本篇文章內(nèi)容由[中國(guó)幕墻網(wǎng)www.gdjiasi.com]編輯部整理發(fā)布：
摘要：為實(shí)現(xiàn)建筑能源產(chǎn)需平衡，可再生能源應(yīng)用必不可少。由于我國(guó)各氣候區(qū)光照條件差別較大，光伏行業(yè)的產(chǎn)品更新速度較快，以及光伏系統(tǒng)涉及到的專(zhuān)業(yè)較多等問(wèn)題，很難對(duì)建筑光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)給出統(tǒng)一的方法及定量的數(shù)據(jù)要求。既往我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑上的使用，主要是在屋頂。本文通過(guò)分析光伏幕墻對(duì)于零能耗建筑的作用，對(duì)光伏玻璃幕墻在設(shè)計(jì)中的一些要點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，為建筑和幕墻設(shè)計(jì)師進(jìn)行光伏幕墻設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：光伏玻璃幕墻;零能耗建筑;節(jié)能;產(chǎn)能
1、引言
零能耗建筑因其節(jié)能性和環(huán)保性成為“雙碳”目標(biāo)下社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。光伏玻璃幕墻因其兼具圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性和清潔能源屬性，在零能耗建筑的研究和應(yīng)用里占有重要地位。但我國(guó)光伏玻璃幕墻目前為止尚未成為規(guī)模化的應(yīng)用，一方面是由于光伏組件產(chǎn)品更新速度較快，規(guī)范體系相對(duì)不夠完善;另一方面是對(duì)于光伏玻璃幕墻和零能耗建筑的關(guān)系，及如何將光伏組件作為建筑建材在建筑和幕墻設(shè)計(jì)中能較好的使用，需要為建筑師和幕墻設(shè)計(jì)師提供良好的知識(shí)支撐和軟件支持，并且這些內(nèi)容應(yīng)當(dāng)是系統(tǒng)化的。本文分析了光伏玻璃幕墻與零能耗建筑的關(guān)系，梳理了零能耗建筑設(shè)計(jì)中的光伏玻璃幕墻設(shè)計(jì)要點(diǎn)及流程。
1光伏玻璃幕墻與零能耗建筑的關(guān)系
1.1光伏玻璃幕墻對(duì)于零能耗建筑的重要性
在《2018年中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告》中，2016年城鎮(zhèn)住宅(不含北方地區(qū)供暖)和農(nóng)村住宅的建筑能耗分別為19.8Kwh/(m2a)和9.6Kwh/(m2a)，接近甚至低于德國(guó)的被動(dòng)房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)15Kwh/(m2a)。如果不考慮舒適度標(biāo)準(zhǔn)，住宅建筑的能耗水平已經(jīng)達(dá)到超低能耗建筑的能耗要求，但這并不能說(shuō)明住宅建筑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超低能耗，因?yàn)檎芎钠褪且誀奚糠志幼∈孢m度為代價(jià)而實(shí)現(xiàn)的，像功能齊全的公共建筑則較難實(shí)現(xiàn)建筑的超低能耗要求。
現(xiàn)階段零能耗建筑實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑，就是通過(guò)被動(dòng)式設(shè)計(jì)降低建筑冷熱需求和提升主動(dòng)式能源系統(tǒng)的能效兩種方式達(dá)到超低能耗，兩種方式在同一建筑上往往采用兩種或多種不同的產(chǎn)品結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。例如降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，采用加厚保溫層的方式，提升主動(dòng)式能源系統(tǒng)的能效采用房屋頂部設(shè)置太陽(yáng)能熱水器的方式。實(shí)現(xiàn)方法分散，安裝圍護(hù)不便。
光伏玻璃幕墻設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮設(shè)置的朝向、建筑的窗墻比、采光（詞條“采光”由行業(yè)大百科提供）、通風(fēng)、遮陽(yáng)（詞條“遮陽(yáng)”由行業(yè)大百科提供）、傳熱系數(shù)的要求，建筑本身又可以產(chǎn)生清潔能源，這兩種產(chǎn)品屬性恰好符合兩種實(shí)現(xiàn)超低能耗的方式，并且作為一種單一產(chǎn)品，可以集中高效的實(shí)現(xiàn)兩種方法，使得在建筑上安裝光伏玻璃幕墻成為實(shí)現(xiàn)零能耗建筑的優(yōu)異選擇。
1.2光伏玻璃幕墻的節(jié)能特征
零能耗建筑的價(jià)值就在于它可以在保障室內(nèi)舒適度的情況下，既能減少對(duì)化石能源的依賴(lài)，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)供暖成本的節(jié)約，超過(guò)了建造增量成本。相對(duì)于通過(guò)高能源投入來(lái)平衡從熱工性能較差的建筑圍護(hù)流失熱量的主動(dòng)方式，被動(dòng)式節(jié)能需要以良好的建筑外圍護(hù)性能為支撐。以夏季和冬季為例，這種被動(dòng)式的策略可被概括為：減少能量的獲取和向外排出多余熱量。
圖1中體現(xiàn)的五個(gè)原則分別是隔熱保溫、被動(dòng)式房屋窗戶(hù)，高效舒適的熱回收通風(fēng)、氣密性、無(wú)熱橋。這五個(gè)原則是零能耗建筑的基礎(chǔ)，其中有四個(gè)都和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)。另《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB33/1015-2021中對(duì)節(jié)能要求表明，建筑的節(jié)能綜合指標(biāo)都和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括建筑體形系數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的傳熱系數(shù)、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)透光部分的太陽(yáng)得熱系數(shù)、窗墻面積比。所以外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能是零能耗建筑的關(guān)鍵。
1.3光伏玻璃幕墻的產(chǎn)能特征
零能耗建筑是近零能耗建筑的高級(jí)表現(xiàn)形式，其定義中明確說(shuō)明可再生能源產(chǎn)能需大于等于建筑自身的用能。以中國(guó)北方建筑為例，不同節(jié)能建筑的可再生能源利用率，見(jiàn)表1。
光伏玻璃幕墻發(fā)電面板以薄膜電池為主，轉(zhuǎn)換效率略低，轉(zhuǎn)換功率在150-180W/㎡，弱光發(fā)電性能好，可作為透光結(jié)構(gòu)，適用于建筑立面。正在建設(shè)華為數(shù)宇能源安托山基地，見(jiàn)圖2，兩座辦公樓高180米，光伏玻璃幕墻面積3萬(wàn)平米，為全球最大的應(yīng)用薄膜光伏玻璃的光伏幕墻項(xiàng)目，也是全球最大的“光儲(chǔ)直柔”近零碳園區(qū)之一，預(yù)計(jì)將在2022年投入使用。建成后，每年可生產(chǎn)150萬(wàn)度光伏綠電，通過(guò)節(jié)能、綜合能源管理等手段，建筑耗電量將從1192多萬(wàn)度降到589萬(wàn)度，年省電達(dá)51%，每年碳排放量中約5379噸降至約1984噸，降低碳排放超過(guò)63%。建筑應(yīng)用建筑光伏幕墻產(chǎn)生的可再生能源完全可以滿(mǎn)足建筑自身的用能。
2、零能耗建筑中的光伏玻璃幕墻的設(shè)計(jì)
2.1零能耗建筑中的光伏玻璃幕墻設(shè)計(jì)組成
零能耗建筑中的光伏玻璃幕墻設(shè)計(jì)主要分為圍護(hù)功能設(shè)計(jì)和光伏發(fā)電功能設(shè)計(jì)兩部分。圍護(hù)功能設(shè)計(jì)主要考慮節(jié)能方面的設(shè)計(jì)，主要包括隔熱型材的規(guī)格選擇、玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業(yè)大百科提供）規(guī)格的優(yōu)化以及新型節(jié)能產(chǎn)品的使用。光伏發(fā)電功能的設(shè)計(jì)通常理解是在傳統(tǒng)幕墻的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，額外再考慮的增加光伏發(fā)電面板布置傾角、分格優(yōu)化，龍骨構(gòu)造，減碳量計(jì)算等工作。設(shè)計(jì)出的光伏玻璃幕墻要實(shí)現(xiàn)效果美觀(guān)、發(fā)電效率優(yōu)異，施工安裝、拆卸、維護(hù)方便。
2.2圍護(hù)功能的設(shè)計(jì)
光伏玻璃幕墻主要安裝在公共建筑的立面，辦公建筑的主要使用空間對(duì)采光要求較高，這些空間對(duì)應(yīng)的幕墻可用于安裝透光的光伏組件。嘉興科創(chuàng)服務(wù)中心光伏幕墻為全球第一個(gè)光伏玻璃達(dá)到LOW-E玻璃效果的高層建筑項(xiàng)目。商業(yè)、文化建筑的建筑形體整體性較強(qiáng)，立面元素較為規(guī)整，多為大面積墻面或玻璃幕墻;而室內(nèi)采光主要靠電氣照明解決，對(duì)自然采光的要求稍低，因此可充分利用立面資源安裝不透光大面幕墻。嘉興秀洲光伏科技館外立面采用了大量的不透光光伏幕墻。
以《杭州市(近)零、超低能耗建筑示范項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)要求》為例，文件對(duì)居住建筑和公共建筑的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行了要求。其中公共建筑部分對(duì)透光幕墻的熱工要求見(jiàn)表2。
透光幕墻的傳熱系數(shù)的要求Uf≤2.0，使用常用材料組裝光伏玻璃幕墻的配置至少為C40隔熱條，三玻兩腔的玻璃配置，見(jiàn)表3。
隨著產(chǎn)品的進(jìn)步，越來(lái)越多的節(jié)能產(chǎn)品問(wèn)世，這些節(jié)能產(chǎn)品的使用可以使得光伏幕墻以較低的配置實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能效果。以中空玻璃暖邊條為例，可以降低標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)傳熱系數(shù)0.15-0.2W/㎡·K，大大提高中空玻璃內(nèi)表面溫度（詞條“表面溫度”由行業(yè)大百科提供），能有效改善玻璃邊部結(jié)露。
2.3光伏發(fā)電功能的設(shè)計(jì)
2.3.1光伏幕墻的分格設(shè)計(jì)
光伏發(fā)電功能從光伏幕墻分格設(shè)計(jì)，發(fā)電量?jī)?yōu)化計(jì)算，光伏幕墻構(gòu)造設(shè)計(jì)三個(gè)方面展開(kāi)分析。
光伏幕墻分格設(shè)計(jì)以晶硅和薄膜兩種不同材質(zhì)的面板展開(kāi)分析。因?yàn)楣夥M件的尺寸并未強(qiáng)制規(guī)定，而且每個(gè)廠(chǎng)家的大批量生產(chǎn)的光伏標(biāo)準(zhǔn)組件尺寸均存在不同，所以具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先廠(chǎng)家獲取溝通交流待使用組件的尺寸，避免設(shè)計(jì)完成后，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的可以購(gòu)買(mǎi)的光伏組件產(chǎn)品。首先建議幕墻分格尺寸按照組件廠(chǎng)家的標(biāo)準(zhǔn)組件尺寸設(shè)計(jì)，因?yàn)榧庸すに嚰凹庸し绞降仍颍庸ざㄖ撇煌叽绲墓夥M件，有時(shí)并不能得到想要的組件尺寸，還可能對(duì)工程工期造成影響。因此了解光伏組件加工原理，使得設(shè)計(jì)師可以在工程前期把握建筑分格調(diào)整的方向。
對(duì)晶硅組件來(lái)講，太陽(yáng)能電池片是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，常見(jiàn)的尺寸有156mmx156mm、166mmx166mm、182mmx182mm、210mmx210mm。一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)晶硅組件的尺寸約為2000mmx1000mm。定制光伏組件尺寸，首先確定電池片的規(guī)格，然后確定電池片之間的間隙尺寸及電池片與玻璃邊緣的尺寸，電池片之間的空隙可以透光，電池片不可以透光，空隙的尺寸直接影響組件的透光率。
透光率公式為：
經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的排布計(jì)算，組件尺寸就可以確定了，使用定制組件前務(wù)必與光伏組件廠(chǎng)家溝通交流。圖3為定制晶硅光伏組件。
對(duì)薄膜組件來(lái)講，標(biāo)準(zhǔn)薄膜組件的尺寸為1200mmx600mm。小于1200mmx600mm的尺寸可以通過(guò)裁切薄膜獲得，大于1200mmx600mm的尺寸，發(fā)電薄膜需要拼接，例如想獲取1500mmx800mm的組件，則可以選用3部分800mmx500mm的發(fā)電薄膜拼接獲得。因?yàn)楣に囈笙拗疲唇游恢猛鶗?huì)有一道明顯的黑色拼縫。同樣使用定制組件前務(wù)必與光伏組件廠(chǎng)家溝通交流。圖4為定制薄膜光伏組件。
2.3.2發(fā)電量的優(yōu)化設(shè)計(jì)
發(fā)電量的計(jì)算是建筑開(kāi)發(fā)單位和設(shè)計(jì)單位很重視的參數(shù)，因?yàn)榻ㄖ凸夥慕Y(jié)合根本目的是發(fā)電，發(fā)電越多，能夠節(jié)省更多的能源，減少更多的碳排放。在建筑設(shè)計(jì)的前期方案階段，發(fā)電量可以粗估計(jì)算，光伏幕墻具體設(shè)計(jì)階段，要詳細(xì)準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)電量。發(fā)電量計(jì)算的公式通常采用《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50797-2012，發(fā)電量計(jì)算章節(jié)中提供的公式：
綜合效率系數(shù)K包括：光伏組件類(lèi)型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線(xiàn)路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)。
1)水平面太陽(yáng)能總輻射量可以去氣象站購(gòu)買(mǎi)，也可以通過(guò)專(zhuān)業(yè)的氣象軟件模擬，如NASA，Solargis，Meteonorm等。對(duì)于沒(méi)有軟件的人員，可以通過(guò)整理好的經(jīng)驗(yàn)表格進(jìn)行粗略查詢(xún)。
2)組件安裝容量公式：
3)綜合效率系數(shù)與很多參數(shù)有關(guān)，一般通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件計(jì)算，在發(fā)電量估算時(shí)，光伏方陣傾角之外的系數(shù)可以按照80%-82%取值。因?yàn)楣夥粔嵌茸兓^大，光伏方陣傾角系數(shù)需單獨(dú)考慮。以浙江地區(qū)為例，從圖5可以粗估，90°立面的幕墻損失量大概在40%左右。也可以通過(guò)Perez模型、HDKR模型或者Hay模型計(jì)算傾斜面太陽(yáng)輻射量。
浙江中南幕墻設(shè)計(jì)院針對(duì)光伏設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題開(kāi)發(fā)專(zhuān)為建筑師和甲方提供產(chǎn)品及設(shè)計(jì)選型的計(jì)算軟件，配合PVsyst、Solar PV、archelios、Solar edge等光伏相關(guān)軟件，為甲方和建筑師提供較為精準(zhǔn)的光伏發(fā)電量計(jì)算服務(wù)。
2.3.2光伏幕墻構(gòu)造設(shè)計(jì)
光伏構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)于光伏幕墻產(chǎn)品的落地起著至關(guān)重要的作用。光伏組件背后設(shè)置接線(xiàn)盒，幕墻構(gòu)件的組裝需避開(kāi)接線(xiàn)盒，避免干涉。太陽(yáng)能電池組件主要作用是將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力與外部線(xiàn)路連接。接線(xiàn)盒根據(jù)放置位置的不同分為背部接線(xiàn)盒和側(cè)邊接線(xiàn)盒。背部接線(xiàn)盒位于光伏幕墻組件背面端部或中部，側(cè)邊接線(xiàn)盒位于光伏幕墻組件前后或左右端部玻璃切割面。不同廠(chǎng)家設(shè)置的接線(xiàn)盒尺寸不一，不同幕墻系統(tǒng)接線(xiàn)盒優(yōu)先選用的位置不同，見(jiàn)表4。
光伏面板設(shè)置接線(xiàn)盒的一側(cè)與幕墻構(gòu)件的的距離要大于接線(xiàn)盒的尺寸，橫梁上安裝光伏幕墻組件時(shí)所用墊塊應(yīng)高于光伏幕墻組件的接線(xiàn)盒高度。
幕墻具有裝飾屬性，光伏電纜的走線(xiàn)應(yīng)當(dāng)隱藏處理，傳統(tǒng)的幕墻構(gòu)造很難做到隱藏線(xiàn)纜的效果。而且因?yàn)闆](méi)有預(yù)留線(xiàn)倉(cāng)，走線(xiàn)需要在幕墻構(gòu)件打孔，破壞了幕墻原本的構(gòu)造，也給構(gòu)件加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝增加了難度。所以在光伏幕墻設(shè)計(jì)初期就應(yīng)當(dāng)將布線(xiàn)考慮到構(gòu)造設(shè)計(jì)中。
隱藏線(xiàn)纜的方式有三種，一是部分幕墻自身結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足隱藏線(xiàn)纜的要求，比如隱框幕墻的面板附框（詞條“附框”由行業(yè)大百科提供）中可以走線(xiàn)，見(jiàn)圖6，此種走線(xiàn)方式，不便于線(xiàn)纜維修;二是幕墻龍骨自身設(shè)置線(xiàn)倉(cāng)，見(jiàn)圖7，圖7是浙江中南幕墻設(shè)計(jì)院的專(zhuān)利構(gòu)造，布線(xiàn)完畢后，采用壓蓋將線(xiàn)倉(cāng)封閉，這樣保持原幕墻的效果，并且便于檢修。需要維修的時(shí)候，拆開(kāi)壓蓋即可;三是額外設(shè)置線(xiàn)倉(cāng)，見(jiàn)圖8，將線(xiàn)纜隱藏到線(xiàn)倉(cāng)里面，用于對(duì)于效果要求不高的位置，或者對(duì)于非透光的幕墻部位，線(xiàn)纜采用綁扎的方式梳理后放置到線(xiàn)倉(cāng)中。
滿(mǎn)足大眾對(duì)藝術(shù)美的追求，異形建筑的建造使用率在國(guó)內(nèi)的建筑中占比率越來(lái)越多。異形建筑對(duì)構(gòu)造的最主要要求就是幕墻面板可以實(shí)現(xiàn)任意角度拼接。一般采取設(shè)置可以旋轉(zhuǎn)的鋁合金附框轉(zhuǎn)接框的方式吸收角度變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供），如圖9。異形光伏幕墻每塊幕墻面板的角度和方位角均存在差異，在角度、方位角差異不大的情況，電氣部分的逆變器采用器具有MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)功能，采用多路MPPT組串式逆變器可解決光伏幕墻組件因安裝位置或環(huán)境影響所造成電路并聯(lián)。在角度、方位角差異大的情況，每個(gè)光伏幕墻組件可以單獨(dú)設(shè)置微型逆變器，使每塊可組件的輸出功率都在最大功率點(diǎn)附近，大大削弱短板效應(yīng)，減少發(fā)電量損失。
3、結(jié)論與展望
光伏幕墻從節(jié)能和綠色產(chǎn)能的角度上講，是零能耗建筑設(shè)計(jì)必須掌握的內(nèi)容。本文僅針對(duì)發(fā)電和節(jié)能兩個(gè)要點(diǎn)對(duì)光伏玻璃幕墻在設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析，但光伏玻璃幕墻作為幕墻的一個(gè)子系統(tǒng)，且作為建筑的重要組成部分，還應(yīng)當(dāng)充分考慮到其快速關(guān)斷，電弧防護(hù)等安全性?xún)?nèi)容，充分保障消防安全。此外，對(duì)于光伏幕墻系統(tǒng)，建議通過(guò)比如由綜合性強(qiáng)制驗(yàn)收單位來(lái)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行整體驗(yàn)收等方式，在流程上進(jìn)一步規(guī)范并促進(jìn)光伏幕墻的健康發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] DB33/1015-2021，居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].
[2] GB50797-2012, 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[3] T/CCMSA 70228-2022, 光伏幕墻應(yīng)用指南[S].
[4] JGJl02--2003,玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].
[5]劉常平. 中國(guó)零能耗居住建筑與光伏系統(tǒng)能源匹配特性研究[D]. 西安建筑科技大學(xué).
[6]魯永飛,鞠曉磊,張磊,設(shè)計(jì)前期建筑光伏系統(tǒng)安裝面積快速估算方法[J];建設(shè)科技,2019,02.
[7] 張仲平,宣施超. 分布式光伏設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J]. 發(fā)電與空調(diào), 2012, 01:10-13.
[8] 白建波.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)建模、仿真與優(yōu)化[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.
[9] Deline C. Partially shaded operation of a grid-tied PV system. in Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2009 34th IEEE, 2009: 001268-001273.
[10]王德勤,異型金屬板幕墻（詞條“金屬板幕墻”由行業(yè)大百科提供）和屋面在設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)解析[J].中國(guó)建筑防水-屋面工程,2013,23.
作者單位：浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司
