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摘要：為實現建筑能源產需平衡，可再生能源應用必不可少。由于我國各氣候區光照條件差別較大，光伏行業的產品更新速度較快，以及光伏系統涉及到的專業較多等問題，很難對建筑光伏系統的設計給出統一的方法及定量的數據要求。既往我國光伏發電系統在建筑上的使用，主要是在屋頂。本文通過分析光伏幕墻對于零能耗建筑的作用，對光伏玻璃幕墻在設計中的一些要點進行歸納總結，為建筑和幕墻設計師進行光伏幕墻設計提供指導。
關鍵詞：光伏玻璃幕墻;零能耗建筑;節能;產能
1、引言
零能耗建筑因其節能性和環保性成為“雙碳”目標下社會關注的熱點。光伏玻璃幕墻因其兼具圍護結構屬性和清潔能源屬性，在零能耗建筑的研究和應用里占有重要地位。但我國光伏玻璃幕墻目前為止尚未成為規模化的應用，一方面是由于光伏組件產品更新速度較快，規范體系相對不夠完善;另一方面是對于光伏玻璃幕墻和零能耗建筑的關系，及如何將光伏組件作為建筑建材在建筑和幕墻設計中能較好的使用，需要為建筑師和幕墻設計師提供良好的知識支撐和軟件支持，并且這些內容應當是系統化的。本文分析了光伏玻璃幕墻與零能耗建筑的關系，梳理了零能耗建筑設計中的光伏玻璃幕墻設計要點及流程。
1光伏玻璃幕墻與零能耗建筑的關系
1.1光伏玻璃幕墻對于零能耗建筑的重要性
在《2018年中國建筑節能年度發展研究報告》中，2016年城鎮住宅(不含北方地區供暖)和農村住宅的建筑能耗分別為19.8Kwh/(m2a)和9.6Kwh/(m2a)，接近甚至低于德國的被動房設計標準15Kwh/(m2a)。如果不考慮舒適度標準，住宅建筑的能耗水平已經達到超低能耗建筑的能耗要求，但這并不能說明住宅建筑已經實現了超低能耗，因為整能耗偏低是以犧牲部分居住舒適度為代價而實現的，像功能齊全的公共建筑則較難實現建筑的超低能耗要求。
現階段零能耗建筑實現的技術路徑，就是通過被動式設計降低建筑冷熱需求和提升主動式能源系統的能效兩種方式達到超低能耗，兩種方式在同一建筑上往往采用兩種或多種不同的產品結合應用實現。例如降低圍護結構的傳熱系數，采用加厚保溫層的方式，提升主動式能源系統的能效采用房屋頂部設置太陽能熱水器的方式。實現方法分散，安裝圍護不便。
光伏玻璃幕墻設計過程中充分考慮設置的朝向、建筑的窗墻比、采光（詞條“采光”由行業大百科提供）、通風、遮陽（詞條“遮陽”由行業大百科提供）、傳熱系數的要求，建筑本身又可以產生清潔能源，這兩種產品屬性恰好符合兩種實現超低能耗的方式，并且作為一種單一產品，可以集中高效的實現兩種方法，使得在建筑上安裝光伏玻璃幕墻成為實現零能耗建筑的優異選擇。
1.2光伏玻璃幕墻的節能特征
零能耗建筑的價值就在于它可以在保障室內舒適度的情況下，既能減少對化石能源的依賴，又實現了對供暖成本的節約，超過了建造增量成本。相對于通過高能源投入來平衡從熱工性能較差的建筑圍護流失熱量的主動方式，被動式節能需要以良好的建筑外圍護性能為支撐。以夏季和冬季為例，這種被動式的策略可被概括為：減少能量的獲取和向外排出多余熱量。
圖1中體現的五個原則分別是隔熱保溫、被動式房屋窗戶，高效舒適的熱回收通風、氣密性、無熱橋。這五個原則是零能耗建筑的基礎，其中有四個都和外圍護結構相關。另《居住建筑節能設計標準》DB33/1015-2021中對節能要求表明，建筑的節能綜合指標都和外圍護結構有關，包括建筑體形系數、圍護結構各部分的傳熱系數、外圍護結構透光部分的太陽得熱系數、窗墻面積比。所以外圍護結構的性能是零能耗建筑的關鍵。
1.3光伏玻璃幕墻的產能特征
零能耗建筑是近零能耗建筑的高級表現形式，其定義中明確說明可再生能源產能需大于等于建筑自身的用能。以中國北方建筑為例，不同節能建筑的可再生能源利用率，見表1。
光伏玻璃幕墻發電面板以薄膜電池為主，轉換效率略低，轉換功率在150-180W/㎡，弱光發電性能好，可作為透光結構，適用于建筑立面。正在建設華為數宇能源安托山基地，見圖2，兩座辦公樓高180米，光伏玻璃幕墻面積3萬平米，為全球最大的應用薄膜光伏玻璃的光伏幕墻項目，也是全球最大的“光儲直柔”近零碳園區之一，預計將在2022年投入使用。建成后，每年可生產150萬度光伏綠電，通過節能、綜合能源管理等手段，建筑耗電量將從1192多萬度降到589萬度，年省電達51%，每年碳排放量中約5379噸降至約1984噸，降低碳排放超過63%。建筑應用建筑光伏幕墻產生的可再生能源完全可以滿足建筑自身的用能。
2、零能耗建筑中的光伏玻璃幕墻的設計
2.1零能耗建筑中的光伏玻璃幕墻設計組成
零能耗建筑中的光伏玻璃幕墻設計主要分為圍護功能設計和光伏發電功能設計兩部分。圍護功能設計主要考慮節能方面的設計，主要包括隔熱型材的規格選擇、玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業大百科提供）規格的優化以及新型節能產品的使用。光伏發電功能的設計通常理解是在傳統幕墻的設計基礎上，額外再考慮的增加光伏發電面板布置傾角、分格優化，龍骨構造，減碳量計算等工作。設計出的光伏玻璃幕墻要實現效果美觀、發電效率優異，施工安裝、拆卸、維護方便。
2.2圍護功能的設計
光伏玻璃幕墻主要安裝在公共建筑的立面，辦公建筑的主要使用空間對采光要求較高，這些空間對應的幕墻可用于安裝透光的光伏組件。嘉興科創服務中心光伏幕墻為全球第一個光伏玻璃達到LOW-E玻璃效果的高層建筑項目。商業、文化建筑的建筑形體整體性較強，立面元素較為規整，多為大面積墻面或玻璃幕墻;而室內采光主要靠電氣照明解決，對自然采光的要求稍低，因此可充分利用立面資源安裝不透光大面幕墻。嘉興秀洲光伏科技館外立面采用了大量的不透光光伏幕墻。
以《杭州市(近)零、超低能耗建筑示范項目關鍵技術要求》為例，文件對居住建筑和公共建筑的主要圍護結構熱工性能進行了要求。其中公共建筑部分對透光幕墻的熱工要求見表2。
透光幕墻的傳熱系數的要求Uf≤2.0，使用常用材料組裝光伏玻璃幕墻的配置至少為C40隔熱條，三玻兩腔的玻璃配置，見表3。
隨著產品的進步，越來越多的節能產品問世，這些節能產品的使用可以使得光伏幕墻以較低的配置實現較好的節能效果。以中空玻璃暖邊條為例，可以降低標準節點傳熱系數0.15-0.2W/㎡·K，大大提高中空玻璃內表面溫度（詞條“表面溫度”由行業大百科提供），能有效改善玻璃邊部結露。
2.3光伏發電功能的設計
2.3.1光伏幕墻的分格設計
光伏發電功能從光伏幕墻分格設計，發電量優化計算，光伏幕墻構造設計三個方面展開分析。
光伏幕墻分格設計以晶硅和薄膜兩種不同材質的面板展開分析。因為光伏組件的尺寸并未強制規定，而且每個廠家的大批量生產的光伏標準組件尺寸均存在不同，所以具體設計時，應先廠家獲取溝通交流待使用組件的尺寸，避免設計完成后，沒有對應的可以購買的光伏組件產品。首先建議幕墻分格尺寸按照組件廠家的標準組件尺寸設計，因為加工工藝及加工方式等原因，加工定制不同尺寸的光伏組件，有時并不能得到想要的組件尺寸，還可能對工程工期造成影響。因此了解光伏組件加工原理，使得設計師可以在工程前期把握建筑分格調整的方向。
對晶硅組件來講，太陽能電池片是光電轉換的最小單元，常見的尺寸有156mmx156mm、166mmx166mm、182mmx182mm、210mmx210mm。一般情況下，標準晶硅組件的尺寸約為2000mmx1000mm。定制光伏組件尺寸，首先確定電池片的規格，然后確定電池片之間的間隙尺寸及電池片與玻璃邊緣的尺寸，電池片之間的空隙可以透光，電池片不可以透光，空隙的尺寸直接影響組件的透光率。
透光率公式為：
經過簡單的排布計算，組件尺寸就可以確定了，使用定制組件前務必與光伏組件廠家溝通交流。圖3為定制晶硅光伏組件。
對薄膜組件來講，標準薄膜組件的尺寸為1200mmx600mm。小于1200mmx600mm的尺寸可以通過裁切薄膜獲得，大于1200mmx600mm的尺寸，發電薄膜需要拼接，例如想獲取1500mmx800mm的組件，則可以選用3部分800mmx500mm的發電薄膜拼接獲得。因為工藝要求限制，拼接位置往往會有一道明顯的黑色拼縫。同樣使用定制組件前務必與光伏組件廠家溝通交流。圖4為定制薄膜光伏組件。
2.3.2發電量的優化設計
發電量的計算是建筑開發單位和設計單位很重視的參數，因為建筑和光伏的結合根本目的是發電，發電越多，能夠節省更多的能源，減少更多的碳排放。在建筑設計的前期方案階段，發電量可以粗估計算，光伏幕墻具體設計階段，要詳細準確計算系統的發電量。發電量計算的公式通常采用《光伏發電站設計規范》GB50797-2012，發電量計算章節中提供的公式：
綜合效率系數K包括：光伏組件類型修正系數、光伏方陣的傾角、方位角修正系數、光伏發電系統可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數、光伏組件轉換效率修正系數。
1)水平面太陽能總輻射量可以去氣象站購買，也可以通過專業的氣象軟件模擬，如NASA，Solargis，Meteonorm等。對于沒有軟件的人員，可以通過整理好的經驗表格進行粗略查詢。
2)組件安裝容量公式：
3)綜合效率系數與很多參數有關，一般通過專業軟件計算，在發電量估算時，光伏方陣傾角之外的系數可以按照80%-82%取值。因為光伏幕墻角度變化較大，光伏方陣傾角系數需單獨考慮。以浙江地區為例，從圖5可以粗估，90°立面的幕墻損失量大概在40%左右。也可以通過Perez模型、HDKR模型或者Hay模型計算傾斜面太陽輻射量。
浙江中南幕墻設計院針對光伏設計流程及設計常見問題開發專為建筑師和甲方提供產品及設計選型的計算軟件，配合PVsyst、Solar PV、archelios、Solar edge等光伏相關軟件，為甲方和建筑師提供較為精準的光伏發電量計算服務。
2.3.2光伏幕墻構造設計
光伏構造設計對于光伏幕墻產品的落地起著至關重要的作用。光伏組件背后設置接線盒，幕墻構件的組裝需避開接線盒，避免干涉。太陽能電池組件主要作用是將太陽能電池產生的電力與外部線路連接。接線盒根據放置位置的不同分為背部接線盒和側邊接線盒。背部接線盒位于光伏幕墻組件背面端部或中部，側邊接線盒位于光伏幕墻組件前后或左右端部玻璃切割面。不同廠家設置的接線盒尺寸不一，不同幕墻系統接線盒優先選用的位置不同，見表4。
光伏面板設置接線盒的一側與幕墻構件的的距離要大于接線盒的尺寸，橫梁上安裝光伏幕墻組件時所用墊塊應高于光伏幕墻組件的接線盒高度。
幕墻具有裝飾屬性，光伏電纜的走線應當隱藏處理，傳統的幕墻構造很難做到隱藏線纜的效果。而且因為沒有預留線倉，走線需要在幕墻構件打孔，破壞了幕墻原本的構造，也給構件加工和現場安裝增加了難度。所以在光伏幕墻設計初期就應當將布線考慮到構造設計中。
隱藏線纜的方式有三種，一是部分幕墻自身結構滿足隱藏線纜的要求，比如隱框幕墻的面板附框（詞條“附框”由行業大百科提供）中可以走線，見圖6，此種走線方式，不便于線纜維修;二是幕墻龍骨自身設置線倉，見圖7，圖7是浙江中南幕墻設計院的專利構造，布線完畢后，采用壓蓋將線倉封閉，這樣保持原幕墻的效果，并且便于檢修。需要維修的時候，拆開壓蓋即可;三是額外設置線倉，見圖8，將線纜隱藏到線倉里面，用于對于效果要求不高的位置，或者對于非透光的幕墻部位，線纜采用綁扎的方式梳理后放置到線倉中。
滿足大眾對藝術美的追求，異形建筑的建造使用率在國內的建筑中占比率越來越多。異形建筑對構造的最主要要求就是幕墻面板可以實現任意角度拼接。一般采取設置可以旋轉的鋁合金附框轉接框的方式吸收角度變形（詞條“變形”由行業大百科提供），如圖9。異形光伏幕墻每塊幕墻面板的角度和方位角均存在差異，在角度、方位角差異不大的情況，電氣部分的逆變器采用器具有MPPT(最大功率點跟蹤)功能，采用多路MPPT組串式逆變器可解決光伏幕墻組件因安裝位置或環境影響所造成電路并聯。在角度、方位角差異大的情況，每個光伏幕墻組件可以單獨設置微型逆變器，使每塊可組件的輸出功率都在最大功率點附近，大大削弱短板效應，減少發電量損失。
3、結論與展望
光伏幕墻從節能和綠色產能的角度上講，是零能耗建筑設計必須掌握的內容。本文僅針對發電和節能兩個要點對光伏玻璃幕墻在設計中的注意事項進行了分析，但光伏玻璃幕墻作為幕墻的一個子系統，且作為建筑的重要組成部分，還應當充分考慮到其快速關斷，電弧防護等安全性內容，充分保障消防安全。此外，對于光伏幕墻系統，建議通過比如由綜合性強制驗收單位來對項目進行整體驗收等方式，在流程上進一步規范并促進光伏幕墻的健康發展。
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作者單位：浙江中南建設集團有限公司
