一、引言

随着工业的快速发展，工业建筑的能耗问题日益突出，同时对室内环境质量的要求也在不断提高。通风、采光、发电三功能集成天窗作为一种创新的建筑节能构件，具有重要的研究价值和应用前景。光热耦合效应在天窗的采光与发电功能中起着关键作用，深入研究其效应并结合工业场景进行验证，对于优化天窗性能、提高能源利用效率具有重要意义。

二、光热耦合效应的理论分析

（一）光热耦合效应的基本原理

光热耦合效应是指太阳辐射能同时以光能和热能的形式作用于物体，引发物体表面温度变化、光学性能改变以及能量传递等现象。对于集成天窗而言，采光材料和太阳能电池板都会受到光热耦合效应的影响。采光材料在传输太阳光的同时，会吸收部分光能转化为热能，导致材料表面温度升高，进而影响其光学性能和热工性能；太阳能电池板在发电过程中，温度的升高会降低其光电转换效率，同时也会影响电池板的使用寿命和可靠性。

（二）光热耦合效应对天窗性能的影响

采光性能方面：光热耦合效应可能导致采光材料的透光率下降、颜色变化以及表面老化等问题。随着材料温度的升高，其光学性能可能发生改变，使得进入室内的自然光线强度和光谱分布发生变化，从而影响室内的采光质量和均匀性。此外，材料的老化还会降低其透光率和使用寿命，增加维护成本。

发电性能方面：太阳能电池板的光电转换效率与温度密切相关，一般来说，温度每升高1℃，单晶硅太阳能电池板的光电转换效率会下降约0.4%-0.5%。在光热耦合效应下，电池板吸收太阳辐射能发电的同时，自身温度不断上升，导致发电效率降低。此外，高温还可能引发电池板的热斑效应、封装材料老化等问题，进一步降低发电性能和使用寿命。

三、生产车间场景需求分析

（一）生产车间建筑的通风需求

生产车间内往往存在大量的生产设备和人员活动，产生大量的热量、废气和污染物。例如，在分拣加工车间，机床运行过程中会产生大量的切削热；在废钢车间，大量的油雾和有害气体。良好的通风系统对于维持室内空气质量和温度环境至关重要，通风需求大且要求通风效果稳定可靠，能够及时排出有害气体和余热，保证工人的身体健康和生产安全。

（二）采光需求

生产车间的生产活动通常需要充足的自然采光来保证工作效率和产品质量。例如，在废钢、分拣车间，精确的操作需要良好的光照条件；在家电拆解车间，适宜的光照有助于提高产品质量和工人的视觉舒适度。合理的采光设计可以减少人工照明的使用时间，降低照明能耗，同时提高室内环境的舒适性。

（三）发电与能源利用需求

生产车间能耗较高，对能源的自给自足和节能降耗有强烈需求。通过在天窗上集成太阳能发电系统，可以将太阳能转化为电能，为厂房内的生产设备、照明系统、通风设备等提供部分或全部电力需求，减少对传统电网的依赖，降低能源成本，同时实现节能减排的目标。

四、集成天窗关键技术研究

（一）结构优化设计

复合结构设计：采用特殊的复合结构，将采光材料、通风通道和太阳能电池板有机地集成在一起。例如，在天窗的上层设置采光材料，中间层设置通风通道，下层设置太阳能电池板，通过合理的分层设计和隔热处理，减小光热耦合效应对各功能层的相互影响。通风通道的设计不仅要满足通风量的要求，还要兼顾隔热和防止热量传递到太阳能电池板的作用，可以通过设置多层空气间层或采用隔热材料来实现。

角度优化设计：根据工业建筑的地理位置、朝向以及太阳高度角的变化规律，对天窗的采光角度和通风口角度进行优化设计。在采光角度方面，采用可调节的采光板角度结构，通过自动控制装置根据太阳位置实时调整采光板的角度，使采光板始终保持最佳的采光效果，同时避免阳光直射到太阳能电池板表面，减少光热耦合效应对电池板温度的影响。在通风口角度方面，设计可变角度的通风口，根据室内外风压和热压的变化自动调节通风口的开启角度，提高通风效率，并在一定程度上起到遮阳和隔热的作用。

（二）材料选择与改进

采光材料：选用具有高透光率、良好隔热性能和抗老化性能的采光材料。例如，采用低铁钢化玻璃与聚碳酸酯板复合而成的采光材料，低铁钢化玻璃具有较高的透光率，可达91%-93%，能够有效减少光线在传输过程中的损失；聚碳酸酯板具有良好的隔热性能和抗冲击性能，其隔热性能比普通玻璃高，可以有效降低光热耦合效应引起的材料温度升高，同时对太阳能电池板起到一定的隔热保护作用。此外，在采光材料表面添加特殊的防紫外线涂层和隔热涂层，进一步提高材料的抗老化性能和隔热效果。

（三）通风与散热系统设计

自然通风与强制通风结合：在天窗的通风设计中，充分利用自然通风的动力，如热压和风压。通过合理布置通风口的位置和大小，形成有效的自然通风路径，使室内热空气能够顺利排出，室外新鲜空气能够及时补充。同时，为了满足工业建筑在高负荷运行时的通风需求，在通风口处安装小型轴流风机或离心风机，作为强制通风的辅助手段。根据室内外环境参数和通风需求，通过智能控制系统自动调节风机的转速和运行状态，实现通风量的精确控制。例如，在夏季高温时段或设备运行负荷较大时，启动强制通风系统，加大通风量，快速排出室内热量和污染物；在自然通风条件较好时，优先利用自然通风，减少风机的运行时间，降低能耗。

散热系统设计：针对太阳能电池板的散热问题，设计专门的散热系统。一种有效的散热方式是采用空气冷却与热管散热相结合的方法。在太阳能电池板的背面设置散热鳍片，并通过热管将热量快速传递到散热鳍片上，利用空气的流动将热量带走。空气流动可以采用自然对流或强制对流的方式，通过在天窗的通风通道中设置导流板，引导空气流经散热鳍片，提高散热效率。此外，还可以在太阳能电池板与散热鳍片之间涂抹导热硅脂，增强热传递效果。

五、结论

本文针对通风、采光、发电三功能集成天窗的关键技术进行了深入研究，重点探讨了光热耦合效应对天窗性能的影响，并通过工业场景的实际验证，得出了以下结论：

1.光热耦合效应对天窗的采光和发电性能有显著影响，通过结构优化设计、材料选择与改进、通风与散热系统设计以及智能控制系统设计等一系列关键技术的研究与应用，可以有效减小光热耦合效应对天窗性能的负面影响，提高天窗的整体性能和稳定性。

2.在工业场景中，通风、采光、发电三功能集成天窗能够满足生产车间对通风、采光和能源利用的多重需求，显著改善室内环境质量，提高生产效率和产品质量，降低能源消耗和运营成本，具有良好的经济、环境和社会效益。

未来，随着技术的不断进步和创新，通风、采光、发电三功能集成天窗有望在更多类型的工业建筑中得到广泛应用，并进一步推动建筑节能领域的发展。同时，针对不同工业场景的特殊需求，还可以对集成天窗进行深入的定制化设计和优化，以实现更好的应用效果。

参考文献：

[1]国家建筑标准设计图集《通风天窗》18J621-3.

[2]张伟.建筑设计中自然采光与通风系统的优化策略分析[J].建筑与文化,2019,25(3):42-47.

[3]李华.自然采光与通风系统对建筑能源效率的影响研究[J].建筑技术,2021,37(2):26-31.