世界上大约三分之一的能源消耗和二氧化碳排放来自建筑物。高度玻璃化的摩天大楼和建筑物可能看起来很漂亮并且光线充足，但由于夏季需要额外的制冷和冬季需要供暖而浪费了大量的能源。现代摩天大楼的窗墙比可以达到 70％ 以上。但现代热效率高的光伏窗不仅可以隔热，还可以将吸收的光转化为电能。NREL 的 Wayne Hicks描述了一项研究，该研究模拟了八种不同气候下不同光伏窗户技术对摩天大楼的影响。结果表明，光伏窗户可以减少 40％ 甚至更多的能源使用和二氧化碳排放。事实上，根据模型，玻璃越多，节省的费用就越多。通过在建筑物外部添加标准光伏电池板，一些摩天大楼可以实现净零排放。

 

摩天大楼主导着城市天际线，但根据国家可再生能源实验室 (NREL) 研究人员的分析，这些巨大的玻璃墙结构可以通过添加热效率光伏 (PV) 窗户来提高能源效率。

 

他们的研究结果发表在《同一个地球》杂志上 ，概述了建筑设计规则，可以产生净零甚至净正能耗的结构。

 

“人们对节能建筑的外观有先入为主的观念，它通常没有高度玻璃，而且可能不是很高，”专门从事将光伏技术集成到窗户中的 NREL 科学家兰斯·惠勒 (Lance Wheeler) 说。“我们发现还有其他方法可以建造高效建筑。”

 

能源使用量和 CO2排放量减少 40％ 以上

 

惠勒是新论文“光伏窗户将高度玻璃化建筑的能源使用和二氧化碳排放量减少了40％ ”的合著者，该论文是他与他的双胞胎兄弟、威斯康星大学斯托特分校助理教授文森特共同撰写的。为了进行分析，兄弟俩开发了一款名为PVwindow 的软件，该软件允许用户对光伏窗户的设计进行建模以进行建筑模拟。

 

其他合著者均来自 NREL，包括 Janghyun Kim、Tom Daligault、Bryan Rosales、Chaiwat Engtrakul 和 Robert Tenent。

 

窗墙比70％以上

 

建筑物消耗的能源占世界能源消耗的三分之一以上，几乎占全球二氧化碳排放量的三分之一。但研究人员指出，通过将光伏与高热性能窗户技术相结合，新建筑可以成为应对气候变化的关键工具。现代办公楼因其若隐若现的玻璃幕墙而引人注目，这与用混凝土和单窗格窗户建造的时代形成了鲜明对比。例如，纽约的 Equitable 大楼的窗墙比为25％。相比之下，该市的美国银行大厦于101年之后的 2016年开业，比例为71％。

 

研究人员在大部分分析中考虑了窗墙比为 95％ 的建筑（称为“高度玻璃化”），以清楚地说明玻璃化对建筑能源性能的影响。三层玻璃窗等玻璃技术的改进有助于提高建筑物的能源效率，但迄今为止尚未得到广泛采用。

 

“我不想坐在这里说我们应该建造高度玻璃化的建筑，”兰斯·惠勒说。“我们应该建造高效的建筑。但如果我们选择继续建造这些建筑，我们就必须以某种方式协调它们较低的性能，而光伏窗就是做到这一点的一种方法。”

 

研究人员模拟了三种不同类型的光伏玻璃技术的影响，其中包括 NREL 的可切换光伏技术。八个城市的一座建筑采用了不同的玻璃技术，每个城市的气候都不同。除了PVwindow之外，研究人员还依赖EnergyPlus和OpenStudio软件平台。

 

问题：高玻璃窗需要夏季制冷，冬季供暖

 

由于有如此多的窗户和阳光照射进来，高度玻璃化的建筑物必须消耗大量的能量来为居住者降温。光伏窗为建筑物提供隔热作用，并利用吸收的能量发电。在一年的时间里，研究人员发现，在天气随季节变化剧烈的气候中，光伏发电存在明显的趋势。例如，模拟显示，在丹佛，现场光伏发电可以将 12 层厚玻璃建筑的日平均建筑电力负荷减少一半。他们还确定，丹佛的光伏窗户每年可以减少 200 万公斤的二氧化碳排放。

 

模拟结果显示，所研究的三种不同版本的光伏玻璃的性能均呈阶梯式提高，并证明在八个气候区减少了能源消耗和二氧化碳排放。

 

使用光伏玻璃，更多的玻璃意味着更少的能源消耗

 

研究人员发现，当建筑物的窗户数量多于墙壁空间时，能源消耗就会上升。然而，当该比率增加（包括光伏玻璃）时，能源消耗会下降。事实上，更大的楼层高度加上光伏玻璃可以减少建筑能源的使用。将光伏玻璃与建筑物外部的光伏板结合起来——特别是面向东和西，以捕捉清晨和傍晚的阳光——这座摩天大楼可以达到净零排放。

 

“想象一下纽约市的天际线，那里有这些完全由玻璃制成的高层建筑，”惠勒说。“它们是全玻璃的。自由塔拥有数百万平方英尺的玻璃。它本身可能就是一座发电厂。”

 

研究人员指出，光伏玻璃可以与屋顶太阳能配合使用，以增加发电量，通过使用高效光伏窗户和独特的建筑几何形状，有可能产生超出建筑物需求的电力。这一转变可以在不牺牲高度玻璃幕墙的建筑自由度的情况下解决气候变化的目标。