光电幕墙设计发展现状与案例分析

建筑中级职称论文第六篇：光电幕墙设计发展现状与案例分析

 

　　摘要：现代建筑一直是现代人类社会能源的最大消耗因素。本文论述了现代建筑在绿色节能设计方面的重要性，提出我们的设计已经从建筑设计时能源利用的无概念状态，到节能成为建筑设计的重要因素；而建筑节能设计则又从被动节能设计到建筑设计的主动产能设计阶段。详细论述了以呼吸式幕墙、光伏幕墙为代表的绿色节能幕墙设计技术目前的发展状况。并指出以光伏幕墙为代表的绿色节能幕墙设计必然走向更高的光电转换效率、光伏与建筑更紧密的结合形式、光电应用的直流化、集成化、电池组件规格和色彩多样化、工业化和模块化必然是未来的发展方向。

 

　　关键词：建筑; 能源; 被动节能; 主动产能; 呼吸式幕墙; 光伏幕墙;

 

　　一、引言

 

　　建筑与能源一直是贯穿人类历史发展和社会生活的两大重要因素。据不完全统计，自工业革命以来，建筑一直是人类能量消耗的最大部分，而且这个部分所占比例随着时代的发展也在逐步提高。为建筑原料的开采、建筑材料生产、建筑材料运输与加工、建筑物的建造、以及建筑物在日常使用中的照明、建筑内交通设施、空调等设施维护以及建筑的拆除、建筑垃圾的处理等所消耗的能量已经占超过人类年生产能量的40%。

 

　　传统能源生产的主要方式：包括化石能源，石油和煤碳以及水电，从开采到运输、转化为人类最终能源利用形式(主要是电力和燃料油)，以及最终的能量利用过程中，会对环境产生破坏性影响(甚至是无法修复的破坏性影响)，环境污染、气候变暖等已经成为人类社会所面对的最重要课题。所以，改善建筑的能源消耗问题，已经成为建筑设计必须考虑的当务之急。

 

　　幕墙是建筑同外界环境间隔断与联系的中介环节，是建筑与外界能量传递与交换的最重要部分，所以优秀的绿色节能幕墙设计已成为决定绿色建筑节能设计的决定性因素。

 

　　二、论述

 

　　所谓的绿色幕墙设计，目前来说没有统一的定义。一般来讲，就是指在幕墙设计中，应充分考虑到幕墙的环境代价和环境影响、尽可能地采用环境友好型的材料，工艺与构造处理方法。所谓的环境代价就是指幕墙在材料选用、施工方法所需要消耗的环境成本，包括能源消耗、物质消耗、粉尘、噪音等问题。所谓的环境影响则主要是指幕墙在使用之后的整个生命周期中能源的消耗、光污染等问题。这就要求我们在幕墙设计时应着重从如下方面入手来考虑问题以提高幕墙的绿色节能效果：

 

　　1、传统被动节能型幕墙材料选用方面，人们一直在提高墙体、屋面、楼地面、门窗、幕墙的节能效果。如传统的Low-E涂层中空玻璃以及采用双层甚至三层涂层的双银和三银中空玻璃、暖边条、高阻热型材等。

 

　　2、在幕墙形式选用方面，则需要考虑保温节能效果优秀、维护成本低的幕墙形式。如双层呼吸性幕墙(又称双层幕墙、双层通风幕墙、热通道幕墙等)。它由内、外两道幕墙组成，内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间，空气可由下部进气口进入，而又从上部排风口离开这一空间。这一空间的经常空气流动状态，热量便在这一空间流动。呼吸式幕墙与传统幕墙相比，它的最大特点是由内外两层幕墙之间形成一个通风换气层。由于此换气层的流通或循环的作用，使内层幕墙的温度接近室内温度，减小温差因而比传统的幕墙采暖时节约能源42～52%；制冷时节约能源38～60%。另外由于双层幕墙的使用，整个幕墙的隔音效果得到了极大的提高。呼吸式幕墙根据通风层结构的不同可分为“封闭式内循环体系”和“敞开式外循环”两种。

 

　　另外还有保温节能效果更好的双中空玻璃幕墙和真空玻璃幕墙等绿色节能幕墙形式。还有，集节能保温、除尘、降噪、吸收有害气体，降低污染、净化空气与一体的绿色植被幕墙也是一个相当有效的幕墙形式。

 

　　3、在建筑幕墙构造处理上，要尽可能地采用能够消除任何会加速建筑内外能量传递的节点处理措施。对于幕墙内外的金属连接部位必须采用有效的热桥阻断处理。

 

　　4、在幕墙措施的采用方面，为了建筑内外能量的消耗，可使建筑幕墙的内外侧采用有效的遮阳措施。如采光顶下可采用电动卷帘，夏天需要的时候打开以减少室外光热能量的导入室内，冬天则可以收起让阳光射入以充分加热室内空气，降低空调的负荷而减少能量消耗。在幕墙外侧可设置格栅条进行遮阳处理。同样可以达到减少热量导入的效果以实现保温节能目的。

 

　　5、在条件许可的情况下可采用节能与产能有效结合、完美统一的光伏幕墙形式。光伏幕墙是一种将能够在光照作用下发生光电效应产生电能的光伏发电板作为建筑幕墙板块材料的幕墙形式。因为实现了被动节能与主动产能的完美结合，建筑遮蔽功能与发电功能的有机统一而成为一种倍受关注和欢迎，且有巨大应用前景的幕墙形式。它主要分为晶硅玻璃幕墙与薄膜光伏幕墙。

 

　　三、光电幕墙设计发展现状

 

　　主动节能型幕墙材料选用方面，尽量选用能主动转化太阳能等环境友好型面材，生产时的能源和物质代价低的材料。如光伏幕墙组件和电气的选择需要遵循以下几点：

 

　　1、电池组件形式及规格需要多样化，组件形式包括传统的单晶硅电池、多晶硅电池、微晶薄膜电池、非晶薄膜电池和软膜电池，还有太阳能光伏瓦等衍生产品。多晶硅电池或单晶硅电池组成的晶硅电池组件可以根据建筑形式排版多种规格尺寸，还可以根据建筑采光及美学要求制作不同透光板块。薄膜电池组件现在也有许多厂家可以进行不同尺寸调整，还有厂家可以生产半成品的任意尺寸切割，这些都是为了适应建筑设计的要求。而且还发展出了直接做成传统建材样式的光伏瓦、软膜电池等。

 

　　这么多种类的电池在设计中如何选择至关重要，首先是满足建筑要求，在地面光伏电站中使用的光伏组件，只要通过IEC61215的检测，满足抗130km/h(2400Pa)风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求即可。而BIPV光伏组件不仅需要满足光伏组件本身的性能要求，同时要满足幕墙的四性实验要求（抗风压性能、平面内变形性能、气密性能和水密性能）和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式；其次选择晶硅电池时，如果部分位置有遮挡，就要考虑晶硅组件的热斑问题。

 

　　2、接线盒需要小型化和多样化，接线盒作为电池与其他设备连接的必要设备，再与幕墙结合时，建筑对它的要求就是隐身，所以接线盒的设计就逐渐小型化，并且隐藏在板块缝隙或外装饰条内侧。

 

　　3、电缆短接头小、板块组合需多组化，光伏发电效率的提高即使是0.1个百分点也是科研人员花费大量精力、时间和金钱才能得到，但是线缆传输过程中的损耗却有近1个百分点，所以如何减少线缆及其他设备的损耗是BIPV设计中注意的要点。幕墙上应用一定要考虑室内外的美观，所以线路必须做到室内外均不外露。另外板块通过串并联的结合增加电池板的分组，减少个别板块损坏对整个系统的效率的影响。

 

　　4、控制器和逆变器需结合，逆变器需要小型化，模块化：现在控制器和逆变器很多都是结合在一起设计的，这样便于经行设备检修，减少当机率。另外由于个别板块损坏会导致整串功率受到影响，损失较多装机容量，有时还会因为日照条件变化导致过多逆变器负荷参与工作导致效率下降等因素，制约了大型逆变器的效率的提高，所以现在需要考虑逆变器的模块化设计。现在已有厂家采用智能化休眠技术，使逆变器的最高效率提高到98.6%，欧洲效率提高到97.6%，而且采用低电压50～500k W容量自由组合，并且支持热插拔，可以在不停机的情况下安装维护，另外完善的网络通信功能易于监控整个系统的运行情况，是今后BIPV的一个较优方向。另外微型逆变器为每块组件单独工作，更利于提高整个系统的效率，特别是板块种类较多和使用位置较复杂时是较优选择，但目前这种方案造价较高，需要综合考虑。

 

　　5、减少蓄电池的使用：光伏组件本身只有发电作用是不具备储电作用的。并网是组件发的电直接并到国家电网里，不需要储能的，通过防逆流装置可以做到安全无缝使用。离网是单独使用的，在光线不强或是夜晚没有阳光的情况下，还需要电能的话，就要靠蓄电池部分提供电能。白天光伏组件发的电为蓄电池充电，可供夜间使用，这样就要投入较高成本来配置蓄能设备。目前光伏用蓄电池，主流是免维护铅酸蓄电池，优点价格便宜、成本低，维护简便，缺点是容量较低，寿命短。还有一种是锂电池，优点是维护简便、容量高，缺点是由于刚被使用在光伏行业，因此成本很高，暂时还替代不了铅酸蓄电池。还有一种储能装置，就是超级电容，优点是容量可以做到很高，但缺点是仍处于研发阶段，不成熟。所以离网系统由于蓄能环节的高投入和高维护不是今后的发展方向，所以我们设计时尽量减少蓄电池的使用。

 

　　6、型材便于检修和线缆隐蔽：BIPV光伏组件的安装要比普通组件的安装难度大很多。一般BIPV组件安装高度较高、安装空间较小。考虑到安装方便，可以将光伏组件和结构做成单元式结构，方便安装并提高幕墙的安装精度。比如可以采用单元式光电幕墙代替明框幕墙和隐框幕墙。中南公司还针对隐框和明框幕墙开发了采用了外侧通渠式隐线系统，解决了光伏电池组件布线的难题。室内侧设计了内开式隐线系统，解决了光伏系统线路检测和检修的难题，使BIPV在应用中光伏组件的连接线全部隐藏在幕墙结构中。我们今后的设计中需要进一步提高这方面的要求。

 

　　四、近年来完成的绿色幕墙设计案例

 

　　在国内幕墙设计界的努力下，国内已经完成了众多绿色节能、环境友好绿色幕墙设计工程。主是要以双层呼吸式幕墙为代表的传统被动节能幕墙形式，以及以光伏发电幕墙为代表的新型主动产能幕墙形式。幕墙不再是一个传统的节能消耗大户，而逐渐转变为环境友好，节能减排，甚至成为清洁能源的生产大户。实现了被动节能向主动产能幕墙的华丽转身，其中的优秀幕墙绿色节能设计案例主要有以下几个工程。

 

　

　　浙江中南建设集团总部大楼   

 

　　1、浙江中南建设集团有限公司总部大楼：该大楼总部建筑面积20000余平方米，共计26层，高度98米，于2008年建成投入使用。该建筑幕墙由浙江中南建设集团有限公司幕墙设计研究院设计完成。该建筑的南立面采用双层呼吸式玻璃幕墙，即内外层玻璃之间有300MM的空气夹层，该空气夹层通过格栅孔实现分别同室内和外部空气和能量交换功能。该幕墙在投稿使用期间获得了良好的建筑使用和经济效益。在不使用空调的条件下，夏季可使室内环境较同等条件下的单层普通中空玻璃幕墙温度低平均3度，冬季则比相同条件下普通单层幕墙室内气温高5度。同时由于幕墙的自呼吸功能，使得该建筑室内通风设备使用能耗降低30%。据测算，此幕墙投入使用十年来，共累计节约能耗合计一百余万元。

 

　　2、杭州滨江滨康路综合体。滨康路综合体位于杭州滨江区，滨康路、滨安路及风情大道交叉口，总建筑面积37.5万平方米，最高楼高度近300米，幕墙面积21万平方米，其中有6万平方米采用双层呼吸性幕墙。该幕墙工程由浙江中南建设集团限公司幕墙设计研究院设计完成，是近年来国内采用双层呼吸式幕墙面积最大的建筑工程之一。

 

　

 

　　滨康路综合体   

 

　　3、嘉兴光伏科技展示馆光伏幕墙工程，此光伏幕墙由浙江中南建设集团有限公司幕墙设计院设计完成。光伏幕墙面积15000平方米，共计光伏装机容量421k W，采用多晶硅发电组件及薄膜光伏组件。项目建成以来，累计发电量超过100万度，占同期该建筑能量消耗的88%，取得了良好的节能效果。

 

　

 

　　嘉兴光伏科技展示馆   

 

　　4、杭州市光伏行业龙头企业——正泰新能源开发有限公司的太阳能光伏幕墙。而早在2010年，正泰新能源C厂房就已经有了一座装机容量为510k W的光伏幕墙，在当时成为国内建成最早最大的光伏幕墙项目。新光伏幕墙位于正泰D厂房，是正泰新能源为响应杭州市推行节能建筑举措而建成的又一大型幕墙项目。该项目装机容量为606k W，利用外部8000平方米立面空间，一排排整齐地铺设了5270块高效薄膜电池组件。大楼外墙看似与普通玻璃无异，却在向公司厂房输送着源源不断的清洁能源。图中为正泰太阳能幕墙示范项目。

 

　

 

　　正泰太阳能薄膜幕墙光伏系统4 0 0 KWp   

 

　　5、浙江中南建设集团建材市场一期位于杭州往滨江方向匝道北侧的大楼，光伏幕墙采用了单晶硅双玻透光组件，总面积610平方米，装机容量100k W。而位于街道另一侧的大楼，光伏幕墙采用的是薄膜双玻透光组件，装机容量达300k W。这两幢大楼不仅在屋顶和幕墙上都安装了光伏发电系统。相关工程情况如图所示。

 

 

　　中南建材市场一期BIPV晶硅400KWp现场图   

 

　　五、展望

 

　　未来包括双层呼吸式幕墙、绿色植被种植幕墙、光伏幕墙在内的节能绿色幕墙必将有巨大的发展空间。可以预见的是，更为绿色节能的幕墙形式，特别是实现了被动节能和主动产能完美结合的光伏幕墙必将成为幕墙行为发展的主流方向。而光伏幕墙本身必将从目前的多晶硅材料向单晶硅材料，从硅材料到镀膜材料的有序发展，从而光电转换率亦将稳定提高。详细说来，光伏幕墙发展方向主要有如下几点：

 

　　1、继续提高组件效率，提高产品的弱光性能：BIPV系统常用的晶体硅电池转换效率（多晶硅13～16.5%；单晶硅16～18.5%）还需要进一步提高。BIPV系统用的薄膜电池（铜铟硒和铜铟镓硒11～13%；碲化镉8～11%；砷化镓和聚合物10～14%）由于弱光性能优良，相对效率较好。幕墙上的应用需要电池组件具有良好温度系数和弱光性，对红外和紫外线具有良好的吸收和转化作用，光伏板块在幕墙立面上使用，节省了幕墙传统面板的使用，而且反射率低，没有光污染，具有良好地经济和社会效益。今后研发主要控制的经济指标为光伏建筑一体化的价格2015年降至14元/瓦（现综合测算成本约为16元/瓦）。系统发电效率达到80%以上。

 

　　2、继续提高与建筑的结合程度：建筑幕墙是技术、艺术和功能的综合体，所以在材料色彩和规格上建筑师都有较高的要求，所以我们需要进一步提高光伏与建筑的结合度，开发出更多建材型组件，提供美观实用的光伏产品，进一步提高建筑的品味。

 

　　3、应用直流化、集成化：目前光伏电池发电都是直流电，所以应用中尽量考虑实用直流负载，减少成本与损耗。另外光伏与保温材料一体化集成、光伏与电致变色一体化集成、光伏光热一体化集成、PV-LED一体化集成也是以后的应用方向。

 

　　4、电池组件规格和色彩多样化，并提高工业化和模块化生产水平：传统晶硅电池虽然稳定性好，但价格昂贵，且电池本身不透明，采光需要靠调整电池的间距实现，所以可以经过深入的研发，提高工业化率，从而降低造价，也可研发新型封装方法及材料丰富晶硅组件颜色。

 

　　随着绿色节能建筑幕墙设计技术的发展，配合公众绿色意识的提升，绿色行为的普及，以及建筑设施设备能源消耗的改善。未来实现低能耗，甚至零能耗建筑必将在我国兴盛起来!