梁曙光 浙江中南幕墻科技股份有限公司副總經(jīng)理、建筑幕墻設計研究院院長

符旭晨 浙江中南幕墻科技股份有限公司副總工程師、高級工程師

梁書龍 浙江中南幕墻科技股份有限公司幕墻設計研究院光伏所所長、副總工程師、高級工程師

關健詞：建筑；能源；被動節(jié)能；主動產(chǎn)能；呼吸式幕墻；光伏幕墻

一、引言

建筑與能源一直是貫穿人類歷史發(fā)展和社會生活的兩大重要因素。據(jù)不完全統(tǒng)計，自工業(yè)革命以來，建筑一直是人類能量消耗的最大部分，而且這個部分所占比例隨著時代的發(fā)展也在逐步提高。為建筑原料的開采、建筑材料生產(chǎn)、建筑材料運輸與加工、建筑物的建造、以及建筑物在日常使用中的照明、建筑內交通設施、空調等設施維護以及建筑的拆除、建筑垃圾的處理等所消耗的能量已經(jīng)占超過人類年生產(chǎn)能量的40%。

傳統(tǒng)能源生產(chǎn)的主要方式：包括化石能源，石油和煤碳以及水電，從開采到運輸、轉化為人類最終能源利用形式(主要是電力和燃料油)，以及最終的能量利用過程中，會對環(huán)境產(chǎn)生破壞性影響(甚至是無法修復的破壞性影響)，環(huán)境污染、氣候變暖等已經(jīng)成為人類社會所面對的最重要課題。所以，改善建筑的能源消耗問題，已經(jīng)成為建筑設計必須考慮的當務之急。

幕墻是建筑同外界環(huán)境間隔斷與聯(lián)系的中介環(huán)節(jié)，是建筑與外界能量傳遞與交換的最重要部分，所以優(yōu)秀的綠色節(jié)能幕墻設計已成為決定綠色建筑節(jié)能設計的決定性因素。

二、論述

所謂的綠色幕墻設計，目前來說沒有統(tǒng)一的定義。一般來講，就是指在幕墻設計中，應充分考慮到幕墻的環(huán)境代價和環(huán)境影響、盡可能地采用環(huán)境友好型的材料，工藝與構造處理方法。所謂的環(huán)境代價就是指幕墻在材料選用、施工方法所需要消耗的環(huán)境成本，包括能源消耗、物質消耗、粉塵、噪音等問題。所謂的環(huán)境影響則主要是指幕墻在使用之后的整個生命周期中能源的消耗、光污染等問題。這就要求我們在幕墻設計時應著重從如下方面入手來考慮問題以提高幕墻的綠色節(jié)能效果：

1、傳統(tǒng)被動節(jié)能型幕墻材料選用方面，人們一直在提高墻體、屋面、樓地面、門窗、幕墻的節(jié)能效果。 如傳統(tǒng)的Low-E 涂層中空玻璃以及采用雙層甚至三層涂層的雙銀和三銀中空玻璃、暖邊條、高阻熱型材等。

2、在幕墻形式選用方面，則需要考慮保溫節(jié)能效果優(yōu)秀、維護成本低的幕墻形式。如雙層呼吸性幕墻(又稱雙層幕墻、雙層通風幕墻、熱通道幕墻等)。它由內、外兩道幕墻組成，內外幕墻之間形成一個相對封閉的空間，空氣可由下部進氣口進入，而又從上部排風口離開這一空間。這一空間的經(jīng)?？諝饬鲃訝顟B(tài)，熱量便在這一空間流動。呼吸式幕墻與傳統(tǒng)幕墻相比，它的最大特點是由內外兩層幕墻之間形成一個通風換氣層。由于此換氣層的流通或循環(huán)的作用，使內層幕墻的溫度接近室內溫度，減小溫差因而比傳統(tǒng)的幕墻采暖時節(jié)約能源42～52%；制冷時節(jié)約能源38～60%。另外由于雙層幕墻的使用，整個幕墻的隔音效果得到了極大的提高。呼吸式幕墻根據(jù)通風層結構的不同可分為“封閉式內循環(huán)體系”和“敞開式外循環(huán)”兩種。

另外還有保溫節(jié)能效果更好的雙中空玻璃幕墻和真空玻璃幕墻等綠色節(jié)能幕墻形式。還有，集節(jié)能保溫、除塵、降噪、吸收有害氣體，降低污染、凈化空氣與一體的綠色植被幕墻也是一個相當有效的幕墻形式。

3、在建筑幕墻構造處理上，要盡可能地采用能夠消除任何會加速建筑內外能量傳遞的節(jié)點處理措施。對于幕墻內外的金屬連接部位必須采用有效的熱橋阻斷處理。

4、在幕墻措施的采用方面，為了建筑內外能量的消耗，可使建筑幕墻的內外側采用有效的遮陽措施。如采光頂下可采用電動卷簾，夏天需要的時候打開以減少室外光熱能量的導入室內，冬天則可以收起讓陽光射入以充分加熱室內空氣，降低空調的負荷而減少能量消耗。在幕墻外側可設置格柵條進行遮陽處理。同樣可以達到減少熱量導入的效果以實現(xiàn)保溫節(jié)能目的。

5、在條件許可的情況下可采用節(jié)能與產(chǎn)能有效結合、完美統(tǒng)一的光伏幕墻形式。 光伏幕墻是一種將能夠在光照作用下發(fā)生光電效應產(chǎn)生電能的光伏發(fā)電板作為建筑幕墻板塊材料的幕墻形式。因為實現(xiàn)了被動節(jié)能與主動產(chǎn)能的完美結合，建筑遮蔽功能與發(fā)電功能的有機統(tǒng)一而成為一種倍受關注和歡迎，且有巨大應用前景的幕墻形式。它主要分為晶硅玻璃幕墻與薄膜光伏幕墻。

三、光電幕墻設計發(fā)展現(xiàn)狀

主動節(jié)能型幕墻材料選用方面，盡量選用能主動轉化太陽能等環(huán)境友好型面材，生產(chǎn)時的能源和物質代價低的材料。如光伏幕墻組件和電氣的選擇需要遵循以下幾點：

1、電池組件形式及規(guī)格需要多樣化，組件形式包括傳統(tǒng)的單晶硅電池、多晶硅電池、微晶薄膜電池、非晶薄膜電池和軟膜電池，還有太陽能光伏瓦等衍生產(chǎn)品。多晶硅電池或單晶硅電池組成的晶硅電池組件可以根據(jù)建筑形式排版多種規(guī)格尺寸，還可以根據(jù)建筑采光及美學要求制作不同透光板塊。薄膜電池組件現(xiàn)在也有許多廠家可以進行不同尺寸調整，還有廠家可以生產(chǎn)半成品的任意尺寸切割，這些都是為了適應建筑設計的要求。而且還發(fā)展出了直接做成傳統(tǒng)建材樣式的光伏瓦、軟膜電池等。

這么多種類的電池在設計中如何選擇至關重要，首先是滿足建筑要求，在地面光伏電站中使用的光伏組件，只要通過IEC61215的檢測， 滿足抗130km/h(2400Pa)風壓和抗25mm 直徑冰雹23m/s 的沖擊的要求即可。而BIPV 光伏組件不僅需要滿足光伏組件本身的性能要求，同時要滿足幕墻的四性實驗要求（抗風壓性能、平面內變形性能、氣密性能和水密性能）和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力學性能和采用不同的結構方式 ；其次選擇晶硅電池時，如果部分位置有遮擋，就要考慮晶硅組件的熱斑問題。

2、接線盒需要小型化和多樣化，接線盒作為電池與其他設備連接的必要設備，再與幕墻結合時，建筑對它的要求就是隱身，所以接線盒的設計就逐漸小型化，并且隱藏在板塊縫隙或外裝飾條內側。

3、電纜短接頭小、板塊組合需多組化，光伏發(fā)電效率的提高即使是0.1 個百分點也是科研人員花費大量精力、時間和金錢才能得到，但是線纜傳輸過程中的損耗卻有近1 個百分點，所以如何減少線纜及其他設備的損耗是BIPV 設計中注意的要點。幕墻上應用一定要考慮室內外的美觀，所以線路必須做到室內外均不外露。另外板塊通過串并聯(lián)的結合增加電池板的分組，減少個別板塊損壞對整個系統(tǒng)的效率的影響。

4、控制器和逆變器需結合，逆變器需要小型化，模塊化：現(xiàn)在控制器和逆變器很多都是結合在一起設計的，這樣便于經(jīng)行設備檢修，減少當機率。另外由于個別板塊損壞會導致整串功率受到影響，損失較多裝機容量，有時還 會因為日照條件變化導致過多逆變器負荷參與工作導致效率下降等因素，制約了大型逆變器的效率的提高，所以現(xiàn)在需要考慮逆變器的模塊化設計?，F(xiàn)在已有廠家采用智能化休眠技術 ，使逆變器的最高效率提高到98.6%，歐洲效率提高到97.6%，而且采用低電壓50～500kW 容量自由組合，并且支持熱插拔，可以在不停機的情況下安裝維護，另外完善的網(wǎng)絡通信功能易于監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行情況，是今后BIPV 的一個較優(yōu)方向。另外微型逆變器為每塊組件單獨工作，更利于提高整個系統(tǒng)的效率，特別是板塊種類較多和使用位置較復雜時是較優(yōu)選擇，但目前這種方案造價較高 ，需要綜合考慮。

5、減少蓄電池的使用：光伏組件本身只有發(fā)電作用是不具備儲電作用的。并網(wǎng)是組件發(fā)的電直接并到國家電網(wǎng)里，不需要儲能的，通過防逆流裝置可以做到安全無縫使用。離網(wǎng)是單獨使用的，在光線不強或是夜晚沒有陽光的情況下，還需要電能的話，就要靠蓄電池部分提供電能。白天光伏組件發(fā)的電為蓄電池充電，可供夜間使用，這樣就要投入較高成本來配置蓄能設備。目前光伏用蓄電池，主流是免維護鉛酸蓄電池，優(yōu)點價格便宜、成本低，維護簡便，缺點是容量較低，壽命短。還有一種是鋰電池，優(yōu)點是維護簡便、容量高，缺點是由于剛被使用在光伏行業(yè)，因此成本很高，暫時還替代不了鉛酸蓄電池。還有一種儲能裝置，就是超級電容，優(yōu)點是容量可以做到很高，但缺點是仍處于研發(fā)階段，不成熟。所以離網(wǎng)系統(tǒng)由于蓄能環(huán)節(jié)的高投入和高維護不是今后的發(fā)展方向，所以我們設計時盡量減少蓄電池的使用。

6、型材便于檢修和線纜隱蔽：BIPV 光伏組件的安裝要比普通組件的安裝難度大很多。一般BIPV 組件安裝高度較高、安裝空間較小。考慮到安裝方便，可以將光伏組件和結構做成單元式結構，方便安裝并提高幕墻的安裝精度。比如可以采用單元式光電幕墻代替明框幕墻和隱框幕墻。中南公司還針對隱框和明框幕墻開發(fā)了采用了外側通渠式隱線系統(tǒng)，解決了光伏電池組件布線的難題。室內側設計了內開式隱線系統(tǒng)，解決了光伏系統(tǒng)線路檢測和檢修的難題，使BIPV 在應用中光伏組件的連接線全部隱藏在幕墻結構中。我們今后的設計中需要進一步提高這方面的要求。

四、近年來完成的綠色幕墻設計案例

在國內幕墻設計界的努力下，國內已經(jīng)完成了眾多綠色節(jié)能、環(huán)境友好綠色幕墻設計工程。主是要以雙層呼吸式幕墻為代表的傳統(tǒng)被動節(jié)能幕墻形式，以及以光伏發(fā)電幕墻為代表的新型主動產(chǎn)能幕墻形式。 幕墻不再是一個傳統(tǒng)的節(jié)能消耗大戶，而逐漸轉變?yōu)榄h(huán)境友好，節(jié)能減排，甚至成為清潔能源的生產(chǎn)大戶。實現(xiàn)了被動節(jié)能向主動產(chǎn)能幕墻的華麗轉身，其中的優(yōu)秀幕墻綠色節(jié)能設計案例主要有以下幾個工程。

浙江中南建設集團總部大樓

1、浙江中南建設集團有限公司總部大樓：該大樓總部建筑面積20000 余平方米，共計26 層，高度98 米，于2008 年建成投入使用。該建筑幕墻由浙江中南建設集團有限公司幕墻設計研究院設計完成。該建筑的南立面采用雙層呼吸式玻璃幕墻，即內外層玻璃之間有300MM 的空氣夾層，該空氣夾層通過格柵孔實現(xiàn)分別同室內和外部空氣和能量交換功能。該幕墻在投稿使用期間獲得了良好的建筑使用和經(jīng)濟效益。在不使用空調的條件下，夏季可使室內環(huán)境較同等條件下的單層普通中空玻璃幕墻溫度低平均3 度，冬季則比相同條件下普通單層幕墻室內氣溫高5 度。同時由于幕墻的自呼吸功能，使得該建筑室內通風設備使用能耗降低30%。據(jù)測算，此幕墻投入使用十年來，共累計節(jié)約能耗合計一百余萬元。

2、杭州濱江濱康路綜合體。濱康路綜合體位于杭州濱江區(qū)，濱康路、濱安路及風情大道交叉口，總建筑面積37.5 萬平方米，最高樓高度近300 米，幕墻面積21 萬平方米，其中有6 萬平方米采用雙層呼吸性幕墻。該幕墻工程由浙江中南建設集團限公司幕墻設計研究院設計完成，是近年來國內采用雙層呼吸式幕墻面積最大的建筑工程之一。

濱康路綜合體

3、嘉興光伏科技展示館光伏幕墻工程，此光伏幕墻由浙江中南建設集團有限公司幕墻設計院設計完成。光伏幕墻面積15000平方米，共計光伏裝機容量421kW，采用多晶硅發(fā)電組件及薄膜光伏組件。項目建成以來，累計發(fā)電量超過100 萬度，占同期該建筑能量消耗的88%，取得了良好的節(jié)能效果。

嘉興光伏科技展示館

4、杭州市光伏行業(yè)龍頭企業(yè)——正泰新能源開發(fā)有限公司的太陽能光伏幕墻。而早在2010 年，正泰新能源C 廠房就已經(jīng)有了一座裝機容量為510kW 的光伏幕墻，在當時成為國內建成最早最大的光伏幕墻項目。新光伏幕墻位于正泰D 廠房，是正泰新能源為響應杭州市推行節(jié)能建筑舉措而建成的又一大型幕墻項目。該項目裝機容量為606kW，利用外部8000 平方米立面空間，一排排整齊地鋪設了5270 塊高效薄膜電池組件。大樓外墻看似與普通玻璃無異，卻在向公司廠房輸送著源源不斷的清潔能源。圖中為正泰太陽能幕墻示范項目。

正泰太陽能薄膜幕墻光伏系統(tǒng)400KWp

5、浙江中南建設集團建材市場一期位于杭州往濱江方向匝道北側的大樓，光伏幕墻采用了單晶硅雙玻透光組件，總面積610 平方米，裝機容量100kW。而位于街道另一側的大樓，光伏幕墻采用的是薄膜雙玻透光組件，裝機容量達300kW。這兩幢大樓不僅在屋頂和幕墻上都安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)。相關工程情況如圖所示。

中南建材市場一期BIPV 晶硅400KWp 現(xiàn)場圖

五、展望

未來包括雙層呼吸式幕墻、綠色植被種植幕墻、光伏幕墻在內的節(jié)能綠色幕墻必將有巨大的發(fā)展空間?？梢灶A見的是，更為綠色節(jié)能的幕墻形式，特別是實現(xiàn)了被動節(jié)能和主動產(chǎn)能完美結合的光伏幕墻必將成為幕墻行為發(fā)展的主流方向。而光伏幕墻本身必將從目前的多晶硅材料向單晶硅材料，從硅材料到鍍膜材料的有序發(fā)展，從而光電轉換率亦將穩(wěn)定提高。詳細說來，光伏幕墻發(fā)展方向主要有如下幾點：

1、繼續(xù)提高組件效率，提高產(chǎn)品的弱光性能：BIPV 系統(tǒng)常用的晶體硅電池轉換效率（多晶硅 13 ～16.5%；單晶硅16 ～18.5%）還需要進一步提高。BIPV 系統(tǒng)用的薄膜電池（銅銦硒和銅銦鎵硒11 ～13%；碲化鎘8 ～11%；砷化鎵和聚合物10 ～14%）由于弱光性能優(yōu)良，相對效率較好。幕墻上的應用需要電池組件具有良好溫度系數(shù)和弱光性，對紅外和紫外線具有良好的吸收和轉化作用，光伏板塊在幕墻立面上使用，節(jié)省了幕墻傳統(tǒng)面板的使用，而且反射率低，沒有光污染，具有良好地經(jīng)濟和社會效益。今后研發(fā)主要控制的經(jīng)濟指標為光伏建筑一體化的價格2015 年降至14元/瓦（現(xiàn)綜合測算成本約為16 元/瓦）。系統(tǒng)發(fā)電效率達到80%以上。

2、繼續(xù)提高與建筑的結合程度：建筑幕墻是技術、藝術和功能的綜合體，所以在材料色彩和規(guī)格上建筑師都有較高的要求，所以我們需要進一步提高光伏與建筑的結合度，開發(fā)出更多建材型組件，提供美觀實用的光伏產(chǎn)品，進一步提高建筑的品味。

3、應用直流化、集成化：目前光伏電池發(fā)電都是直流電，所以應用中盡量考慮實用直流負載，減少成本與損耗。另外光伏與保溫材料一體化集成、光伏與電致變色一體化集成、光伏光熱一體化集成、PV-LED 一體化集成也是以后的應用方向。

4、電池組件規(guī)格和色彩多樣化，并提高工業(yè)化和模塊化生產(chǎn)水平：傳統(tǒng)晶硅電池雖然穩(wěn)定性好，但價格昂貴，且電池本身不透明，采光需要靠調整電池的間距實現(xiàn)，所以可以經(jīng)過深入的研發(fā)，提高工業(yè)化率，從而降低造價，也可研發(fā)新型封裝方法及材料豐富晶硅組件顏色。

隨著綠色節(jié)能建筑幕墻設計技術的發(fā)展，配合公眾綠色意識的提升，綠色行為的普及，以及建筑設施設備能源消耗的改善。未來實現(xiàn)低能耗，甚至零能耗建筑必將在我國興盛起來!