光伏幕墻在建筑工程中的運(yùn)用探析

羅霄鵬

(廈門夏銳裝飾設(shè)計(jì)工程有限公司)

在傳統(tǒng)能源逐漸枯竭之后，世界繼續(xù)開發(fā)新能源來替代傳統(tǒng)化石能源。光伏是一種將太陽能轉(zhuǎn)化為直接使用的技術(shù)。作為環(huán)保節(jié)能建筑規(guī)劃的重要措施之一，合理的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。隨著光伏技術(shù)的日益廣泛應(yīng)用，光伏建筑集成技術(shù)（BIPV）應(yīng)運(yùn)而生。BIPV 全稱是Building Integrated Photovoltaic，是在建筑物圍欄的表面上安裝光電元件，以作為建筑物的功能部分提供電力，取代屋頂、立面、遮陽篷等傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)。作為光伏建筑一體化的重要形式，有必要對(duì)其展開詳細(xì)的分析，深入研究其在建筑光伏一體化中的應(yīng)用。

1 光伏幕墻的內(nèi)涵及特點(diǎn)

1.1 光伏幕墻的內(nèi)涵及分類

光伏幕墻，是將用于光伏發(fā)電晶體硅材料，與幕墻向結(jié)合的一種新型幕墻形式。其中光伏發(fā)電元件放置在兩層玻璃之間，正負(fù)極從玻璃板塊上端接入，下端接出，直流電通過預(yù)埋在幕墻骨架腔體內(nèi)的導(dǎo)線，匯聚至逆變器，經(jīng)過逆變器作用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，后存儲(chǔ)至蓄電池中，也可連接建筑物用電網(wǎng)絡(luò)，自用或外接國(guó)家電網(wǎng)享受并網(wǎng)發(fā)電收益。目前，光伏外墻有2 種主要的技術(shù)模型，即晶硅幕墻、非晶硅幕墻。晶硅幕墻光伏組件由多晶硅或單晶硅制成，具有光伏轉(zhuǎn)換效率高、安裝尺寸小、生產(chǎn)材料成熟、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是立面的透光性差，在高溫和低光條件下工作不佳。光伏幕墻早期發(fā)展是幕墻立面屋頂?shù)难由欤⒚娴恼彰鞫群兔缹W(xué)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于普通幕墻，因此原始的晶體硅材料需要更高的透光率。盡管非晶硅光伏幕墻的發(fā)展相對(duì)較晚且光電轉(zhuǎn)換效率低于晶硅光伏幕墻、但是其擁有良好的透光性，可在高溫和低光條件下工作[1]。

1.2 光伏幕墻的特點(diǎn)

1.2.1節(jié)能

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用光伏幕墻，可直接吸收太陽能，避免墻體和屋頂溫度過高，可有效降低墻體和屋頂?shù)臏囟龋档涂照{(diào)的空氣負(fù)荷，降低空調(diào)能耗。

1.2.2環(huán)保

光伏立面使用太陽能發(fā)電，不需要燃料，也不會(huì)產(chǎn)生廢熱、廢氣和噪音。

1.2.3實(shí)用

減少高峰時(shí)期的電力需求，解決電力短缺地區(qū)的電力供應(yīng)問題。可以在當(dāng)?shù)厥褂茫越档瓦\(yùn)輸過程的成本和能耗；同時(shí)，光伏陣列的放置將建筑結(jié)構(gòu)整合為一個(gè)整體，以避免額外占用寶貴的建筑面積，從而使光伏系統(tǒng)不必使用單獨(dú)的支撐結(jié)構(gòu)。

1.2.4效果

光伏立面本身具有很強(qiáng)的裝飾效果。中空玻璃夾層光伏板塊可采用不同顏色的光電模塊，使建筑充滿藝術(shù)表現(xiàn)力。同時(shí)，光伏幕墻板塊背面可以涂上不同的顏色，以適應(yīng)不同的建筑風(fēng)格。

2 光伏幕墻在建筑工程中的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 前期準(zhǔn)備工作

⑴在決定采用光伏幕墻前，應(yīng)做好前期項(xiàng)目規(guī)劃，做到與主體設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，根據(jù)建筑外觀及節(jié)能要求，可在采光要求較高部位設(shè)置薄膜光伏幕墻，在結(jié)構(gòu)墻體（層間梁板、構(gòu)造柱、砌體等）設(shè)置晶硅體光伏幕墻。

⑵必須嚴(yán)格審定施工方案，提高設(shè)計(jì)和施工可行性，保證施工技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用。例如：應(yīng)考慮采用單元板塊裝配式幕墻，作為光伏幕墻主體架構(gòu)，一是便于維護(hù)更換，二是提高光伏幕墻整體質(zhì)感，減少安裝光伏組件造成滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

⑶充分考慮經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)根據(jù)建筑物特性，采取局部或者整體加裝光伏幕墻；或者采用局部光伏幕墻和分布式光伏發(fā)電站相結(jié)合的方式，做到利益最大化。

⑷與開發(fā)單位充分溝通，了解對(duì)方心理預(yù)期（資金投入、發(fā)電用途、回報(bào)周期等），匹配相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

2.2 制定實(shí)施細(xì)則

⑴充分了解當(dāng)?shù)鼐G色建筑相關(guān)政策，做到施工提前申報(bào)。

⑵做好幕墻與光伏同步設(shè)計(jì)，同步施工，減少交叉作業(yè)。

2.3 培訓(xùn)施工團(tuán)隊(duì)

在明確設(shè)計(jì)方案后，應(yīng)第一時(shí)間組織設(shè)計(jì)交底，將光伏幕墻所涉及專業(yè)知識(shí)向管理人員和施工人員詳實(shí)交底，包括施工中的重難點(diǎn)分析及解決方案、質(zhì)量保證措施、安全保證措施等，使其掌握相應(yīng)施工方案，心中有數(shù)。在實(shí)際工作中執(zhí)行落實(shí)，動(dòng)態(tài)化常態(tài)化監(jiān)管。并積極組織培訓(xùn)和其他活動(dòng)，以促進(jìn)員工的全面發(fā)展。

因光伏幕墻的特殊性，其與常規(guī)幕墻設(shè)計(jì)施工團(tuán)隊(duì)有較大區(qū)別。這邊大致將團(tuán)隊(duì)劃分為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（幕墻設(shè)計(jì)、光伏設(shè)計(jì)）、施工團(tuán)隊(duì)（幕墻施工、光伏施工）。光伏設(shè)計(jì)除需要掌握常規(guī)幕墻設(shè)計(jì)知識(shí)外，還需要了解不同光伏板塊發(fā)電效率和散熱需求，需掌握一定的強(qiáng)弱電知識(shí)；光伏施工團(tuán)隊(duì)除需要掌握必要的幕墻施工規(guī)范外，還需要掌握強(qiáng)弱電施工要求，了解設(shè)備基本維護(hù)和安裝等專業(yè)知識(shí)。

2.4 提高過程把控

⑴對(duì)于施工誤差和質(zhì)量要求，必須嚴(yán)格控制。

因光伏發(fā)電板塊正負(fù)極接電口需嚴(yán)絲合縫，因此對(duì)于施工誤差要求較嚴(yán)格，常規(guī)幕墻誤差在±10mm 以內(nèi)，光伏幕墻則要求在5mm以內(nèi)。

⑵光伏板塊玻璃一般采用超透亮鋼化玻璃，因此對(duì)于施工環(huán)境要求較為嚴(yán)苛，傳統(tǒng)的交流弧焊容易探傷玻璃，如需焊接，建議采用氬弧焊接。

⑶對(duì)于建筑材料，必須嚴(yán)控采購(gòu)質(zhì)量，減少因殘次品導(dǎo)致的后期維修更換。對(duì)建筑材料進(jìn)行分類、清點(diǎn)、計(jì)數(shù)。采購(gòu)人員應(yīng)對(duì)清單所列物資有全面了解，明確材料性能和進(jìn)場(chǎng)所需品控資料，做好現(xiàn)場(chǎng)材料檢查，對(duì)于主要材料構(gòu)件，應(yīng)及時(shí)抽樣送檢，確保其符合要求，然后才能用于項(xiàng)目建設(shè)[3]。

2.5 制訂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案

當(dāng)發(fā)生不同安全等級(jí)的事故時(shí)，施工單位應(yīng)制訂相應(yīng)的預(yù)防方案。

⑴根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工過程中發(fā)現(xiàn)的安全隱患，采取相應(yīng)預(yù)案，消除安全事故隱患。例如，在幕墻玻璃面板和窗扇的施工階段，可拆卸幕墻在大多數(shù)情況下是可插拔、緊湊和模塊化的。然而，由于板塊較重，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員較多。為防止升降玻璃單板脫落和注膠危及建筑周圍施工人員的安全，施工人員必須將插入的拖車插入槽中，并用膠帶將連接處粘牢，以牢固地定位玻璃面板。

⑵在規(guī)劃安全方案時(shí)，必須根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況制訂適當(dāng)?shù)陌踩胧Ｊ褂秒妱?dòng)吊籃時(shí)，必須單獨(dú)編制操作手冊(cè)和“吊籃安全”設(shè)計(jì)方案，并由專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理，確保施工安全有序。

⑶管理和施工人員應(yīng)了解事故造成的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)或安全風(fēng)險(xiǎn)，包括召開會(huì)議、發(fā)出通知、查明安全事故的原因和預(yù)防措施，提高幕墻團(tuán)隊(duì)的安全意識(shí)，以避免重復(fù)類似的安全問題。

3 光伏幕墻在建筑工程中的案例分析

3.1 光伏幕墻施工案例

泉州XX 國(guó)際中心幕墻及BIPV 工程解析：本工程位于泉州市豐澤區(qū)東海大道，屬于東海新城CBD 總部大樓配套設(shè)施。建筑物高147.5 米，共計(jì)35 層，分為塔樓及裙樓兩部分。核心筒位置使用型鋼混凝土，主體結(jié)構(gòu)采用框架混凝土，幕墻采用框架式玻璃幕墻與層間金屬幕墻相結(jié)合方式。

3.2 設(shè)計(jì)規(guī)劃

建筑物原設(shè)計(jì)未考慮采用BIPV，后經(jīng)專業(yè)公司推薦，業(yè)主采納后進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)及幕墻自重、風(fēng)壓和荷載進(jìn)行計(jì)算，在原幕墻設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，考慮采用更換光伏面板及加裝光伏發(fā)電組件進(jìn)行安裝。考慮通風(fēng)散熱和采光要求，考慮光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益最大化，經(jīng)過溝通，最終擬定在建筑物的11層、24層、屋面層三個(gè)位置的玻璃幕墻改造成BIPV，根據(jù)業(yè)主意見采取自儲(chǔ)自用形式進(jìn)行適當(dāng)配置。通過分析建筑特征、生態(tài)條件、氣候條件、安裝條件、太陽能光源、防水性能等方面的研究，確定該建筑完全滿足BIPV的建設(shè)條件[4]。

詳細(xì)部位如圖1、圖2：

圖1

圖2

圖中云線為擬建BIPV部位，11層、24層原設(shè)計(jì)為設(shè)備層及物業(yè)用房，對(duì)采光和通風(fēng)要求較低，具備改造條件；屋面層為挑高6 米鋼結(jié)構(gòu)，無使用要求，也具備安裝條件。工程量如表1所示：

表1 BIPV光伏幕墻工程量清單

3.3 技術(shù)方案與設(shè)備選型

3.3.1光伏組件的選擇

該項(xiàng)目擬采用打孔式多晶硅光伏玻璃板塊，透光率達(dá)到45%，整體發(fā)電效率達(dá)到79%，材料滿足規(guī)范的要求。發(fā)電衰減率為10年發(fā)電量減少10%，20年內(nèi)將產(chǎn)量減少20%。

3.3.2經(jīng)濟(jì)適用性研究從表2 所知，原玻璃幕墻造價(jià)約為72 萬，BIPV 改造費(fèi)約為210萬，實(shí)際增加成本138萬。

表2 光伏幕墻（設(shè)計(jì)、施工）報(bào)價(jià)匯總

表3 投資收益分析

3.3.3模塊化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的光伏系統(tǒng)采用模塊化安裝，既節(jié)約施工成本，提升效率；又減少?gòu)墓夥K到逆變器的直流電纜消耗，減少系統(tǒng)線路損耗，提高整體系統(tǒng)效率[6]。

3.4 應(yīng)用效益分析

3.4.1經(jīng)濟(jì)效益分析

在不可再生能源日益緊缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，世界各地都在倡導(dǎo)發(fā)展使用綠色能源。光伏幕墻的最大優(yōu)勢(shì)是將建筑圍欄設(shè)計(jì)、節(jié)能要求與太陽能利用完美結(jié)合，使建筑本身可以利用太陽能資源發(fā)電，產(chǎn)生的電力可用于建筑物，降低建筑物的能源成本。同時(shí)，可以在一天中的高峰時(shí)段供電，以緩解用電高峰；也可將多余的電力賣給國(guó)家電網(wǎng)。隨著可再生能源利用科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，BIPV 等光伏技術(shù)將不斷推陳出新，目前BIPV 技術(shù)不僅可以使用在玻璃上，還可做成仿石、仿金屬等各種外立面材質(zhì)效果，代替原有材料，達(dá)到節(jié)能減排綠色環(huán)保的效果。

我們相信，隨著全球能源短缺和原油價(jià)格飆升，傳統(tǒng)化石能源發(fā)電成本將會(huì)不斷上升。因此，雖然目前光伏幕墻的成本較高，從成本效益分析的角度來看，不可能大范圍采用。但考慮到光伏發(fā)電成本會(huì)隨著技術(shù)發(fā)展和消費(fèi)增長(zhǎng)而下降，屆時(shí)，光伏幕墻的經(jīng)濟(jì)效益將顯而易見。

3.4.2社會(huì)效益分析

氣候變暖增加全球性自然災(zāi)害的發(fā)生頻率和強(qiáng)度，與碳排放密切相關(guān)。我國(guó)最新環(huán)保政策簡(jiǎn)稱“雙碳”，即“碳達(dá)峰”和“碳中和”，就是國(guó)家承諾在2030 年前，二氧化碳的排放不再增長(zhǎng)，達(dá)到峰值之后再慢慢減下去；到2060 年，針對(duì)排放的二氧化碳，要采取植樹、節(jié)能減排等各種方式全部抵消掉，這就是“碳中和”。

使用太陽能光伏發(fā)電替代部分傳統(tǒng)化石燃料能源，可節(jié)油或節(jié)煤，減少二氧化碳排放量，這間接產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，其社會(huì)效益更是顯而易見，并得到全社會(huì)的認(rèn)可。

4 結(jié)束語

光伏幕墻技術(shù)是一項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)，需要在綜合考慮建筑環(huán)境、建筑美學(xué)、整體效果、投資規(guī)模和其他因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行仔細(xì)的規(guī)劃。它還需要建筑、電力和其他學(xué)科的共同努力和協(xié)作。如今，光伏幕墻技術(shù)以其優(yōu)越的性能，正在引領(lǐng)從能源密集型建筑到生產(chǎn)性建筑的時(shí)代潮流，真正讓建筑做到“自呼吸、自節(jié)能、自環(huán)保”，必然將在不久的未來得到廣泛的推廣和應(yīng)用。