綠色節(jié)能幕墻設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與展望

梁曙光 浙江中南幕墻科技股份有限公司副總經(jīng)理、建筑幕墻設(shè)計(jì)研究院院長(zhǎng)

符旭晨 浙江中南幕墻科技股份有限公司副總工程師、高級(jí)工程師

梁書龍 浙江中南幕墻科技股份有限公司幕墻設(shè)計(jì)研究院光伏所所長(zhǎng)、副總工程師、高級(jí)工程師

關(guān)健詞：建筑；能源；被動(dòng)節(jié)能；主動(dòng)產(chǎn)能；呼吸式幕墻；光伏幕墻

一、引言

建筑與能源一直是貫穿人類歷史發(fā)展和社會(huì)生活的兩大重要因素。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自工業(yè)革命以來，建筑一直是人類能量消耗的最大部分，而且這個(gè)部分所占比例隨著時(shí)代的發(fā)展也在逐步提高。為建筑原料的開采、建筑材料生產(chǎn)、建筑材料運(yùn)輸與加工、建筑物的建造、以及建筑物在日常使用中的照明、建筑內(nèi)交通設(shè)施、空調(diào)等設(shè)施維護(hù)以及建筑的拆除、建筑垃圾的處理等所消耗的能量已經(jīng)占超過人類年生產(chǎn)能量的40%。

傳統(tǒng)能源生產(chǎn)的主要方式：包括化石能源，石油和煤碳以及水電，從開采到運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化為人類最終能源利用形式(主要是電力和燃料油)，以及最終的能量利用過程中，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生破壞性影響(甚至是無法修復(fù)的破壞性影響)，環(huán)境污染、氣候變暖等已經(jīng)成為人類社會(huì)所面對(duì)的最重要課題。所以，改善建筑的能源消耗問題，已經(jīng)成為建筑設(shè)計(jì)必須考慮的當(dāng)務(wù)之急。

幕墻是建筑同外界環(huán)境間隔斷與聯(lián)系的中介環(huán)節(jié)，是建筑與外界能量傳遞與交換的最重要部分，所以優(yōu)秀的綠色節(jié)能幕墻設(shè)計(jì)已成為決定綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的決定性因素。

二、論述

所謂的綠色幕墻設(shè)計(jì)，目前來說沒有統(tǒng)一的定義。一般來講，就是指在幕墻設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮到幕墻的環(huán)境代價(jià)和環(huán)境影響、盡可能地采用環(huán)境友好型的材料，工藝與構(gòu)造處理方法。所謂的環(huán)境代價(jià)就是指幕墻在材料選用、施工方法所需要消耗的環(huán)境成本，包括能源消耗、物質(zhì)消耗、粉塵、噪音等問題。所謂的環(huán)境影響則主要是指幕墻在使用之后的整個(gè)生命周期中能源的消耗、光污染等問題。這就要求我們?cè)谀粔υO(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重從如下方面入手來考慮問題以提高幕墻的綠色節(jié)能效果：

1、傳統(tǒng)被動(dòng)節(jié)能型幕墻材料選用方面，人們一直在提高墻體、屋面、樓地面、門窗、幕墻的節(jié)能效果。 如傳統(tǒng)的Low-E 涂層中空玻璃以及采用雙層甚至三層涂層的雙銀和三銀中空玻璃、暖邊條、高阻熱型材等。

2、在幕墻形式選用方面，則需要考慮保溫節(jié)能效果優(yōu)秀、維護(hù)成本低的幕墻形式。如雙層呼吸性幕墻(又稱雙層幕墻、雙層通風(fēng)幕墻、熱通道幕墻等)。它由內(nèi)、外兩道幕墻組成，內(nèi)外幕墻之間形成一個(gè)相對(duì)封閉的空間，空氣可由下部進(jìn)氣口進(jìn)入，而又從上部排風(fēng)口離開這一空間。這一空間的經(jīng)常空氣流動(dòng)狀態(tài)，熱量便在這一空間流動(dòng)。呼吸式幕墻與傳統(tǒng)幕墻相比，它的最大特點(diǎn)是由內(nèi)外兩層幕墻之間形成一個(gè)通風(fēng)換氣層。由于此換氣層的流通或循環(huán)的作用，使內(nèi)層幕墻的溫度接近室內(nèi)溫度，減小溫差因而比傳統(tǒng)的幕墻采暖時(shí)節(jié)約能源42～52%；制冷時(shí)節(jié)約能源38～60%。另外由于雙層幕墻的使用，整個(gè)幕墻的隔音效果得到了極大的提高。呼吸式幕墻根據(jù)通風(fēng)層結(jié)構(gòu)的不同可分為“封閉式內(nèi)循環(huán)體系”和“敞開式外循環(huán)”兩種。

另外還有保溫節(jié)能效果更好的雙中空玻璃幕墻和真空玻璃幕墻等綠色節(jié)能幕墻形式。還有，集節(jié)能保溫、除塵、降噪、吸收有害氣體，降低污染、凈化空氣與一體的綠色植被幕墻也是一個(gè)相當(dāng)有效的幕墻形式。

3、在建筑幕墻構(gòu)造處理上，要盡可能地采用能夠消除任何會(huì)加速建筑內(nèi)外能量傳遞的節(jié)點(diǎn)處理措施。對(duì)于幕墻內(nèi)外的金屬連接部位必須采用有效的熱橋阻斷處理。

4、在幕墻措施的采用方面，為了建筑內(nèi)外能量的消耗，可使建筑幕墻的內(nèi)外側(cè)采用有效的遮陽措施。如采光頂下可采用電動(dòng)卷簾，夏天需要的時(shí)候打開以減少室外光熱能量的導(dǎo)入室內(nèi)，冬天則可以收起讓陽光射入以充分加熱室內(nèi)空氣，降低空調(diào)的負(fù)荷而減少能量消耗。在幕墻外側(cè)可設(shè)置格柵條進(jìn)行遮陽處理。同樣可以達(dá)到減少熱量導(dǎo)入的效果以實(shí)現(xiàn)保溫節(jié)能目的。

5、在條件許可的情況下可采用節(jié)能與產(chǎn)能有效結(jié)合、完美統(tǒng)一的光伏幕墻形式。 光伏幕墻是一種將能夠在光照作用下發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生電能的光伏發(fā)電板作為建筑幕墻板塊材料的幕墻形式。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了被動(dòng)節(jié)能與主動(dòng)產(chǎn)能的完美結(jié)合，建筑遮蔽功能與發(fā)電功能的有機(jī)統(tǒng)一而成為一種倍受關(guān)注和歡迎，且有巨大應(yīng)用前景的幕墻形式。它主要分為晶硅玻璃幕墻與薄膜光伏幕墻。

三、光電幕墻設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

主動(dòng)節(jié)能型幕墻材料選用方面，盡量選用能主動(dòng)轉(zhuǎn)化太陽能等環(huán)境友好型面材，生產(chǎn)時(shí)的能源和物質(zhì)代價(jià)低的材料。如光伏幕墻組件和電氣的選擇需要遵循以下幾點(diǎn)：

1、電池組件形式及規(guī)格需要多樣化，組件形式包括傳統(tǒng)的單晶硅電池、多晶硅電池、微晶薄膜電池、非晶薄膜電池和軟膜電池，還有太陽能光伏瓦等衍生產(chǎn)品。多晶硅電池或單晶硅電池組成的晶硅電池組件可以根據(jù)建筑形式排版多種規(guī)格尺寸，還可以根據(jù)建筑采光及美學(xué)要求制作不同透光板塊。薄膜電池組件現(xiàn)在也有許多廠家可以進(jìn)行不同尺寸調(diào)整，還有廠家可以生產(chǎn)半成品的任意尺寸切割，這些都是為了適應(yīng)建筑設(shè)計(jì)的要求。而且還發(fā)展出了直接做成傳統(tǒng)建材樣式的光伏瓦、軟膜電池等。

這么多種類的電池在設(shè)計(jì)中如何選擇至關(guān)重要，首先是滿足建筑要求，在地面光伏電站中使用的光伏組件，只要通過IEC61215的檢測(cè)， 滿足抗130km/h(2400Pa)風(fēng)壓和抗25mm 直徑冰雹23m/s 的沖擊的要求即可。而BIPV 光伏組件不僅需要滿足光伏組件本身的性能要求，同時(shí)要滿足幕墻的四性實(shí)驗(yàn)要求（抗風(fēng)壓性能、平面內(nèi)變形性能、氣密性能和水密性能）和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力學(xué)性能和采用不同的結(jié)構(gòu)方式 ；其次選擇晶硅電池時(shí)，如果部分位置有遮擋，就要考慮晶硅組件的熱斑問題。

2、接線盒需要小型化和多樣化，接線盒作為電池與其他設(shè)備連接的必要設(shè)備，再與幕墻結(jié)合時(shí)，建筑對(duì)它的要求就是隱身，所以接線盒的設(shè)計(jì)就逐漸小型化，并且隱藏在板塊縫隙或外裝飾條內(nèi)側(cè)。

3、電纜短接頭小、板塊組合需多組化，光伏發(fā)電效率的提高即使是0.1 個(gè)百分點(diǎn)也是科研人員花費(fèi)大量精力、時(shí)間和金錢才能得到，但是線纜傳輸過程中的損耗卻有近1 個(gè)百分點(diǎn)，所以如何減少線纜及其他設(shè)備的損耗是BIPV 設(shè)計(jì)中注意的要點(diǎn)。幕墻上應(yīng)用一定要考慮室內(nèi)外的美觀，所以線路必須做到室內(nèi)外均不外露。另外板塊通過串并聯(lián)的結(jié)合增加電池板的分組，減少個(gè)別板塊損壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率的影響。

4、控制器和逆變器需結(jié)合，逆變器需要小型化，模塊化：現(xiàn)在控制器和逆變器很多都是結(jié)合在一起設(shè)計(jì)的，這樣便于經(jīng)行設(shè)備檢修，減少當(dāng)機(jī)率。另外由于個(gè)別板塊損壞會(huì)導(dǎo)致整串功率受到影響，損失較多裝機(jī)容量，有時(shí)還 會(huì)因?yàn)槿照諚l件變化導(dǎo)致過多逆變器負(fù)荷參與工作導(dǎo)致效率下降等因素，制約了大型逆變器的效率的提高，所以現(xiàn)在需要考慮逆變器的模塊化設(shè)計(jì)。現(xiàn)在已有廠家采用智能化休眠技術(shù) ，使逆變器的最高效率提高到98.6%，歐洲效率提高到97.6%，而且采用低電壓50～500kW 容量自由組合，并且支持熱插拔，可以在不停機(jī)的情況下安裝維護(hù)，另外完善的網(wǎng)絡(luò)通信功能易于監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，是今后BIPV 的一個(gè)較優(yōu)方向。另外微型逆變器為每塊組件單獨(dú)工作，更利于提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，特別是板塊種類較多和使用位置較復(fù)雜時(shí)是較優(yōu)選擇，但目前這種方案造價(jià)較高 ，需要綜合考慮。

5、減少蓄電池的使用：光伏組件本身只有發(fā)電作用是不具備儲(chǔ)電作用的。并網(wǎng)是組件發(fā)的電直接并到國(guó)家電網(wǎng)里，不需要儲(chǔ)能的，通過防逆流裝置可以做到安全無縫使用。離網(wǎng)是單獨(dú)使用的，在光線不強(qiáng)或是夜晚沒有陽光的情況下，還需要電能的話，就要靠蓄電池部分提供電能。白天光伏組件發(fā)的電為蓄電池充電，可供夜間使用，這樣就要投入較高成本來配置蓄能設(shè)備。目前光伏用蓄電池，主流是免維護(hù)鉛酸蓄電池，優(yōu)點(diǎn)價(jià)格便宜、成本低，維護(hù)簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是容量較低，壽命短。還有一種是鋰電池，優(yōu)點(diǎn)是維護(hù)簡(jiǎn)便、容量高，缺點(diǎn)是由于剛被使用在光伏行業(yè)，因此成本很高，暫時(shí)還替代不了鉛酸蓄電池。還有一種儲(chǔ)能裝置，就是超級(jí)電容，優(yōu)點(diǎn)是容量可以做到很高，但缺點(diǎn)是仍處于研發(fā)階段，不成熟。所以離網(wǎng)系統(tǒng)由于蓄能環(huán)節(jié)的高投入和高維護(hù)不是今后的發(fā)展方向，所以我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)盡量減少蓄電池的使用。

6、型材便于檢修和線纜隱蔽：BIPV 光伏組件的安裝要比普通組件的安裝難度大很多。一般BIPV 組件安裝高度較高、安裝空間較小。考慮到安裝方便，可以將光伏組件和結(jié)構(gòu)做成單元式結(jié)構(gòu)，方便安裝并提高幕墻的安裝精度。比如可以采用單元式光電幕墻代替明框幕墻和隱框幕墻。中南公司還針對(duì)隱框和明框幕墻開發(fā)了采用了外側(cè)通渠式隱線系統(tǒng)，解決了光伏電池組件布線的難題。室內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了內(nèi)開式隱線系統(tǒng)，解決了光伏系統(tǒng)線路檢測(cè)和檢修的難題，使BIPV 在應(yīng)用中光伏組件的連接線全部隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中。我們今后的設(shè)計(jì)中需要進(jìn)一步提高這方面的要求。

四、近年來完成的綠色幕墻設(shè)計(jì)案例

在國(guó)內(nèi)幕墻設(shè)計(jì)界的努力下，國(guó)內(nèi)已經(jīng)完成了眾多綠色節(jié)能、環(huán)境友好綠色幕墻設(shè)計(jì)工程。主是要以雙層呼吸式幕墻為代表的傳統(tǒng)被動(dòng)節(jié)能幕墻形式，以及以光伏發(fā)電幕墻為代表的新型主動(dòng)產(chǎn)能幕墻形式。 幕墻不再是一個(gè)傳統(tǒng)的節(jié)能消耗大戶，而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境友好，節(jié)能減排，甚至成為清潔能源的生產(chǎn)大戶。實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)節(jié)能向主動(dòng)產(chǎn)能幕墻的華麗轉(zhuǎn)身，其中的優(yōu)秀幕墻綠色節(jié)能設(shè)計(jì)案例主要有以下幾個(gè)工程。

浙江中南建設(shè)集團(tuán)總部大樓

1、浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司總部大樓：該大樓總部建筑面積20000 余平方米，共計(jì)26 層，高度98 米，于2008 年建成投入使用。該建筑幕墻由浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司幕墻設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)完成。該建筑的南立面采用雙層呼吸式玻璃幕墻，即內(nèi)外層玻璃之間有300MM 的空氣夾層，該空氣夾層通過格柵孔實(shí)現(xiàn)分別同室內(nèi)和外部空氣和能量交換功能。該幕墻在投稿使用期間獲得了良好的建筑使用和經(jīng)濟(jì)效益。在不使用空調(diào)的條件下，夏季可使室內(nèi)環(huán)境較同等條件下的單層普通中空玻璃幕墻溫度低平均3 度，冬季則比相同條件下普通單層幕墻室內(nèi)氣溫高5 度。同時(shí)由于幕墻的自呼吸功能，使得該建筑室內(nèi)通風(fēng)設(shè)備使用能耗降低30%。據(jù)測(cè)算，此幕墻投入使用十年來，共累計(jì)節(jié)約能耗合計(jì)一百余萬元。

2、杭州濱江濱康路綜合體。濱康路綜合體位于杭州濱江區(qū)，濱康路、濱安路及風(fēng)情大道交叉口，總建筑面積37.5 萬平方米，最高樓高度近300 米，幕墻面積21 萬平方米，其中有6 萬平方米采用雙層呼吸性幕墻。該幕墻工程由浙江中南建設(shè)集團(tuán)限公司幕墻設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)完成，是近年來國(guó)內(nèi)采用雙層呼吸式幕墻面積最大的建筑工程之一。

濱康路綜合體

3、嘉興光伏科技展示館光伏幕墻工程，此光伏幕墻由浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司幕墻設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)完成。光伏幕墻面積15000平方米，共計(jì)光伏裝機(jī)容量421kW，采用多晶硅發(fā)電組件及薄膜光伏組件。項(xiàng)目建成以來，累計(jì)發(fā)電量超過100 萬度，占同期該建筑能量消耗的88%，取得了良好的節(jié)能效果。

嘉興光伏科技展示館

4、杭州市光伏行業(yè)龍頭企業(yè)——正泰新能源開發(fā)有限公司的太陽能光伏幕墻。而早在2010 年，正泰新能源C 廠房就已經(jīng)有了一座裝機(jī)容量為510kW 的光伏幕墻，在當(dāng)時(shí)成為國(guó)內(nèi)建成最早最大的光伏幕墻項(xiàng)目。新光伏幕墻位于正泰D 廠房，是正泰新能源為響應(yīng)杭州市推行節(jié)能建筑舉措而建成的又一大型幕墻項(xiàng)目。該項(xiàng)目裝機(jī)容量為606kW，利用外部8000 平方米立面空間，一排排整齊地鋪設(shè)了5270 塊高效薄膜電池組件。大樓外墻看似與普通玻璃無異，卻在向公司廠房輸送著源源不斷的清潔能源。圖中為正泰太陽能幕墻示范項(xiàng)目。

正泰太陽能薄膜幕墻光伏系統(tǒng)400KWp

5、浙江中南建設(shè)集團(tuán)建材市場(chǎng)一期位于杭州往濱江方向匝道北側(cè)的大樓，光伏幕墻采用了單晶硅雙玻透光組件，總面積610 平方米，裝機(jī)容量100kW。而位于街道另一側(cè)的大樓，光伏幕墻采用的是薄膜雙玻透光組件，裝機(jī)容量達(dá)300kW。這兩幢大樓不僅在屋頂和幕墻上都安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)。相關(guān)工程情況如圖所示。

中南建材市場(chǎng)一期BIPV 晶硅400KWp 現(xiàn)場(chǎng)圖

五、展望

未來包括雙層呼吸式幕墻、綠色植被種植幕墻、光伏幕墻在內(nèi)的節(jié)能綠色幕墻必將有巨大的發(fā)展空間。可以預(yù)見的是，更為綠色節(jié)能的幕墻形式，特別是實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)節(jié)能和主動(dòng)產(chǎn)能完美結(jié)合的光伏幕墻必將成為幕墻行為發(fā)展的主流方向。而光伏幕墻本身必將從目前的多晶硅材料向單晶硅材料，從硅材料到鍍膜材料的有序發(fā)展，從而光電轉(zhuǎn)換率亦將穩(wěn)定提高。詳細(xì)說來，光伏幕墻發(fā)展方向主要有如下幾點(diǎn)：

1、繼續(xù)提高組件效率，提高產(chǎn)品的弱光性能：BIPV 系統(tǒng)常用的晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率（多晶硅 13 ～16.5%；單晶硅16 ～18.5%）還需要進(jìn)一步提高。BIPV 系統(tǒng)用的薄膜電池（銅銦硒和銅銦鎵硒11 ～13%；碲化鎘8 ～11%；砷化鎵和聚合物10 ～14%）由于弱光性能優(yōu)良，相對(duì)效率較好。幕墻上的應(yīng)用需要電池組件具有良好溫度系數(shù)和弱光性，對(duì)紅外和紫外線具有良好的吸收和轉(zhuǎn)化作用，光伏板塊在幕墻立面上使用，節(jié)省了幕墻傳統(tǒng)面板的使用，而且反射率低，沒有光污染，具有良好地經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。今后研發(fā)主要控制的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為光伏建筑一體化的價(jià)格2015 年降至14元/瓦（現(xiàn)綜合測(cè)算成本約為16 元/瓦）。系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到80%以上。

2、繼續(xù)提高與建筑的結(jié)合程度：建筑幕墻是技術(shù)、藝術(shù)和功能的綜合體，所以在材料色彩和規(guī)格上建筑師都有較高的要求，所以我們需要進(jìn)一步提高光伏與建筑的結(jié)合度，開發(fā)出更多建材型組件，提供美觀實(shí)用的光伏產(chǎn)品，進(jìn)一步提高建筑的品味。

3、應(yīng)用直流化、集成化：目前光伏電池發(fā)電都是直流電，所以應(yīng)用中盡量考慮實(shí)用直流負(fù)載，減少成本與損耗。另外光伏與保溫材料一體化集成、光伏與電致變色一體化集成、光伏光熱一體化集成、PV-LED 一體化集成也是以后的應(yīng)用方向。

4、電池組件規(guī)格和色彩多樣化，并提高工業(yè)化和模塊化生產(chǎn)水平：傳統(tǒng)晶硅電池雖然穩(wěn)定性好，但價(jià)格昂貴，且電池本身不透明，采光需要靠調(diào)整電池的間距實(shí)現(xiàn)，所以可以經(jīng)過深入的研發(fā)，提高工業(yè)化率，從而降低造價(jià)，也可研發(fā)新型封裝方法及材料豐富晶硅組件顏色。

隨著綠色節(jié)能建筑幕墻設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，配合公眾綠色意識(shí)的提升，綠色行為的普及，以及建筑設(shè)施設(shè)備能源消耗的改善。未來實(shí)現(xiàn)低能耗，甚至零能耗建筑必將在我國(guó)興盛起來!