性能、能耗水平、節(jié)能率3個主要評價指標(biāo)做為多目標(biāo)優(yōu)化的研究對象，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)改進(jìn)TOPSIS法進(jìn)行雙層光伏外窗建筑采光與能耗性能評價.

1 雙層光伏外窗建筑采光與能耗性能評價模型

1.1 現(xiàn)有評價指標(biāo)

1.1.1 采光性能評價指標(biāo) 室內(nèi)采光性能評價指標(biāo)主要分為靜態(tài)評價指標(biāo)與動態(tài)評價指標(biāo)，其中，動態(tài)評價指標(biāo)是對全年的室內(nèi)自然光環(huán)境的時空分布規(guī)律進(jìn)行整體評價，評價較為全面的.比較常見的室內(nèi)采光性能動態(tài)評價指標(biāo)主要有以下2個.

1)自然采光有效照度.自然采光有效照度是工作平面照度的一個動態(tài)自然采光評價指標(biāo)，表示照度區(qū)間出現(xiàn)的時間占比，即表示能有效利用自然采光的水平.100 lx以下、100～2 000 lx和2 000 lx以上的照度分別對應(yīng)自然采光不足、自然采光可利用和自然采光量過高且有可能出現(xiàn)眩光3類情況.

2)全自然采光空間占比.全自然采光空間占比指的是一年超過50%的時間，僅在自然光照射下就能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)照度值的計算點(diǎn)占空間所有的水平照度計算點(diǎn)的比例.可利用的自然采光照度閾值下限為300 lx[10].當(dāng)sDA300，50%≥75%時，認(rèn)為自然采光質(zhì)量非常理想；當(dāng)sDA300，50%<55%時，認(rèn)為自然采光質(zhì)量較差；當(dāng)55%≤sDA300，50%<75%時，認(rèn)為自然采光質(zhì)量是可以接受的.

高峰[11]針對光伏外窗與普通窗室內(nèi)舒適照度閾值范圍分別建立相對應(yīng)的室內(nèi)動態(tài)自然采光評價指標(biāo)sUDIPV和sUDICG.該類指標(biāo)不僅明確了采光有效區(qū)域占比對應(yīng)的采光性能，還可區(qū)別眩光區(qū)域，因此，文中選取該指標(biāo)作為雙層光伏外窗建筑的采光性能評價指標(biāo).

1.1.2 建筑能耗性能評價指標(biāo) 建筑凈能耗(Qnet)的計算公式為

Qnet=Qhea+Qcoo+Qlig+Qequ-EPV.

(1)

式(1)中：Qhea為建筑采暖能耗，kW·h·(m2·a)-1；Qcoo為建筑制冷能耗，kW·h·(m2·a)-1；Qlig為室內(nèi)照明能耗，kW·h·(m2·a)-1；Qequ為室內(nèi)其他用電設(shè)備能耗，kW·h·(m2·a)-1；EPV為光伏發(fā)電量，kW·h·(m2·a)-1.

為進(jìn)一步分析雙層光伏外窗的相對節(jié)能潛力，引入建筑節(jié)能率概念.建筑節(jié)能率指的是雙層光伏外窗建筑與普通窗建筑的能耗差值除以普通窗建筑的能耗的比率.通過建筑節(jié)能率，可以客觀地對比一個地區(qū)不同方案帶來的建筑節(jié)能效果.因此，將建筑節(jié)能率作為建筑能耗性能的另一個評價指標(biāo).

1.2 采光與能耗性能評價模型

TOPSIS法是一種常用于有限方案的多目標(biāo)決策分析方法，該方法主要借助決策問題的初步方案構(gòu)建正理想解和負(fù)理想解，再以二者構(gòu)建各個初步方案的相對距離，并進(jìn)行排序，選出最佳方案.該方法可定量評價對象，已被廣泛用于社會經(jīng)濟(jì)和工程技術(shù)等領(lǐng)域的決策中，但傳統(tǒng)的TOPSIS法存在能體現(xiàn)方案間的差異性但不能體現(xiàn)相似性的局限性.統(tǒng)計數(shù)據(jù)量有限時，特別是對于較為無規(guī)律且波動的數(shù)據(jù)，難以保證決策結(jié)果的正確性[12].

灰色關(guān)聯(lián)分析(GRA)法是一種能使用全部數(shù)據(jù)，且能同等地處理各評價指標(biāo)的分析方法，有效地避免主觀因素及其他不可控因素對最終評價結(jié)果的影響[13].因此，為改善傳統(tǒng)TOPSIS法較難克服的缺點(diǎn)，引入灰色關(guān)聯(lián)分析法.灰色關(guān)聯(lián)分析法通過參考數(shù)列集合曲線和比較數(shù)列集合曲線的接近程度判斷聯(lián)系是否緊密，并用灰色關(guān)聯(lián)度定量描述.該方法具有原始數(shù)據(jù)需求量少、運(yùn)算簡便、數(shù)據(jù)規(guī)律容易尋求等特點(diǎn)[14].

多目標(biāo)決策問題中，判斷矩陣權(quán)重的確定也是一個核心問題，權(quán)重的確定方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩種.主觀賦權(quán)法中的典型方法為專家調(diào)查法，客觀賦權(quán)法的典型方法為熵值法.主觀賦權(quán)法有較強(qiáng)的主觀性，所得結(jié)果的可靠性較弱；客觀賦權(quán)法利用指標(biāo)值的信息量、相關(guān)關(guān)系或變異程度等確定權(quán)重，置信度較高.采光和建筑能耗性能皆為以客觀性的物理量為基準(zhǔn)的評價指標(biāo)，為避免憑經(jīng)驗確定指標(biāo)權(quán)重的主觀性出現(xiàn)歧義，文中用客觀賦權(quán)法中的熵值法進(jìn)行賦權(quán)[15].

綜上所述，以初步獲得的數(shù)據(jù)樣本為基礎(chǔ)，利用基于灰色關(guān)聯(lián)改進(jìn)TOPSIS法進(jìn)行方案選優(yōu).

1.2.1 結(jié)構(gòu) 雙層光伏外窗建筑采光與能耗性能評價模型，如圖1所示.

圖1 雙層光伏外窗建筑采光與能耗性能評價模型

評價模型由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、評價指標(biāo)層及方案層構(gòu)成.目標(biāo)層即為雙層光伏外窗建筑采光與能耗性能評價；準(zhǔn)則層包括采光性能能評價及建筑能耗性能評價兩個方面.在一定前提下，各方案通過該評價模型可得到相對優(yōu)劣關(guān)系.

1.2.2 評價矩陣的構(gòu)建 設(shè)雙層光伏外窗的設(shè)計方案有n個，P={P1，P2，…，Pn}；每個方案的評價指標(biāo)有m個E={E1，E2，…，Em}；xi，j為第j個方案中第i個指標(biāo)的原始數(shù)值(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)，則目標(biāo)決策問題的原始矩陣X為

(2)

1.2.3 評價矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化 為消除不同指標(biāo)、不同量綱的影響，方便各指標(biāo)間進(jìn)行比較，需對不同性質(zhì)的指標(biāo)采取不同標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化為[0，1]的數(shù)值.

有效益型指標(biāo)(指標(biāo)值越大)的無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理為

(3)

成本型指標(biāo)(指標(biāo)值越小)的無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理為

(4)

無量綱化后，所有指標(biāo)不僅全為區(qū)間[0，1]的數(shù)值，而且全化為效益型指標(biāo)(從數(shù)學(xué)意義上)，便于構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化評價矩陣.

1.2.4 基于熵值法的指標(biāo)權(quán)重的計算 將標(biāo)準(zhǔn)化后的評價矩陣進(jìn)行歸一化，即

(5)

根據(jù)文獻(xiàn)[14]所述的熵值計算方法，第i個指標(biāo)的熵值表達(dá)式為

(6)

利用熵值法對權(quán)重賦權(quán)，權(quán)重wi表達(dá)式為

(7)

1.2.5 標(biāo)準(zhǔn)化矩陣的加權(quán)和理想解的確定 對標(biāo)準(zhǔn)化的評價矩陣加權(quán)進(jìn)行處理，即

zi，j=wi×yi，j，

(8)

(9)

在矩陣Z中，選取m個指標(biāo)中的最理想值構(gòu)成參考數(shù)列Z0={Zi，0|i=1，2，…，m}，即Z0={Z1，0，Z2，0，…，Zm，0}，這個參考序列即為理想解.

1.2.6 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣的確定 計算第i個方案與理想解第j個指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi，j，設(shè)Zi，0與Zi，j在第i項指標(biāo)差的絕對值Δi，j=|Zi，0-Zi，j|，有

(10)

式(10)中:p為分辨系數(shù)，通常取值在[0，1]內(nèi).p應(yīng)充分體現(xiàn)關(guān)聯(lián)度的整體性，并具有抗干擾作用.

由式(10)可知：ξi，j與分辨系數(shù)p的值有關(guān)，而p是獨(dú)立于參考數(shù)列Z0之外的一個常數(shù)，一般情況下，p的取值為0.5.

1.2.7 基于灰色關(guān)聯(lián)矩陣的TOPSIS法的排序 以灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi，j構(gòu)造理想解模型，確定正理想解和負(fù)理想解，并以此為基礎(chǔ)計算各方案的相對距離[14-15].

正理想解由各方面最優(yōu)的指標(biāo)構(gòu)成，即

負(fù)理想解則是由各方面最劣指標(biāo)構(gòu)成，即

第j個方案到正理想解的距離為

(11)

第j個方案到到負(fù)理想解的距離為

(12)

通過每個方案到正理想解和負(fù)理想解的距離可計算各方案的相對貼近度Ci，j，即

(13)

按各方案的相對貼近度進(jìn)行排序，相對貼近度越小則方案越優(yōu)，從而得到最佳方案.

2 雙層光伏外窗建筑綜合性能評價

2.1 建筑模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置

綜合考慮GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[16]及JGJ/67-2006《辦公建筑設(shè)計規(guī)范》[17]要求，建立長×寬×高為4 m×4 m×3 m的辦公建筑模型，該模型與文獻(xiàn)[11]中的模型相同，窗戶在南向墻上.已有的研究表明，我國多數(shù)地區(qū)采用透過率為40%～60%的光伏玻璃作為窗戶時，能夠兼顧建筑節(jié)能與室內(nèi)采光質(zhì)量[18].

雙層光伏外窗結(jié)構(gòu)的外層為50%光伏覆蓋率的薄膜光伏組件，內(nèi)層為5 mm厚度普通玻璃，中間為20 mm空氣夾層.中空光伏窗結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示.

圖2 中空光伏窗結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

不同玻璃類型的光熱特性參數(shù)，如表1所示.表1中：Tvis為可見光透過率；U為傳熱系數(shù)；SHGC為太陽得熱系數(shù).

表1 不同玻璃類型的光熱特性參數(shù)

在軟件模擬中，建筑的天花板、地板、北向和西向墻面均假定為絕熱壁面，南向和東向壁面的熱工參數(shù)設(shè)定則參照相關(guān)規(guī)定.熱工參數(shù)模擬設(shè)置，如表2所示.表2中：ρ為人員密度；θs為夏季室內(nèi)設(shè)計溫度；θw為冬季室內(nèi)設(shè)計溫度；P為照明功率；REE為制冷能效比；COP為制熱性能系數(shù).

表2 熱工參數(shù)模擬設(shè)置

根據(jù)JGJ/67-2006《辦公建筑設(shè)計規(guī)范》[17]中對辦公房間室內(nèi)側(cè)窗采光的規(guī)定，采光口離地面的高度為0.8 m，并分別建立窗墻比為20%，30%，40%，50%與60%的采光口.參照GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計規(guī)范》[19]有關(guān)規(guī)定，采光分析平面距離地面高度為0.75 m，天花板、墻面和地面的反射率分別設(shè)定為0.75，0.60和 0.30.在軟件模擬中，使用自動控制中節(jié)能性最高的“人員傳感器+連續(xù)調(diào)光+關(guān)燈”的控制策略，在房間內(nèi)設(shè)置人員傳感器與照度傳感器，根據(jù)人員在房間內(nèi)具體情況及各個測點(diǎn)照度實時值，傳感器能對人工照明的輸出功率進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié).環(huán)控設(shè)備的制冷能效比和制熱能效比在工作狀態(tài)中保持不變，設(shè)備工作狀態(tài)僅與室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)有關(guān).

根據(jù)評價指標(biāo)sUDIPV和sUDICG，光伏外窗房間與普通玻璃房間的工作面自然采光最低照度分別設(shè)置為各自的視覺舒適閾值下限值400，450 lx[11].采光質(zhì)量評價分為非常理想、理想、可接受、不可接受4個評價級別.軟件模擬參數(shù)設(shè)置和建筑模型與文獻(xiàn)[11]一致，模型的驗證過程也與文獻(xiàn)[11]一致.

2.2 模擬工況

我國的氣候多樣性較為顯著，不同區(qū)域的氣候條件對光伏外窗建筑采光及能耗性能產(chǎn)生重要影響，因此，選取熱工分區(qū)與太陽能資源都截然不同的四川省成都市和山西省太原市兩個城市進(jìn)行研究.成都市太陽能資源一般，最冷月平均溫度為0～10 ℃，年總輻射量<3 780 MJ·m-2，熱工分區(qū)為夏熱冬冷；太原市太陽能資源很豐富，最冷月平均溫度為0～-10 ℃，年總輻射量為5 040～6 300 MJ·m-2，熱工分區(qū)為寒冷.成都市全年的制冷和制熱能耗都較高，且太陽能資源相對其他地區(qū)較為匱乏；太原市全年環(huán)控能耗以制熱能耗為主，但太陽能資源較為充分.

分別設(shè)置成都市和太原市的建筑進(jìn)深為3，4，5，6 m四組對比工況，每組對比工況對應(yīng)的建筑窗墻比分別為20%，30%，40%，50%和60%，因此，兩個城市共設(shè)置了40個工況.在上述條件下，對比和研究光伏外窗建筑與玻璃窗建筑的室內(nèi)采光質(zhì)量與建筑能耗.根據(jù)GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，成都市和太原市的南向、東向外墻傳熱系數(shù)分別設(shè)置為0.600，0.431 W·(m2·K)-1.

2.3 不同窗建筑采光和能耗性能評價原始數(shù)據(jù)

利用Energyplus和Grasshopper軟件模擬建筑模型，所用氣象參數(shù)來源于Energyplus的CSWD標(biāo)準(zhǔn)全年逐時氣象數(shù)據(jù).對于模擬所得的初步數(shù)據(jù)，先從室內(nèi)采光質(zhì)量和建筑凈能耗兩方面展開分析，將采光質(zhì)量明顯不理想及建筑凈能耗明顯過大的方案剔除，從而得到基本可行的設(shè)計方案，并根據(jù)節(jié)1.1.1確定的評價標(biāo)準(zhǔn)對各方案室采光質(zhì)量進(jìn)行評級.不同進(jìn)深的光伏外窗建筑窗墻比優(yōu)化(成都市)，如表3所示.表3中：L為建筑進(jìn)深；RW，W為窗墻比；ηPV為室內(nèi)sUDIPV面積占比；Qnet，PV為光伏外窗建筑凈能耗；Qnet，CG為普通玻璃窗建筑凈能耗；η0為建筑節(jié)能率.

表3 不同進(jìn)深的光伏外窗建筑窗墻比優(yōu)化(成都市)

由于與普通玻璃窗建筑工況相比，成都市模型建筑進(jìn)深為6 m時的光伏窗室內(nèi)sUDIPV面積占比明顯較小，采光質(zhì)量均不佳，只有通過增大透過率加以改善，而文中的設(shè)計方案未涉及不同類別光伏窗材質(zhì)，因此，不考慮成都市建筑進(jìn)深為6 m的情況.

不同進(jìn)深的光伏外窗建筑窗墻比優(yōu)化(太原市)如表4所示.

表4 不同進(jìn)深的光伏建筑窗墻比優(yōu)化(太原市)

兩個城市各自初步選出的設(shè)計方案的具體情況，如表5所示.

表5 設(shè)計方案的具體情況

2.4 評價過程與結(jié)果

以太原市為例進(jìn)行評價分析，1)原始指標(biāo)值構(gòu)建的原始矩陣X為

2)原始指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建的矩陣Y為

3)歸一化構(gòu)建的矩陣y為

4)加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z為

5)方案和理想解構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)矩陣ξ為

6)通過正負(fù)理想解距離計算相對貼近度矩陣Cj為

類似地，對成都市各個初步選出的設(shè)計方案用相同方法進(jìn)行計算，成都市的貼近度為0.75，0.62，0.49，0.51，0.65.

因此，在成都市，方案3的相對貼近度最小(0.49)，最佳設(shè)計方案推薦采用建筑進(jìn)深為3 m，窗墻比為50%的設(shè)計方案；在太原市，方案4的相對貼近度最小(0.40)，最佳設(shè)計方案推薦采用建筑進(jìn)深為4 m，窗墻比為60%的設(shè)計方案.

3 結(jié)束語

以已有的研究成果提出的采光環(huán)境動態(tài)評價指標(biāo)sUDI、建筑凈能耗和建筑節(jié)能率等評價指標(biāo)為基礎(chǔ)，根據(jù)逼近理想解的排序法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、熵值法的原理，綜合幾種常用評價方法的優(yōu)點(diǎn)，建立雙層光伏外窗建筑采光與能耗性能評價模型.該評價模型為光伏外窗建筑設(shè)計方案優(yōu)化提供了一條新的可行途徑，具有便捷度高，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能在工程實際情況及相關(guān)軟件模擬的情況下進(jìn)行實際應(yīng)用.研究結(jié)果表明，在成都市，宜采用建筑的進(jìn)深為3 m，窗墻比為50%的設(shè)計方案；而在太原市，則推薦建筑進(jìn)深為4 m，窗墻比為60%的設(shè)計方案.