One Earth：光伏玻璃可将高层玻璃建筑的能源使用和二氧化碳排放量减少40%

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2022年第三十八期（总第123期）专栏文章，由来自中国科学院深圳先进技术研究院副研究员 中科院青年创新促进会会员 杨之乐，就 One Earth中的论文发表述评。

目前，建筑行业占世界能耗的三分之一及二氧化碳排放量的28%。预计到本世纪中叶，城市地区将容纳世界人口的70%。最新的研究结果表明，城市化的速度是以往估计速度的四倍。随着城市中心改造项目和城市扩张项目的同步推进，作为应对气候变化的关键工具，绿色建筑的设计和落地的重要性不容小觑。外立面影响建筑能耗超过50%的区域，如直接影响空间供暖、制冷、采光、通风和照明，但目前建筑师依然保持着窗墙比大于50%的设计。目前建筑主要采用双层中空玻璃来降低能耗，近年来Low-E玻璃（低辐射玻璃，表面镀极细薄的氧化金属镀膜的透明玻璃）亦被应用在建筑中，但它已无法满足越来越严苛的节能减排标准。

新兴玻璃技术的发展趋势是动态调整其性质以适应不同的气候条件以及能耗曲线。目前已有大量关于光伏玻璃技术的研究，其结果都表明光伏玻璃将会有效地应用在建筑物节能领域，但其研究均没有考虑将光伏玻璃应用在整栋建筑物上的场景。针对目前存在的问题，Vincent M. Wheeler等来自美国国家可再生能源实验室和威斯康星大学的研究者们开发了一种采用光伏玻璃外墙的建筑能量模型，该模型涵盖了从纳米到米的长度尺度，以及从分钟到数年的时间尺度，该文章于近期发表在了Cell Press可持续发展科学旗舰刊One Earth上。

作者研究了三种不同的光伏玻璃技术，包括非波长选择性光伏，该技术利用传统的单晶硅，可以使用电致变色技术来改变玻璃的透明度。在本研究中选择了目前正在广泛商业化的基于钙钛矿的薄膜光伏玻璃来代替非波长选择性光伏；波长选择性光伏，也被称为“透明”光伏，该材料使用致密薄膜形式的有机材料有选择地捕获紫外和红外光；动态光伏，也被成为铬化光伏，可以进行光致变色或者热致变色，作者模拟了基于金属卤化物钙钛矿的动态光伏进行研究。作者建模所选用的材料均来自于美国劳伦斯伯克利国家实验室，并将纳米级细节的光伏玻璃单元整合在基于物理信息的建筑能源模拟工具中。文章使用真实观测的气象数据以十五分钟为分辨率模拟建筑物中的各种能耗，如供暖、制冷和照明。通过每天不同时段阳光入射角不同，光伏玻璃的吸收率、透射率和反射率均发生了变化。同时，环境温度与太阳辐射将影响玻璃温度。作者发现，朝东的玻璃表面温度最高可以比气温高出60℃，对于动态光伏玻璃，这将有效触发其调节过程并提高建筑整体的能源利用水平。从结果来看，作者的模型成功模拟了不断变化的天气和太阳条件，并模拟了时间、静态或者动态的光伏玻璃特性以及建筑能源响应之间的动态相互作用等因素的影响，可以有效地捕捉建筑能源使用中的复杂物理特性。

▲图1 建筑中玻璃的演变

A, 一些典型建筑物，窗墙比作为时间的函数。条形代表代表性建筑物的跨度从参考。

B, 玻璃单元中复杂能量流和人为因素考虑的说明。

C-G, 光伏玻璃单元的代表性图表和相应光谱，符合规范的低辐射光谱来自国际玻璃数据库 (IGDB #6296)。剩余的光谱通过耦合传递矩阵方法来模拟，以将纳米级薄膜的麦克斯韦方程求解并归一化。

作者基于对建筑物建模的研究基础，进一步分析了新一代玻璃技术对建筑能耗和二氧化碳的排放的影响，作者选取了火奴鲁鲁、图森、圣地亚哥、丹佛、纽约、密尔沃基和费尔班克斯进行研究，发现针对不同的地域及其所关联的气候环境，不同光伏玻璃技术所带来的优势也不尽相同，如在圣地亚哥的调查研究中动态双层玻璃就比动态三层玻璃更加有效。虽然人们一般认为像檀香山、圣地亚哥这种太阳辐照程度更高的地区将从光伏玻璃中获取更大的收益，但其实季节性气候更明显（温差更大）的地区获得的收益更大。对于玻璃外墙占比超过95%的现代建筑，光伏玻璃对建筑能耗以及二氧化碳排放的影响会更大，这使采用玻璃外墙的高层建筑有了零碳的可能。一般来说，建筑增加垂直投影面积会直接影响能耗（布置在屋顶的光伏发电量提高），但如果建筑物的位置得当（各立面朝向角度）并且设计合理（如南北-东西立面的面积比例），垂直立面也会很有用。作者发现，当建筑物南北-东西比小于0.2、层高20英尺的30层建筑物就可以达到净零；建筑物南北-东西比小于0.1、层高20英尺的15层建筑物也可以达到净零，这一计算关系是普适的。鉴于较高的建筑物会导致隐藏的能耗升高（比如生产和构筑过程中的能耗），作者提出了以下设计准则：玻璃外墙占比大、层高更高、南北朝向的立面面积更大、总高更高的建筑更趋于净零。

虽然在建筑物中我们已经采用了双层中空玻璃以及低辐射涂层玻璃来减少一次能源消耗和二氧化碳排放，但随着气候变化问题愈加严肃，必须出现一种变革性的玻璃技术来减缓或者扭转这一状态。作者使用细致的建筑能耗模型对新兴玻璃技术进行了整体研究并指出了此项技术的推广可以大幅减少能耗与碳排放，但作者同时也指出这一模型目前仍存在局限性，比如缺乏考虑光线遮挡、每层楼不同的微观环境变化以及如供暖、通风和空调设备故障带来的影响，建筑基准模型也来自美国能源部的推荐，没考虑美观因素。但整体方向是明确的，尽管成熟的太阳能电池板已经具有25年甚至更久的保修期，但光伏玻璃技术尚未成熟，也无法涵盖建筑的全生命周期，也无法忽视其昂贵的价格。尽管面临着许多挑战，但我们仍相信这项工作为高层玻璃建筑的建设与未来净零建筑提供了一个愿景，这是解决迫在眉睫的气候变化问题所必需的。

论文摘要

建筑物占全球能源使用量的 30%。尽管玻璃外墙与不透明外墙替代品相比，玻璃外墙的能源使用量和碳排放量均更高，但建筑行业的趋势仍然是使用更多的玻璃建材。在过去的二十年中出现了许多减少建筑能耗的玻璃外墙技术，如低辐射玻璃、三层玻璃、动态着色玻璃和最近开发的光伏玻璃。然而，对这些窗户技术可以在何处安装、如何安装以在不同气候条件下实现最佳节能的了解仍然有限。在本文中，我们针对不同气候区和建筑设计的数千个宏观建筑能源模拟来测试玻璃外墙技术，以评估相关的净能源使用和碳减排潜力。新型玻璃外墙技术，尤其是具有高热性能的光伏玻璃，在所有气候条件下与典型传统建筑相比，每年可节省 10k-40k GJ 的能源，每年可减少高2000吨的二氧化碳排放量。若结合有效的布置方法，通过光伏玻璃技术实现高层净零建筑是可行的。

Buildings account for 30% of global energy use. Regardless, the architectural trend across building sectors is toward more glass despite higher energy use and carbon emissions than opaque cladding alternatives. Numerous window technologies – low-emissivity, triple glazing, dynamic-tinting, and the more recent developed photovoltaic glass, have emerged in the last two decades as approaches to reduce building energy. However, a comprehensive understanding of where and how these window technologies can be installed to enable optimal energy savings under different climate conditions remains limited. Here we test window technologies using thousands of macroscale building energy simulations for different climate zones and building designs to evaluate the associated net energy use and carbon emissions reduction potential. Novel window technologies, especially photovoltaic windows with high thermal performance, offer energy savings in all climates ranging from 10k-40k GJ per year over substandard windows for a typical office building, resulting in up to 2000 ton annual CO2 emissions reduction. Highly glazed, net-zero buildings are viable via photovoltaic windows when combined with careful geometric considerations.

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评述人简介

杨之乐

中国科学院深圳先进技术研究院副研究员

中国科学院青促会会员

zl.yang@siat.ac.cn

杨之乐，博士，副研究员，博士生导师，中国科学院青年创新促进会成员，深圳市孔雀人才，入选2022年斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单，长期从事智能优化与建模赋能碳中和、先进制造、建筑低碳智能装备与系统相关问题的应用研究，主持包括国家自然科学基金青年/面上项目、省市级各类纵向项目20余项，发表SCI/EI检索重要期刊及顶级会议论文180余篇，其中SCI检索期刊论文80余篇，谷歌学术总引用超过2800次，H-Index=29，ESI高被引论文4篇，任3个高水平SCI编委，14次在高水平国际期刊和国内核心期刊组织专刊并任客座主编，获得各类国际国内科技奖项10余项，主要包括斯普林格-自然首届中国新发展奖第一名（1/800，唯一能源类），中国仿真学会科技进步一等奖（第一）；成功完成30余项知识产权的现金和股权转化，孵化碳中和、先进制造装备卡脖子技术等领域高新科技企业4个，股权和现金价值超过6000万元，任2020亚洲人工智能大会IPC共同主席，英国控制大会UKACC2016、系统仿真与可持续能源会议2017等大会秘书长，在多个国际顶级会议上连续任人工智能方法在能源电力领域中的应用分会场主席，作为30多个国际顶级会议审稿人和通信评议人。

Dr. Zhile Yang is an Associate Professor at Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences. He is mainly engaged in the application research of artificial intelligence-enabled carbon neutrality, advanced manufacturing, and low-carbon intelligent equipment and systems in buildings. He is selected as the top 2% of the world's top scientists, He served as an editorial board member of 3 SCI journals and published 84 SCI journal papers. His Google Scholar citation is more than 2800 times. H-Index=29, He is the executive director of the Electric Vehicle and Energy Storage Special Committee of the IEEE Energy and Electric Power Society, the director of the Smart Grid New Technology Special Committee, the secretary-general of the Shenzhen Branch, the propaganda chairman of the Shenzhen Branch of the IEEE Computational Intelligence Society, a member of the Youth Working Committee of the Chinese Artificial Intelligence Society. He is a member of the Energy Special Committee, a member of the Intelligent Vehicle and Robot Special Committee of the Chinese Instrumentation Society, a member of the Life System Modeling and Simulation Special Committee of the China Simulation Society, and a member of the Intelligent Simulation and Dispatching Special Committee.

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