本研究針對傳統玻璃難以平衡采光與能源性能的問題，開發了一種多目標優化框架，用于設計半透明建筑集成光伏（ST-BIPV）玻璃。以武漢某大學辦公室為案例，建立參數化模型控制光伏玻璃的面積分布、透光率等關鍵變量，通過仿真評估采光充足度（sDA）、眩光空間自主率（sGA）和光伏發電效率（EP_e）并尋找帕累托最優解。最后采用K-means 聚類算法對結果進行分析。Flexfilm 建筑玻璃 BIPV 透射率測試儀可以精準獲取樣品的可見光透射率等關鍵變量，為優化模型提供高精度輸入數據。

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研究方法

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研究流程

研究流程圖：參數建模→性能模擬→多目標優化→數據分析研究分為四步：

• 模型構建：基于Grasshopper平臺建立參數化模型，控制南向窗口的形狀、尺寸及ST-BIPV類型；

不同窗墻比（WWR）和平均可見光透射率（AVT）的BIPV產品示意圖

• 性能模擬：采用Honeybee/Ladybug進行日光模擬，計算空間采光自主率（sDA）、空間眩光自主率（sGA）及發電效率（EP_e）；
• 多目標優化：運用Wallacei算法生成Pareto最優解集，定義目標函數為最大化sGA、sDA及EP_e；
• 結果分析：通過K-means聚類篩選最優方案，對比改造前后的室內光環境與發電性能。

案例研究

(a) 選定建筑模型；(b) 兩個階梯式辦公空間；(c) 組成空間的基本單元

研究對象為武漢某大學建筑教學樓的雙層階梯式辦公空間，總高度12米，單層有效凈高4.5米。模型包含動態樹木遮擋模擬，以反映真實環境中的光影變化。性能指標

• 空間采光自主率（sDA）：衡量室內區域達到300 lx照度的時間占比；
• 空間眩光自主率（sGA）：評估無眩光區域的全年占比；
• 發電效率（EP_e）：定義為光伏面積×轉換效率（η），表征能量產出能力。

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結果與分析

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多目標優化結果

基于Grasshopper的參數化流程：變量設置→性能模擬→優化迭代

通過16代迭代生成62個Pareto最優解，經K-means聚類劃分為三類：

• Cluster 1：高透射率ST-BIPV（AVT=80%），低WWR（0.26），sDA最低（47.7%），sGA較差（68.4%），發電效率最低；
• Cluster 2：低透射率ST-BIPV（AVT=10%），中等WWR（0.51），發電效率最高（68.9 m2），sGA最優（62.3%），但sDA僅49.1%；
• Cluster 3：高WWR（0.35），混合ST-BIPV類型（AVT=20%-50%），sDA最高（78.9%），sGA次優（60.9%），發電效率居中（48.9 m2）。

帕累托解聚類結果：各聚類質心的形態參數與目標值

最優方案驗證 選擇Cluster 3的質心方案進行改造：

• 采光性能：年均照度提升15.63%，sDA下降至73.1%（仍滿足LEED≥75%要求），sGA提升6.55%；

改造前后立面指標對比：(a,d)照度分布；(b,e)sDA分布；(c,f)sGA分布

• 眩光控制：冬季正午DGP值從0.42降至0.38，夏季因太陽高度角升高導致DGP略增至0.45；
• 發電效益：兩層樓面年發電量5,508.86 kWh，覆蓋夜間照明能耗（2,575.44 kWh/單元）。

本研究開發了一種多目標優化框架，用于設計半透明建筑集成光伏（ST-BIPV）窗戶。通過建立參數化模型控制光伏窗戶的面積分布、透光率等關鍵變量，通過仿真評估采光自主率（sDA）、眩光空間自主率（sGA）和光伏發電效率（EP_e）。采用K-means聚類分析后得到最終方案，改造后年照度提升15.63%，sGA提高6.55%，光伏系統年發電5,508.86 kWh，滿足夜間用電需求。該框架為建筑早期設計提供了兼顧能源與視覺性能的優化路徑。

Flexfilm建筑玻璃BIPV透過率

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建筑玻璃BIPV透射率測試儀是建筑玻璃性能檢測的利器，具有高精度的測量準確性、測量穩定性，能夠測量樣品的透射率，計算出超白壓花玻璃的AM1.5有效太陽光透射比、可見光透射比、Y、x、y、L*、a*、b*等顏色參數，顯示CIE色坐標及色品圖。

• 快速在線測量大面積樣品的透射率，并統計均勻性給出mapping圖
• 大面積掃描（如0.6m×1.2m基板）可在秒級完成
• 非接觸無損檢測

Flexfilm建筑玻璃BIPV透過率測試儀通過高精度透射率與無損檢測能力，成為驗證半透明BIPV玻璃“光-能”平衡性能的核心工具，直接支撐論文中多目標優化框架的實證可靠性，并為后續研究提供技術基礎。

原文參考：《Optimizing semi-transparent BIPV windows for balanced daylighting and solar energy performance in office buildings》

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