基于BIM技術的裝配式住宅光伏一體化設計探討

■ 崔艷秋 劉曉玥 劉 伊 蔡洪彬

0 引言

隨著我國“3060”雙碳政策的深入，新型儲能作為能源領域碳達峰的關鍵支撐，也立下2030年實現全面市場化發展的新目標；而光伏發電憑借其不消耗燃料且對環境無污染的優勢，成為實現這一目標的重要措施。[1-2]在技術進步的推動下，我國光伏技術飛速發展，光電轉化率不斷提高，帶動了光伏系統成本的下降（圖1），光伏裝機容量達到世界第一（圖2）。

圖1 光伏累計裝機增長帶動成本下降

圖2 各國新增光伏需求變化（2013—2020年）

在全球現有能源結構中，城市住宅能源需求占比 67%以上，產生的CO2排放量超出全球排放量70%[3]。我國2020年發布的《綠色建筑創建行動方案》（建標〔2020〕65 號）中，提出要加強裝配式住宅設計要求，規范構件選型，提高裝配式建筑構配件標準化水平[4]。推進光伏一體化等新型儲能手段在住宅建設領域的應用，是解決建筑行業能耗問題的有效措施之一，響應了國家改善生態環境質量、提高能源利用效率，推進供給側結構性改革的號召，具有較高的實際應用價值。

近年來，國內一些學者針對裝配式住宅太陽能一體化設計展開了研究。張先勇等[5]將PVsyst 光伏系統設計軟件和eQUEST 能耗計算軟件與BIM 技術結合，確定光伏組件及逆變器的選型及安裝等關鍵參數，模擬光伏發電量，并通過建立住宅的信息模型進行建筑能耗分析，給出能耗優化建議；郭娟利等[6]提出裝配式建筑太陽能“族”庫建立的原則與方法，并基于 BIM 平臺，對建筑立面太陽能組件安裝方式、太陽能組件安裝傾角進行對比分析；董玉寬等[7]通過“配套零件-光伏組件-構造系統”模式，建立CIGS 光伏建筑構件族庫，并在實際項目中驗證該設計方法的可行性。這些研究對光伏系統與建筑設計的結合多從普適性理論角度入手，而沒有將定量分析和BIM 技術與光伏一體化設計方案結合，缺乏光伏模塊庫建立的標準與經驗。本文通過構建光伏組件與建筑構件相結合的光伏BIM 族庫，將光伏一體化技術融入裝配式住宅前期設計和模擬分析過程中，實現節能與美觀的雙目標，并結合實際案例，驗證這一設計方法的可行性。

1 BIM 與裝配式住宅光伏一體化

光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV) 是指將光伏構件集成到建筑上，使其成為建筑整體的有機組成部分，通過光伏發電降低建筑能耗，達到節能目的的技術[5]。BIPV 技術的關鍵是集成化設計，因此BIPV 項目需要建筑設計者與光伏發電等部門深入配合，不僅要保證光伏發電（PV）的效率，還要保持建筑的美觀性。但目前裝配式住宅設計與光伏系統設計過程往往相互割裂[8]，建筑師難以理解光伏系統的形態與構成，工程師則需要根據建筑設計在PVsyst、TRNSYS、Design Builder 和IDA-ICE 等軟件中重新建模，用來評估太陽輻射并優化BIPV系統。這種重復建模過程會導致大量信息丟失，并消耗大量時間和人力成本。Shahryar Habibi[9]的研究表明，建筑設計和能源模擬工具之間仍存在一定的限制，多數建筑設計工具更注重整體美觀性而不是整個系統組成的性能。

建筑信息模型（BIM）技術是由20世紀末的美國科學家提出的一種基于計算機的建筑模擬系統[10]。BIM 技術的核心價值在于以三維信息模型作為集成平臺，實現各專業的協同工作[11]。將BIM 技術引入建筑設計前期，使光伏系統介入建筑正向設計，具有以下5 個方面優勢：①BIM信息模型可包含光伏系統組件所有的數據信息，包括太陽能組件的性能指標、尺寸信息、廠家、型號、成本等，數據完備性高；②BIM 平臺可以實現項目在多個專業間的資源整合和信息共享，提高工作效率，提高裝配式住宅施工準確性；③建筑信息模型可視化可以在設計過程中進行組件變化和即時表達，反復調整優化設計方案，達到美觀性與功能性的雙目標；④利用科學可靠的建筑信息模型獲取準確的工程數據與信息，將工程模型數據細分至構件、材料，進行結構管線計算及光伏系統造價估算，提高建筑施工圖設計階段和預制構件深化設計階段的準確性和質量[12]；⑤實現與建筑產品信息庫對接，將光伏系統部件作為標準化產品生產，提高施工裝配效率，促進光伏一體化的產業化進程。

影響裝配式住宅光伏發電效率的因素除了光伏板參數，還有光伏模塊安裝位置、安裝傾角、系統產熱量、管線設計等。在住宅方案設計階段，通過在Revit 軟件中建立基礎模型，可準確描述項目中的光伏族圖元組功能和屬性集，對不同方案進行量化分析。光伏建筑構件族庫可根據不同設計階段建立不同精度等級的族文件，以滿足每個設計階段對模型的精度要求，適應光伏一體化項目 BIM 模型全過程設計；其通過接口接入性能分析軟件中，可以實現對太陽輻射分布、光伏發電量的分析，同時保證構件管線的合理排布。在BIM 軟件中，可對光伏組件的安裝位置、安裝傾角、安裝面積等參數進行實時修改，快速對接PVsyst、Design Builder 等量化分析軟件，實現可視化的建筑技術集成方案設計。

2 裝配式住宅光伏族庫的創建

裝配式住宅采用工業化生產方式，由預制部品部件在工地裝配式集成建造而成[13]。這與 BIM 建筑信息模型不同構件“族”具有很高的契合度，大量“族”構件的真實屬性可以反映出裝配式建筑部件的材料屬性與構造方式，提高建筑信息的集成度與可視化。

在 Revit 軟件中，基于建筑構造技術和光伏系統尺寸及構成特點，將光伏面板與建筑屋頂、墻體、陽臺及一些立面遮陽功能構件相結合，構建、完善包含光伏發電系統“族”的建筑構造單元“族”，上傳到云協作平臺上進行存儲。光伏建筑構件族庫可以根據建筑設計不同階段的需要，導出不同精度的模型文件供不同模擬分析軟件使用。通過軟件分析，可以合理安排光電板的布設位置和數量，確定光伏設備的最佳傾角，估算光伏系統的年發電量。構建完備的光伏族庫可以作為一個完整的構造單元在建筑設計前期被調用，并根據實際項目情況靈活調整各項參數。

2.1 屋頂光伏模塊

光伏構件與屋頂結合是最常見的結合方式，有利于光伏構件的安裝和圍護，減少能源回收時間；但由于城鎮住宅屋頂面積有限，難以滿足中高層住宅的需求，常與立面太陽能模塊結合使用。在屋頂布設光伏組件時，需要預留應急疏散場地，以滿足消防疏散要求。

住宅屋面形式主要分為平屋面和坡屋面。由于平屋面需要額外安裝具有一定坡度的光伏支架以保證太陽能的利用效率，因此光伏系統與坡屋面結合一體化程度更高。光伏系統與住宅屋頂的結合形式主要有附件式和整合式。其中，附件式的光伏組件相對獨立，在平屋面可以通過支架布置為傾角陣列（圖3），在坡屋面可以結合屋面坡度布置（圖4），但都要避免光伏組件之間的自遮擋[14]；整合式的光伏組件是將光伏系統與屋面組成一個有機整體，如：以光伏瓦組件替代傳統屋面瓦等（圖5）。

圖3 平屋面光伏模塊

圖4 坡屋面光伏模塊

圖5 光伏瓦模塊

2.2 墻體光伏模塊

光伏系統與屋面結合雖在朝向選擇、結合方式、技術成熟度等方面有一定優勢，但我國城市住宅類型大多為多層或高層，屋頂面積占比有限，因此，增加立面太陽能模塊更有利于提高中高層住宅的太陽能利用效率，并且可以減少能源輸送距離，降低成本。光伏組件與住宅墻體的結合通常也有兩種方式：一種是通過螺栓或框架梁安裝在住宅外墻表面的組合式光伏墻面（圖6）；另一種是采用以光伏幕墻取代外圍護結構的取代式（圖7）。光伏系統與墻體一體化設計時，光伏板的材料顏色、肌理、形狀都會對建筑立面效果產生影響，更需要考慮整體的協調性、美觀性。

圖6 組合式光伏墻面模塊

圖7 光伏幕墻模塊

2.3 陽臺光伏模塊

陽臺作為住宅立面不可或缺的組成部分，具有一定獨立性和模塊性，與光伏組件進行一體化設計的程度較高。①光伏組件可與開敞式陽臺頂部結合，實現光伏發電和陽臺遮陽的目的（圖8）；②光伏組件可與陽臺圍護構件結合，在通過傾斜實現更大的發電效率的同時，也可以給住宅立面增加多樣性與美觀性（圖9）；③光伏組件可與陽臺欄桿構件進行一體化設計，通過具有可透光性的薄膜電池組件營造輕盈感（圖10）。

圖8 封閉式光伏陽臺模塊

圖9 開放式光伏陽臺模塊

圖10 光伏欄桿模塊

2.4 遮陽光伏模塊

將光伏組件與具有遮陽功能的建筑立面構件相結合，主要是與窗口遮陽板、窗口遮陽百葉和遮陽雨篷等遮陽構件進行一體化處理[15]，可以在利用太陽能的同時起到調節室內光環境的效果。窗口遮陽光伏板和遮陽光伏雨篷中的光伏組件可以附加在遮陽構件上（圖11），也可以直接將光伏板作為遮陽構件（圖12）；窗口遮陽光伏百葉可以根據使用者在不同時段的需求，通過手動或自動追蹤的方式對百葉角度進行靈活調整，控制進入室內的光線量（圖13）。

圖11 光伏雨篷模塊

圖12 光伏窗戶遮陽板模塊

圖13 光伏百葉模塊

3 案例分析

3.1 案例概況

某裝配式高層公寓樓項目基地位于山東省濟南市（圖14），屬于寒冷地區，氣候特征為冬季寒冷干燥，夏季較長且炎熱濕潤。根據我國太陽能資源分布情況，該地區的年均太陽輻射總量約在1 450～1 660 kWh/ m2，屬于較為適合太陽能建筑一體化利用的二類地區。項目總用地面積為46 617.0 m2，總建筑面積為74 881.6 m2，建筑高度為87.5 m，建筑面積為37 440.8 m2，規劃戶數為867 戶。

圖14 項目設計方案效果圖

3.2 基于BIM 的光伏一體化設計

3.2.1 Ecotect 輔助下的太陽輻射分析

對于光伏系統來說，安裝在建筑屋頂及立面上會受到不同程度的陰影遮擋，導致其實際輸出功率低于預期值。在該項目設計方案中，首先在Ecotect 軟件中建立公寓樓單體及周圍建筑的分析模型，導入項目所在城市（濟南市）的氣象數據；然后對公寓樓屋頂及各個立面根據參數化細粒度劃分成若干小塊，對每個小塊的全年太陽輻射強度進行模擬分析并得出強弱分布（圖15），得到適合設置光伏發電設備的部分作為基礎進行下一步設計，可在最大程度上減少輸出能量損耗，降低陰影遮擋概率。

圖15 建筑立面太陽輻射分析

由表1圍護結構太陽輻射分析結果可知：建筑屋頂的太陽輻射量最大，適于完整布設光伏發電裝置；建筑南側墻面的下部因受到部分遮擋，不適于布設光伏設備，應將光伏板布設于南側墻面上部及東西角部；建筑西立面和東立面由于受到遮擋影響，太陽輻射量較小，布設光伏板的經濟效益較低；而建筑東側山墻面的太陽輻射峰值量雖然較高，但由于建筑遮擋作用，只有上部少數部分可以有光伏利用潛力；建筑北側雖遮擋較少，但受到的太陽輻射峰值僅為243.8 kWh/m2，光伏利用價值也較低。

表1 圍護結構太陽輻射分析結果

3.2.2 光伏系統配置

本方案出于對建筑形體及光伏發電量的考慮，綜合考慮光電轉換效率、使用壽命、經濟性、透光性、供應鏈等因素，選擇轉換效率最高、制造技術最成熟、特性較穩定、使用時間長的成型單晶硅電池板產品作為光伏建筑族庫的電池組件（表2）。電池組件與建筑部品相結合，可組合為光伏屋頂矩陣、光伏陽臺族庫構件。項目采用分布式發電系統，總光伏裝機容量為419.9 kWp。

表2 光伏電池特性比較

根據Ecotect 對屋頂及各立面太陽輻射量的模擬分析結果，在公寓樓屋頂布設559 個平屋面支架式光伏模塊（圖16），并在其南立面設置186個封閉式光伏陽臺模塊（圖17），具體光伏系統布設參數見表3。

表3 光伏系統主要參數

圖16 屋頂光伏模塊布置圖

圖17 南立面光伏模塊布置圖

3.2.3 PVsyst 輔助下BIPV 系統設計

PVsyst 光伏設計軟件可根據輸入的氣象文件、光伏陣列面積、容量等進行計算，為電氣設計提供建議。軟件數據庫包括美國NASA 等300 多個氣象網站的數據、上千種光伏組件和逆變器信息，能滿足用戶自定義的要求。本文利用其輔助設計功能對光伏組件的朝向、間距進行優化，并模擬BIPV 發電系統的發電量。光伏組件的朝向與項目所在地理位置有關。由于該樓坐北朝南，其屋面與陽臺雨篷的光伏組件均朝正南安裝 (即方位角為 0°)，以便接收到最理想的太陽輻射。

對屋面族庫構件進行設計時，使用PVsyst 中的MeteoNorm7.2 插件，將濟南市的氣象數據導入工程文件，設置為固定角安裝（Single Fixed Plane）。PVsyst 顯示組件中，當傾角為32°時，斜面輻射與水平輻射的比值為最高值，相對于最優化的損失比為0，此時接收到的太陽輻射量為1 488 kWh/m2，即為傾角最優值。因此，將屋頂光伏板設置為南向墻角32°時，可以最大程度地接收太陽輻射。在設置立面光伏構件時，傾角過大會影響到構件美觀性，綜合考慮功能和發電效率后，將陽臺光伏族庫構件中的光伏板的傾斜角度設置為45°。此時的斜面輻射與水平輻射比值為1.09，接收到的太陽輻射量為1 456 kWh/m2，相對于最優化的太陽輻射損失比為2.2%，損失值較小。將立面墻體光伏構件的傾斜角度設置為90°，與外墻板平齊。此時斜面輻射與水平輻射比值為0.73，接收到的太陽輻射量為973 kWh/m2，相對最優化的太陽輻射損失比為34.6%（圖18）。

圖18 不同傾斜角度輻射量對比圖

將光伏組件及其他光伏系統構件的參數輸入PVsyst 后，得到發電量仿真結果。公寓樓屋面光伏組件年發電量為139 956 kWh、陽臺光伏構件年發電量為48 550 kWh，光伏系統全年總發電量約為188 506 kWh（表4）。

表4 光伏構件年發電量統計表 單位：kWh

3.2.4 基于Design Builder 的建筑能耗分析

Design Builder 是由英國公司基于建筑能耗動態模擬程序EnergyPlus開發的一款綜合用戶圖形界面模擬軟件，在建筑采暖制冷、通風、采光等方面的能耗模擬分析和經濟分析的可信度較高。為計算光伏系統對本方案的節能貢獻，在Design Builder 中建立公寓樓的簡化模型，在不考慮光伏系統存在的條件下進行模擬。將濟南市的氣象數據文件導入模型，并參考相關規范要求設置模型的人員活動性、圍護結構、照明控制和暖通空調等參數（表5、6），得到該建筑的全年能耗逐日模擬結果（圖19）。

圖19 公寓樓全年溫度、得熱量及能耗逐日模擬結果

表5 圍護結構參數設置

通過模擬，可測算出該公寓樓的全年能耗為1 765 053.82 kWh，由此可計算出 BIPV 技術對本方案的節能率。其計算公式為：

式中，ηco為節能率；Eph為光伏系統發電量；Ebu為建筑原能耗（188 506 kWh）。

相比非光伏一體化設計方案，本項目的BIPV 設計方案可節能10.68%。按照濟南市居民用電平均電價0.547 元/kWh 計，相當于每年約節省電費103 075 元、節省76 156.1 kg 標準煤，同時減少排放污染性碳灰塵51 273.5 kg、減少碳排放187 940.24 kg。由此可見，基于BIM 族庫的光伏一體化設計對項目的節能減排具有積極有效的作用。

表6 人員活動及系統運行時間表

4 結語

據有關部門統計，截止到2020年，我國城鎮居住建筑運行階段能耗占全社會能源消耗總量的38%[16]；而目前我國大部分住宅都是高能耗建筑，城鎮居住建筑的節能減排對實現我國“3060”雙碳戰略目標至關重要。隨著光伏系統裝機成本的下降、轉換效率的提高和生產施工技術的不斷進步，光伏一體化已具備在我國大部分建筑中推廣的使用價值。本文采用基于BIM 技術的設計與分析方法，對住宅建筑方案前期進行光伏一體化設計。運用Revit 軟件，創建適用于住宅建筑的光伏建筑族庫；在建筑屋頂和立面設計的過程中，結合Ecotect 軟件、PVsyst 軟件，在綜合考慮建筑美觀和能耗影響各項因素的基礎上，優選光伏板布設位置，并對光伏板傾角進行優化。經驗證，該設計方法可以有效節省建筑能耗，簡化設計和施工流程，充分發揮出裝配式建筑的優勢和BIM 技術高度集成的特點，在裝配式住宅和光伏一體化設計方面具有廣闊的應用前景。