外层围护结构中大面积的玻璃幕墙使得建筑能耗显著增加,我国建筑总能耗占到全社会总能耗的46.7%。其中,由外窗传热引起的能耗占到建筑总能耗的25%-40%左右。由此可见,提高外窗系统的保温隔热性能,减少外窗能耗是提高建筑节能的关键环节。半透明光伏窗作为光伏建筑一体化技术在建筑节能领域的一种典型应用形式,可以在满足室内采光的同时,为建筑提供部分的电力需求,被认为实现是绿色建筑发展的有效途径之一。因此,国内外学者对其展开了广泛研究。现有文献从多个角度对半透明光伏外窗系统进行了研究和优化,但大多集中在气候比较炎热的地区,而对于寒冷地区的研究并不多见。本文以太原地区为例,针对寒冷地区不同季节工况下建筑的外窗传热特点及负荷特征,采用实验和模拟相结合的方法,对双层光伏外窗的热电性能进行了研究,并通过优化光伏窗的运行模式来提高窗户热电性能,从而进一步降低建筑能耗。本文首先在太原地区某建筑楼顶搭建了双层光伏窗的实验平台,通过实验对比研究了冬季工况下封闭式、内循环式及送风式三种不同通风运行模式下双层光伏窗的热电性能,以外窗的有效得热量、传热系数(U值)及发电量等参数作为评价指标,比较分析了不同通风模式下外窗的综合性能及建筑空调能耗。其次,本文在验证数学模型可靠性的基础上,采用数值模拟的方法对比研究了夏季工况下封闭式、外循环式及排风式三种不同通风运行模式下的双层光伏外窗的热电性能,以太阳能得热系数(SHGC)、窗体得热量及发电量等参数指标评价了不同通风模式下双层光伏窗的综合性能及建筑的空调能耗。最后,本文从提升光伏外窗热电性能及降低建筑能耗的角度,分别对冬季和夏季工况下双层光伏外窗的结构进行了模拟优化研究。本文主要的研究结果如下:(1)冬季工况下的实验结果表明,送风式双层光伏外窗与内循环式双层光伏外窗及封闭式双层光伏外窗相比,不仅可以增加27%的有效得热量,而且由于空气腔内自然对流换热作用,对建筑新风进行了预热,从而有效减少了建筑的新风负荷及供暖能耗。(2)夏季工况下的模拟研究结果显示,排风式双层光伏外窗与封闭式双层光伏外窗和外循环式双层光伏外窗相比,可以分别减少14%和6%的总得热量,且窗户整体温度最低,热性能最好。排风式双层光伏外窗的年发电量为20.9 kWh/m~2,与封闭式双层光伏外窗和外循环式双层光伏外窗相比可分别提高3%和1%左右。因此,夏季工况下,排风式双层光伏窗的热电性能更好,节能潜力更大。(3)不同季节工况下双层光伏窗的性能优化研究表明,将空气腔间距设为80 mm时,外窗的综合性能最佳。此时,冬季工况下送风式双层光伏外窗的内层玻璃表面温度最高,窗体的得热量较多,热性能更好,与30 mm间距相比,最多可以增加34%的冬季室内的得热量。而夏季工况下排风式双层光伏窗也在窗户得热方面占有明显的优势,比间距为30 mm时减少了18%的窗体得热量,可以更好地发挥窗户的节能潜力,更有利于建筑节能。