高層辦公建筑的BIPV改造設(shè)計(jì)研究

中圖分類號：TM615/TU972+.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著碳中和目標(biāo)逐漸成為人類命運(yùn)共同體的發(fā)展共識，千行百業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)已提上日程，光伏發(fā)電作為1種綠色無污染的可再生能源利用方式，將在推動(dòng)碳中和這一重要目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中扮演主力軍的角色，而光伏建筑一體化（BIPV）技術(shù)，已成為分布式光伏發(fā)電的重要發(fā)展趨勢之一。

本文以成都市華西證券辦公樓的BIPV改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，對此類高層辦公建筑BIPV改造時(shí)的設(shè)計(jì)方法和施工工藝進(jìn)行研究，并對作為應(yīng)急供電系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行闡述，以期研究結(jié)果可對成都地區(qū)既有高層辦公建筑的BIPV改造提供設(shè)計(jì)思路和參考。

1項(xiàng)目分析

1.1項(xiàng)目基本概況

成都市地處中國西南地區(qū)、四川盆地西部，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，根據(jù)GlobalSolarAtlas網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)，該市的年平均水平面總輻射量為

華西證券辦公樓位于成都市高新區(qū)吉慶三路以東，天府二街以北，建筑呈南北朝向，由1棟5層的裙樓和1棟18層的塔樓組成，總占地面積為 ，其鳥瞰圖如圖1所示。

華西證券辦公樓改造前的外立面材料主要由外掛花崗巖、鋁板和中空玻璃幕墻構(gòu)成，立面設(shè)計(jì)屬于典型的藝術(shù)裝飾風(fēng)格（ArtDeco），該建筑改造前的立面圖如圖2所示。

1.2項(xiàng)目日照時(shí)長分析

通過SunflowerforRhino軟件對華西證券辦公樓的日照時(shí)長進(jìn)行模擬分析，以確定改造時(shí)安裝光伏組件的區(qū)域，日照時(shí)長分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：該建筑的南側(cè)立面的最大日照時(shí)長可達(dá) 8h ；東側(cè)與西側(cè)立面的最大日照時(shí)長均可以達(dá)到 6h ；而北側(cè)裙樓屋頂受建筑塔樓自身的陰影遮擋影響，日照時(shí)長較短，不宜進(jìn)行光伏組件的鋪設(shè)。因此，該建筑的光伏組件安裝區(qū)域選定為除所有裙樓的1層及北側(cè)裙樓屋頂之外的其他所有區(qū)域。

1.3項(xiàng)目用電需求分析

該建筑內(nèi)不僅日常辦公區(qū)域具備不同的用電需求，還單獨(dú)設(shè)有需 24h 不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)的信息機(jī)房，因此，應(yīng)急情況下的供電保障措施是建筑BIPV改造過程中需要重點(diǎn)考慮的問題。

1.4項(xiàng)目改造空間分析

與低層和中層建筑不同，高層建筑在縱向尺度空間上擁有更大的優(yōu)勢，這使其擁有更大的立面空間，其立面面積總和遠(yuǎn)大于屋頂面積。當(dāng)水平面空間的光伏組件安裝區(qū)域相對有限時(shí)，高層建筑向上延伸的立面空間便為光伏組件安裝提供了足夠的場地。

此外，由于立面空間接收到的太陽直射角度往往不低于 ，因此，弱光性能好的光伏組件才能克服這種限制，使建筑立面光伏組件的發(fā)電效率最大化。

隨著建筑高度的增加，風(fēng)力對光伏組件穩(wěn)定性的影響也會(huì)隨之增大，光伏組件安裝的牢固性也需要得到達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.5項(xiàng)目采光需求分析

采光作為辦公建筑需重點(diǎn)考慮的功能之一，國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范均對其提出了相應(yīng)要求。根據(jù)JGJ/T67—2019《辦公建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》1的要求，辦公室、會(huì)議室的采光等級為II級，其辦公室的側(cè)面采光的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為 3.0% ，室內(nèi)天然光照度的標(biāo)準(zhǔn)值為 450lx ；頂部采光的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為 2.0% ，室內(nèi)天然光照度的標(biāo)準(zhǔn)值為300lx ，具體如表1所示。

根據(jù)JGJ/T67—2019[1]的要求，辦公室、會(huì)議室的采光等級為III級，對于側(cè)面采光的辦公室，其窗地面積比需達(dá)到 1/5 ，具體如表2所示。

根據(jù)JGJ/T67—2019[1]，辦公建筑辦公室的采光口離地面高度在 0.75m 以下的部分不計(jì)入有效采光面積。結(jié)合表1及表2的要求，本建筑的外立面采光部分對應(yīng)的光伏組件透光度及光伏組件安裝位置的選擇是本次改造方案中需著重考慮的內(nèi)容。

2建筑的BIPV設(shè)計(jì)

2.1光伏組件選型

目前，應(yīng)用于民用領(lǐng)域的光伏組件主要為晶體硅光伏組件、碲化鎘（CdTe）薄膜光伏組件及銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏組件3類，下文分別對這3類光伏組件進(jìn)行分析。

2.1.1晶體硅光伏組件

1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出世界上第1塊晶體硅太陽電池，由此拉開了此類太陽電池的發(fā)展序幕。作為迄今為止發(fā)展時(shí)間最長、技術(shù)最為成熟的太陽電池類型，晶體硅太陽電池較好的光電轉(zhuǎn)換效率與較低的成本價(jià)格使其市場份額占比較大[2]。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)（CPIA）發(fā)布的《2023—2024年中國光伏產(chǎn)業(yè)年度報(bào)告》，截至2023年年底，全球光伏組件產(chǎn)能和產(chǎn)量分別達(dá) 1103GW 和 612.0GW ，同比分別增長61.6% 和 76.2% ，展示出持續(xù)快速增長態(tài)勢。從光伏組件生產(chǎn)類型來看，晶體硅光伏組件依然是市場主流，尤其在在集中式光伏電站場景中，晶體硅光伏組件有著不可撼動(dòng)的地位。在BIPV場景中，當(dāng)晶體硅光伏組件采用水平狀態(tài)鋪設(shè)在屋頂時(shí)，太陽高度角越接近 ，晶體硅光伏組件的發(fā)電效率越高，因此，在本建筑屋頂區(qū)域的光伏組件鋪設(shè)時(shí)，選用晶體硅光伏組件將能最大程度發(fā)揮其發(fā)電效率高的優(yōu)勢。

2.1.2CIGS薄膜光伏組件

CIGS薄膜光伏組件因具有生產(chǎn)成本低、材料用量少、制造工藝相對簡單、高溫性能好、弱光響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[3]，且其可解決光伏組件在建筑立面鋪設(shè)時(shí)日照角度不理想的問題。因此，此類光伏組件在一定程度上成為了BIPV場景下的可選材料之一。雖然CIGS薄膜光伏組件的生產(chǎn)成本低，但由于其材料成本較高，且需要用到銦（In）和鎵（Ga）等稀有金屬，而這些稀有金屬的市場供應(yīng)量相對有限。因此，本建筑不考慮采用CIGS薄膜光伏組件。

2.1.3CdTe光電玻璃

1982年，美國Kodak實(shí)驗(yàn)室用化學(xué)沉積法在p型CdTe結(jié)構(gòu)上制備1層超薄的CdS，成功制備了光電轉(zhuǎn)換效率超過 10% 的異質(zhì)結(jié) p -CdTe/n-CdS薄膜太陽電池，這也是CdTe薄膜太陽電池的原型。

目前，全球范圍內(nèi)具備大規(guī)模量產(chǎn)CdTe薄膜光伏組件的企業(yè)主要有美國的FirstSolar公司，中國的凱盛科技集團(tuán)有限公司、龍焱能源科技（杭州）股份有限公司和中山瑞科新能源有限公司[3。CdTe薄膜光伏組件是自前產(chǎn)業(yè)化最為成功的薄膜光伏組件，具有理論光電轉(zhuǎn)換效率高、弱光性能好、光吸收系數(shù)高、溫度系數(shù)低、重金屬排放量低、外觀可塑性高、透光性更好等優(yōu)點(diǎn)，因此，將CdTe薄膜光伏組件與玻璃進(jìn)行封裝形成的CdTe光電玻璃擁有更好匹配BIPV項(xiàng)目立面美學(xué)要求的特質(zhì)。

成都市的年平均水平面總輻射量相對較低，BIPV建筑所采用的光伏組件需具有較強(qiáng)的弱光性優(yōu)勢，因此，本建筑立面進(jìn)行BIPV改造時(shí)以CdTe光電玻璃作為首選材料。

2.2呼吸式雙層幕墻的設(shè)計(jì)

光伏組件在進(jìn)行光伏發(fā)電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，將其應(yīng)用于建筑幕墻時(shí)需考慮通風(fēng)散熱問題，因此以呼吸式雙層幕墻作為建筑幕墻改造時(shí)的首選方案。通常，呼吸式雙層幕墻主要分為內(nèi)循環(huán)式雙層幕墻和外循環(huán)式雙層幕墻兩種[4]。為了進(jìn)一步降低能耗，減少機(jī)械通風(fēng)設(shè)備的使用，本建筑主要采用以自然通風(fēng)為主的外循環(huán)式雙層幕墻，其剖面圖如圖4所示。

該外循環(huán)式雙層幕墻的內(nèi)層主要以建筑的現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)為主，包含玻璃幕墻區(qū)域、鋁板區(qū)域及外掛花崗巖區(qū)域這3種采用不同材質(zhì)的區(qū)域；外層則計(jì)劃以CdTe光電玻璃為主。該外循環(huán)式雙層幕墻的內(nèi)層分區(qū)圖如圖5所示。其外層與內(nèi)層保持 距離，并在玻璃幕墻區(qū)域、鋁板區(qū)域及外掛花崗巖區(qū)域所對應(yīng)的外層區(qū)域分別選用了不同類型的CdTe光電玻璃，使建筑BIPV改造完成之后的效果能夠最大限度的還原建筑既有的ArtDeco風(fēng)貌。

2.3CdTe光電玻璃的選型與設(shè)計(jì)

為了將具有一定透光率的CdTe光電玻璃（下文簡稱為“透光CdTe光電玻璃”）更加有效地納入采光面積計(jì)算，其鋪設(shè)區(qū)域更多選擇在了采光口離地面高度 0.75m 以上且與現(xiàn)有窗戶可開啟面所對應(yīng)的區(qū)域，以保證內(nèi)層懸窗的正常開啟。

在通過反復(fù)試驗(yàn)與測算之后，為保證辦公建筑側(cè)面采光的辦公室采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值不低于 3% 室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值不低于 450lx ，最終選定了透光率為 50% 、尺寸為 1600mm×1200mm 、額定功率為 130W 的透光CdTe光電玻璃，UL防火等級為Class A。

不同太陽輻照度下透光CdTe光電玻璃的短路電流 開路電壓 V 和輸出功率 P//F 曲線如圖6所示。

由圖6可知：當(dāng)開路電壓一定時(shí)，隨著太陽輻照度的增加，短路電流和輸出功率均呈增長態(tài)勢。但即使是在低太陽輻照度 時(shí)，透光CdTe光電玻璃的最大短路電流和最大輸出功率仍能分別達(dá)到 0.3A 和 20W ，說明其弱光性較好。

不同環(huán)境溫度下透光CdTe光電玻璃的 I-V 曲線如圖7所示。

由圖7可知：開路電壓隨環(huán)境溫度升高而下降，每升溫 ，開路電壓下降 0.25%～0.30% 0

為了更好地提升光伏組件的總發(fā)電量，除上述鋪設(shè)透光CdTe光電玻璃的區(qū)域之外，每個(gè)樓層采光口以上至梁以下的區(qū)域及采光口離地面高度 0.75m 之間的區(qū)域，選用額定功率更高的非透光的標(biāo)準(zhǔn)版CdTe光電玻璃，以此提升立面空間整體的光伏組件鋪設(shè)率。每塊標(biāo)準(zhǔn)版CdTe光電玻璃的尺寸為 1600mm×1200mm 、額定功率為 280W ，UL防火等級為ClassA，外循環(huán)式雙層幕墻的CdTe光電玻璃分布圖如圖8所示。

對于本建筑中原有的外掛花崗巖組成的豎向線條區(qū)域，對花崗巖做了拆卸處理，并保留原有的鋼結(jié)構(gòu)主體構(gòu)架，作為光電玻璃支撐結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)二次利用。為了保持該建筑的原有風(fēng)貌，此區(qū)域的光電玻璃采用仿石材CdTe光電玻璃。根據(jù)仿石材CdTe光電玻璃的具體尺寸，增設(shè)與之匹配的次龍骨后進(jìn)行逐一安裝。每塊仿石材CdTe光電玻璃的尺寸為 1200mm×400mm ，額定功率為 65W ，UL防火等級為ClassA。仿石材CdTe光電玻璃鋪設(shè)后的效果圖如圖9所示。

在建筑樓板位置所對應(yīng)的外循環(huán)式雙層幕墻的外層區(qū)域，還設(shè)有 350mm 高的通風(fēng)百葉，以實(shí)現(xiàn)每層樓幕墻中空區(qū)域的空氣循環(huán)，這也是針對光伏組件日常發(fā)電升溫的主要解決措施。

內(nèi)外層幕墻之間所設(shè)定的 間距，本身就在一定程度上阻隔了光伏組件工作時(shí)所帶來的大量熱量，同時(shí)當(dāng)冷空氣通過樓板處的通風(fēng)百葉進(jìn)入空腔時(shí)，受光伏組件溫度影響會(huì)逐漸升溫，從而上升至上層樓板處的通風(fēng)百葉排出，形成了外循環(huán)式雙層幕墻層間空腔的空氣微循環(huán)體系，并以這種方式將光伏組件所產(chǎn)生的大量熱量排出室外，為人們?nèi)粘＾k公提供更為舒適的工作環(huán)境。外循環(huán)式雙層幕墻中空區(qū)域的空氣循環(huán)原理如圖10所示。

2.4屋頂區(qū)域光伏組件的選型與設(shè)計(jì)

由于建筑裙樓與塔樓的屋頂區(qū)域擁有可以接收太陽輻射的最大角度，且在該區(qū)域安裝光伏組件對建筑立面安裝的光電玻璃的影響也最小，因此該區(qū)域采用發(fā)電效率更高的晶體硅光伏組件進(jìn)行平鋪，作為立面裝機(jī)容量的補(bǔ)充。單塊晶體硅光伏組件的尺寸為 2278mm×1134mm ，額定功率為 580W ，IEC防火等級為ClassC。

塔樓與東側(cè)裙樓屋頂晶體硅光伏組件的鋪設(shè)效果圖如圖11所示。

2.5建筑的光伏發(fā)電總裝機(jī)容量

對本建筑不同區(qū)域的光伏發(fā)電總裝機(jī)容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3可知：塔樓和東側(cè)裙樓屋頂?shù)墓夥l(fā)電總裝機(jī)容量為 465.74kW ，立面的光伏發(fā)電總裝機(jī)容量為 1685.9kW 。由此可知，本建筑采用的光伏組件的總裝機(jī)容量約為 2.15MW 。

2.6光伏組件發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

對本建筑不同區(qū)域的首年光伏發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4可知：塔樓和東側(cè)裙樓屋頂區(qū)域光伏組件首年發(fā)電量為 349119kWh ，立面CdTe光電玻璃的首年發(fā)電量為 703447kWh 。由此可知，本建筑首年的光伏發(fā)電量預(yù)計(jì)達(dá)105.96萬kWh ，光伏組件全生命周期25年的總發(fā)電量預(yù)計(jì)達(dá)2417萬kWh。從已有電費(fèi)清單中獲悉，該建筑1年的用電量約為420.41萬 kWh ，而光伏發(fā)電的首年發(fā)電量約占1年用電量的 25.20% 由此可知，日光伏發(fā)電量暫時(shí)無法完全滿足辦公大樓的用電需求。因此，該建筑的光伏發(fā)電量暫時(shí)考慮全部自發(fā)自用，不做余電上網(wǎng)的考慮。

此外，若碳排放因子按照 進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)該建筑25年的光伏總發(fā)電量為2417萬kWh時(shí)，預(yù)計(jì)將減少 20754.78t 的 排放量，生態(tài)效益顯著。

3儲(chǔ)能系統(tǒng)

本建筑配備了儲(chǔ)能系統(tǒng)，除了可為信息機(jī)房在遇到突發(fā)情況時(shí)提供應(yīng)急電力，對于儲(chǔ)存的盈余光伏電力，還可為建筑日常用電起到調(diào)峰的作用。儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可降低電力運(yùn)行成本，減少用電負(fù)荷損失，還能提高可再生能源利用率[5]。

3.1信息機(jī)房的日常用電分析

通過對位于本建筑地下室的強(qiáng)電機(jī)房與弱電機(jī)房的實(shí)地踏勘得知，證券交易中心的信息機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的總功率為 100kW ，全天 24h 不間斷運(yùn)行情況下的預(yù)計(jì)日用電量為 2400kWh 。

3.2儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量分析

為滿足信息機(jī)房在日常市政供電系統(tǒng)出現(xiàn)意外斷電的情況下仍能連續(xù)正常運(yùn)行至少3天以上，儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳容量最終確定為 7200kWh ，并結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)，完成日常的充放電流程。

3.3應(yīng)急供電系統(tǒng)的應(yīng)用

光伏發(fā)電系統(tǒng)將所發(fā)電量優(yōu)先為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，當(dāng)突遇電網(wǎng)斷電而光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電力又無法滿足證券交易中心信息機(jī)房所需電量時(shí)，啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，由其為信息機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及UPS供電，以保證信息機(jī)房的正常運(yùn)行。若滿足信息機(jī)房電力需求后，儲(chǔ)能系統(tǒng)電力仍有盈余，則按照優(yōu)先等級為本建筑的辦公區(qū)域供電。

自2022年以來，成都市因夏季遭遇極端高溫干旱天氣，已出現(xiàn)過兩次對工業(yè)企業(yè)實(shí)施的“讓電于民”的限電措施，當(dāng)市電無法對信息機(jī)房正常供電時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在夏季的高發(fā)電量成為了應(yīng)急供電系統(tǒng)的有效保障。

4結(jié)論

本文以成都市華西證券辦公樓的BIPV改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，對此類高層辦公建筑BIPV改造時(shí)的設(shè)計(jì)方法和施工工藝進(jìn)行了研究，并對作為應(yīng)急供電系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。得到以下結(jié)論：本建筑采用的光伏組件的總裝機(jī)容量約為2.15MW ，首年的光伏發(fā)電量預(yù)計(jì)達(dá)105.96萬kWh，25年的總發(fā)電量預(yù)計(jì)達(dá)2417萬 kWh 。若碳排放因子按照 $0.8587＼mathrm{＼tCO_{2}/M W h}$ 進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)該建筑25年的光伏總發(fā)電量為2417萬kWh時(shí)，預(yù)計(jì)將減少 20754.78t 的 排放量。

綜上可知，顯著的生態(tài)收益證實(shí)了建筑的BIPV改造作為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要策略，發(fā)揮了積極作用。BIPV改造在構(gòu)建城市清潔能源網(wǎng)的過程中將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，為大量既有建筑換上新能源外衣，使每1棟建筑都化身為1座微型發(fā)電站，從而減輕城市電網(wǎng)的供電負(fù)荷，減少溫室氣體排放，節(jié)約非可再生資源的消耗。

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RESEARCHONBIPVRENOVATIONDESIGNOFHIGHRISE OFFICEBUILDINGS

Hu Xu

SichuanProvincialArchitectural DesignandResearch InstituteCo.，Ltd.，Chengdu 61oo95，Chinc

Abstract：Building integrated PV （BIPV），as one of the effective measures to achieve carbon neutrality goals， shoulders a large number of PV renovation tasks for existing buildings.This paper takes the BIPV renovation project ofHuaxi Securities ofice building in Chengdu as an example to study the design methods and construction techniques for BIPV renovation of such high-rise offce buildings，and elaborates on the energy storage systems as an emergency power supply systems.The research results show that the total installed capacity of the PV modules used in this building is about 2.15MW ，with an expected PV power generation of 1.0596 million kWh in the first yearand 24.17 million kWh in the next 25 years.If the carbon emision factor is calculated at0.8587t ，when the total photovoltaic power generation of the building in 25 years is 24.17 million kWh， it is expected to reduce emissions by 20754.78t ，with significant ecological benefits.

Keywords： photoelectric glass；BIPV； breathing double-layer curtain wall； CdTe