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BIPV在高层建筑

能源效率的巨大潜力

在迪拜，有38.9%的总能源消耗与建筑相关，特别是在高层建筑领域，能源效率至关重要。因此，BIPV（建筑一体化光伏）以其能够减少建筑负荷并发电的特性，在迪拜成为了一种非常有效的替代方案。

 

根据迪拜市政府的数据，迪拜目前拥有25座高度达到300米的高层建筑。此外，还有14座高层建筑正在建设中，其中包括Harbor Point（73 层，300 米）、Ciel 塔（82 层，366 米）、Il Primo 塔（80 层，356 米）、住宅区塔（78 层，339 米）、Grande 塔（79 层，338 米）、One Zabeel 塔 1（67 层，330 米）、Adventz 塔（68 层，328 米）、Al Wasl 塔（63 层、 302 米）、Vida Zabeel Tower 1（78层，301 米）以及迪拜珍珠塔（73层，300 米）。

 

 

其具有挑战性的资源经济环境是迪拜高层建筑激增的原因之一。相较于阿布扎比和海湾合作委员会（GCC）中的其他国家，迪拜的原油产量并不高，因此未来发展取决于积极参与全球贸易网络。为吸引国际投资者，迪拜政府推动开发商兴建多个项目。

 

目前，迪拜的能源消耗中，有38.9%与建筑物相关，其中80.2%用于供暖、制冷和人造光能。在阿拉伯联合酋长国阿联酋，这已成为一个重大问题，建筑行业在能源效率方面扮演着至关重要的角色。

 

针对高层建筑低能耗的可持续技术，包括改善建筑围护结构性能以降低负荷、设计高效的HVAC系统（供暖、通风和空调），以及整合新能源和可再生能源的建筑方法。然而，由于对技术的不熟悉和缺乏以前的经验，迪拜在新能源和可再生能源的建筑集成方面面临一些困难。

 

 

最新的一项研究指出，BIPV（建筑一体化光伏）不仅有助于节能减排，还在城市温度调节和建筑传热方面展现了巨大的潜力。本研究旨在确定BIPV系统应用于高层建筑时，如何有效地节约能源。

 

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BIPV系统的研究分析

 

BIPV正成为补充高层建筑能源的非常有效的手段，而迪拜的大部分电能消耗（包括冷却、照明设备、电梯以及空调设备等）都集中在高层建筑。

 

BIPV系统具有两个优点：建筑减载和发电。特别是，作为窗式或幕墙材料的建筑一体化BIPV系统是直接影响建筑荷载的建筑材料。

 

为了提升室内舒适度，降低人工照明消耗，此项研究采用了先进的BIPV发电玻璃材料。这些材料通过优化透光性能，最大化利用日光资源，并同时发电以减少对人工照明的需求。研究还运用动态模拟工具分析和预测自然照明与人工照明之间的平衡，以确保整体能源利用的最佳效果。

 

BIPV的可变光伏功率转换效率达到15%-18%。过去，BIPV系统在高层建筑中的应用案例主要集中在美国、德国、西班牙、日本和韩国等发达国家。这些国家通常采用幕墙式BIPV系统，将发电面积集成到外墙中可以确保较大的发电区域。

 

 

迪拜地处炎热的沙漠气候带，其特点是高温、强烈光照以及极少的降雨，年平均温度介于19°C至31°C之间，夏季常见的温度超过40°C，迪拜拥有全球最高的太阳辐照度，平均每年约为2200千瓦时/平方米。相对湿度在冬季约为50%，而在夏季可高达90%以上。这些气候条件都会影响光伏系统的性能，特别是在高温下的冷却需求和效率下降方面。

 

因此，本研究建立了一个办公建筑能耗模型，用于分析高层建筑中使用光伏系统的使用效果。结果表明，窗户置换型BIPV系统从15层开始有效，外墙置换型BIPV系统从12层开始有效；窗户置换型和外墙置换型混合型BIPV从9层开始有效。尽管如此，从其高层建筑的规模来看，建筑一体化BIPV系统的应用具有极好的节能作用。

 

通过研究表明，对于屋顶使用面积有限的高层建筑，能够充分利用随着规模增加而变宽的立面的建筑集成BIPV系统是非常有必要的，而且因为建筑一体化BIPV系统建筑材料的特性，直接影响建筑荷载，能够首先减少制冷或制热能。

 

 

为了充分利用高层建筑中每层楼的立面， BIPV 系统可以构建三个备选方案，并将其应用于分析模型的南侧、东侧和西侧。同时为了保持建筑的美观性和时尚感，这里可以采用碲化镉发电玻璃作为幕墙材料。

 

方案一，用发电玻璃代替幕墙。幕墙在分析模型的高程中占据着关键位置，如下图左侧所示。与传统的晶硅板相比，碲化镉薄膜发电玻璃窗户具有较低的太阳增益系数和可见光透过率，因此在制冷型建筑中的运用可以有效降低能耗。

 

方案二，用发电玻璃代替饰面材料的方法，即将幕墙的拱肩部分改造成外墙。用于观赏的视觉部分可以采用普通建筑，其余的拱肩部分采用0%透光的发电玻璃，，将窗口面积比从80%降低到40%。通过用外墙和发电玻璃饰面材料取代易热的窗户，有望降低能源消耗。

 

方案三，采用不同透光度的发电玻璃搭配应用。可以通过用外墙和不透光发电玻璃饰面材料代替拱肩部分，视觉部分采用40%透光度以上的发电玻璃，从而既具有一定的透明性，还能减少负荷并且提高发电性能。

 

幕墙方案一（左）、方案二（中）、方案三（右）

 

BIPV系统的集成：将建筑光伏一体化（BIPV）系统融入高层建筑，涉及到独特的建筑与工程考量。BIPV元件，取代传统建材应用于建筑外墙和窗户，不仅赋予建筑双重功能，还提升了美感，并显著影响建筑能源平衡。BIPV材料与建筑结构之间的相互作用，尤其在隔热和太阳能吸收方面，对整体能效至关重要。让建筑不仅是一个空间，更是绿色能源的一部分。

 

能源性能指标：BIPV系统在加热和冷却方面呈现出显著的能耗降低，可通过可量化的数据来体现。例如，采用BIPV替换窗户可以显著减少热负荷，直接有助于节约能源。这些指标对于评估BIPV系统在实际应用中的效能至关重要。

材料和设计考虑因素：BIPV系统中材料的选择，如发电玻璃或传统晶硅，对其效率起着关键作用。这些材料的导热性、透光率和耐久性等因素直接影响系统的性能。例如，在BIPV组件中使用低辐射率（Low-E）玻璃有助于可以减少热量损失，同时提高光和太阳热增益。

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高层建筑BIPV的应用方案

目前在迪拜应用的大多数光伏系统都是屋顶安装的BAPV系统。随着楼层数的增加，BAPV往往会降低能量降低率。而经过研究分析表明，建筑一体化BIPV系统，即使楼层数增加，节能率也保持不变。

 

 

 

因此，可以考虑低层规模的屋顶安装BAPV系统和高层规模的建筑光伏一体化BIPV系统相结合的安装方案，从而确保经济可行性。

 

BIPV组件中的光伏功率转换效率可变，从15%到18%不等，这对系统整体性能有着巨大影响。它能够在最佳条件下，更高效率生产更大的能源，从而增强建筑的可持续性。相反，在不太理想的条件下，效率较低，因此需要一种精心的方法将BIPV系统融入到建筑设计中，同时平衡美学、功能和能源生产目标。

 

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BIPV系统的研究结论

通过不同BIPV（建筑光伏一体化）配置在高层建筑能效中应用的有效性以及对能源消耗的影响，进行分析和评估，得出以下几点结论可供借鉴。

 

1、BIPV系统的实际应用表明，高层办公楼的节能潜力巨大。

 

2、经分析发现，随着建筑规模的增加，高层建筑中使用屋顶安装的BAPV系统的节能效果逐渐下降，BIPV系统在迪拜地区拥有更广泛的应用潜力，并且在适应性和效率方面明显优于固定式BAPV系统。

 

3、与传统办公楼相比，采用替代方案如窗户更换、外墙饰面以及混合BIPV系统，能够显著降低供暖和制冷能耗。

 

4、通过BIPV发电可以减少总能耗。即使高层建筑的规模增加，由于在每层楼的立面上安装了BIPV，这种减少效果仍然保持不变。

 

5、对于高层写字楼来说，替换窗户为透光发电玻璃非传统晶硅光伏、双层Low-E或三层Low-E窗户，或者使用晶体光伏替代外墙材料，甚至采用这些方案的组合，都被证明是有效的做法。

 

6、屋顶安装BAPV和楼宇一体化BIPV系统的组合显示，在高层办公楼中，楼宇一体化BIPV系统更为有效。