动态聚光建筑表皮的集成设计与能量生产特性研究

As one of the three elements of buildings, SKIN is the interface between indoor and outdoor space. Currently, sustainable design has became the dominant methodology. Building skin is developing towards the directions of ecological, environmental responsive and dynamically adjustable. Solar energy is abundant and easily obtained. Concentrating solar technology is one of the advanced solar energy utilization approaches. The aesthetic appearance, structure and energy production characteristics of building skin will be changed if the concentrating solar technology is integrated. There are three key issues need to be addressed for this integration, namely modular design, dynamic structure and high efficiency. These three aspects are to be covered in the present project by theorectically and exprimentally studing the concentrating module design, dynamic structure and linked control of integrated skin and energy production characteristics of the new skin system. Main efforts are made on the design and optimization of the concentrating module on appearance, size and construction by balancing the architectural aesthetics and energy efficiency, study on concentrating module combination and the overall link control, and measurement of the energy generation characteristics of concentrating module and integrated skin components. Based on the comparisons between the simulation results and the real data, the theoretical models will be optimized. The present study will complete concentrating module design, and integrated skin design.The theoretical model and the actual energy production performance of the module and integrated skins will be also obtained. The achievements of the present application will provide guidance and data base for the new building skin design, to promote the development of cross-disciplinary between architecture and other related disciplines.

表皮作为建筑的三大要素之一，是分隔室内外空间的界面。在可持续设计思想主导的当下，建筑表皮逐步朝着生态、环境响应和动态可调的方向发展，尤其是能够产出能量的生态建筑表皮已经成为新的研究热点。太阳能资源丰富易得，聚光是新型的太阳能利用形式，若能将其应用到表皮构件中，会带来艺术表现、结构形式和能量特性的改变。聚光建筑表皮的集成关键要解决模块化设计、动态集成与高效能问题。本项目拟从聚光模块的设计、动态表皮集成构造以及聚光表皮系统的能量生产特性三个方面开展理论与实验研究。平衡建筑美学和能量特性，设计优化聚光模块的外观、尺寸与构造连接；研究模块间的排列组合与整体联动；对聚光模块与集成表皮构件的能量特性进行实际检测和数学模拟，对比优化理论模型。项目将完成聚光模块的设计与表皮集成，并获得其能量生产特性的理论模型和实际数据，为新型的建筑表皮形式提供设计指导与数据基础，促进建筑学科与其他相关学科的交叉发展。

在可持续设计思想主导的当下，建筑表皮逐步朝着生态、环境响应和动态可调的方向发展，尤其是能够产出能量的生态建筑表皮已经成为新的研究热点。太阳能资源丰富易得，聚光是新型高效的太阳能利用形式，将其应用到表皮构件中，会带来艺术表现、结构形式和能量特性的改变。针对目前国内外建筑与聚光光伏一体化集成（BICPV）研究和应用中存在的问题，本课题提出聚光技术在建筑中集成应用的关键是要解决模块化设计、动态集成与光热特性等问题。. 本课题以菲涅尔透镜为聚光器，设计出新型适用于建筑集成的高倍透射式聚光模块， 并按照设计参数制作出实体模型对其进行光电性能实验研究。以万向轴承为控制节点，设计完成新型双轴联动系统，实现了聚光组件与建筑的动态集成。利用光学分析软件TracePro对高倍透射式聚光模块在不同入射条件下的光学效率及建筑集成聚光组件的室内天然采光的影响率进行了量化研究。利用计算流体力学软件ANSYS-CFX对不同工况下聚光组件的热特性进行仿真模拟。. 对聚光模块的电性能实验研究结果表明其实际聚光效率为69.0%，电池的实测发电效率保持在37.9%，模块的系统运行效率保持在26.1%，在连续工作状态下具有稳定的电能输出。对聚光模块光学特性模拟的研究结果表明其对入射偏差在1°以内的直射光线具有良好的汇聚作用，光线接收效率保持在75.97%以上。以天津地区为例，晴天且聚光阵列处于工作状态对室内天然采光的影响率在9.13%至11.66%之间，非工作状态下影响率降至6.58%至8.36%之间，全阴天状况下影响率为5.97%。热特性模拟结果表明，主动式通风可以有效降低工作状态下聚光组件的温度，从聚光模块底部入风的散热效果优于从侧面或顶部入风。聚光阵列集成在双层玻璃之间采用机械通风时，靠近入风口的模块散热效果最好；风速相同时，底部通风散热效果优于顶部。聚光阵列处于自然通风状态下，外部开敞式散热效果优于完全开敞式。风速较小时，增大风速会使聚光组件温度明显下降，超过3m/s后，增大风速对聚光阵列散热效果提升不明显。本课题的研究成果可为BICPV的相关研究和应用提供设计指导与数据基础。