薄膜光伏技術(shù)在雙層幕墻中的應(yīng)用

    1.  前 言 

    目前發(fā)達國家建筑能耗占國家總能耗的20%～ 30%，建筑節(jié)能已成為了建筑行業(yè)最主要的問題之一。建筑節(jié)能既要利用太陽能和風能等自然能，也要從結(jié)構(gòu)上減少熱損失，以獲得最佳經(jīng)濟效益。光伏幕墻可原地發(fā)電、原地使用，杜絕了由一般化石燃料發(fā)電所帶來的嚴重空氣污染，這對于環(huán)保要求更高的今天和未來極為重要。光伏陳列安裝在屋面和墻面上，直接吸收太陽能，避免了墻面溫度和屋頂溫度過高的問題，可降低空調(diào)負荷，改善室內(nèi)環(huán)境。太陽能光伏幕墻集合了光伏發(fā)電技術(shù)和幕墻技術(shù)，因此太陽能光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合成為了住宅建設(shè)中的一個最新亮點，代表著國際上建筑光伏一體化技術(shù)的最新發(fā)展方向。

    日本建造的太陽房，充分利用了自然能源：利用自然風來通風降溫；采集太陽熱為冷房、暖房供熱水；利用太陽光進行發(fā)電、照明、采光；將采集的多余熱量儲存在地下，用來供暖、制冷。這些建筑中通常采用的特朗布壁結(jié)構(gòu)如圖1 所示，熱通道受到太陽照射，其溫度高于室外，在冬季室外新鮮空氣經(jīng)過熱通道加熱后才進入室內(nèi)；夏季室內(nèi)空氣流過熱通道，帶走熱通道的熱量，降低內(nèi)墻溫度，保證了室內(nèi)空氣自然流通。

    20世紀80年代以來，嚴寒地區(qū)迫切需要一種新型玻璃幕墻：冬天獲取大量的日照，夏天阻擋太陽輻射，同時提供良好的自然通風和建筑節(jié)能。建筑師和相關(guān)人員經(jīng)過多年努力，開發(fā)了一種新型玻璃幕墻——智能玻璃幕墻。智能幕墻目前處于發(fā)展初期，造價昂貴，技術(shù)要求高，但在建筑節(jié)能中卻顯示了巨大的能力。根據(jù)英國工程師對一個建成的工程進行預算可知，采用智能幕墻的工程能耗只相當于傳統(tǒng)建筑能耗的30%。智能玻璃幕墻包括熱通道玻璃幕墻、通風系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和樓宇自動控制系統(tǒng)。智能建筑室內(nèi)的吊頂單元裝備光(煙) 感應(yīng)裝置、消防噴頭、音響、燈光、吸音材料、輻射供暖和制冷裝置，各裝置與熱通道幕墻內(nèi)的風口和活動百頁均受樓宇自動系統(tǒng)控制。

    智能玻璃幕墻的核心是雙層幕墻，其與貯熱結(jié)構(gòu)、輻射供暖和制冷系統(tǒng)協(xié)同工作，從而獲得能源的高效利用。為了節(jié)省建筑成本，目前人們傾向采用智能玻璃幕墻的核心技術(shù)——雙層幕墻，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)、外側(cè)玻璃之間為熱空氣流通通道，所以該結(jié)構(gòu)又稱為熱通道幕墻或通風換氣幕墻，其內(nèi)側(cè)采用中空玻璃，內(nèi)片采用低輻射玻璃，在抑制夏季太陽透射的同時不會造成光污染，中間設(shè)置遮陽百頁。熱通道(或稱外循環(huán)通道) 由于陽光的照射溫度升高，冬天像一個溫室，緊閉其進、出氣口就等于提高了內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度，減少了建筑物供暖的運行費用；夏天熱通道溫度很高，打開上、下兩端的風口，熱煙囪效應(yīng)產(chǎn)生氣流，運動氣流帶走通道內(nèi)的熱量，這樣就可以降低內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度，減少空調(diào)負荷。

    1980年建成的美國紐約西方化學中心采用了“外側(cè)為雙層中空玻璃，內(nèi)側(cè)為單層幕墻，1500mm寬的熱通道”。此通道內(nèi)安裝了活動百頁，該百頁可以通過感應(yīng)光線進行自動調(diào)節(jié)，通道熱空氣在過熱時可以從通道頂端排走。

    1986年建成的勞埃德大廈采用了“外側(cè)為雙層中空玻璃，內(nèi)側(cè)為單層幕墻，75mm寬的熱通道，通道為1 層樓高，之間互不連通”。被處理過的空氣通過設(shè)在架空地板內(nèi)的風道送入熱通道，再從另一端排走，這樣可以帶走通道內(nèi)50%的熱量。

    1993年建成的德國杜伊斯堡的商業(yè)促進中心是應(yīng)用智能幕墻的典型例子，采用了“外側(cè)為單層玻璃幕墻，內(nèi)側(cè)為單元式幕墻，200mm寬的熱通道，通道有控制光線的可調(diào)節(jié)式百頁”。其外側(cè)采用點式幕墻，內(nèi)側(cè)為充氬氣低輻射的中空玻璃幕墻，內(nèi)側(cè)可開啟。被處理的新鮮空氣從通道底部進入通道內(nèi)，并從頂部抽走。開啟活動扇，幕墻可向室內(nèi)供應(yīng)新風。

    1997年在德國埃森建成的RWE總部可能是目前最精密復雜的幕墻系統(tǒng)，采用了“外側(cè)點式幕墻，內(nèi)側(cè)雙層中空玻璃幕墻，實際上是1個雙扇推拉門，0. 5m 的熱通道，通道內(nèi)有活動百頁”。幕墻為單元式，通道之間不連通。每個單元有獨立的進、排風口，該風口是1個精巧的魚嘴型裝置，進入通道內(nèi)的空氣直接從室外引進，熱通道為建筑物提供部分新風。

    2000年竣工的北京會計師培訓中心幕墻是中國大陸最早的熱通道玻璃幕墻。針對業(yè)主提出的既要透明，又要高效利用能源的要求，同時考慮北京地區(qū)的氣候和地理環(huán)境，經(jīng)過研究決定采用熱通道幕墻.

    2003年位于深圳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的方大集團科技中心大廈工程采用的光伏幕墻有效面積為93. 8m2，設(shè)計峰值發(fā)電功率為10. 3kW，建筑標高為97m，是我國第1棟光伏幕墻建筑。

    北京輝煌凈雅大酒店的光伏幕墻由2300塊、9種不同規(guī)格的光伏板組成，面積達2200m2，擁有亞洲最大的單體彩色光伏顯示屏和國內(nèi)第1套集成玻璃幕墻的光伏系統(tǒng)。

    中國電谷錦江國際酒店的光伏幕墻發(fā)電量可達0. 3 MW，相當于1個小型發(fā)電站，發(fā)出來的電直接并入電網(wǎng)。在外圍護結(jié)構(gòu)方面，大廈屋頂采用了5cm厚擠塑聚苯板保溫，外墻采用5cm厚擠塑聚苯板抹灰系統(tǒng)，外窗則采用低能耗中空玻璃鋁合金窗。在太陽能并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用上，大廈主樓南立面5～24 層采用的是呼吸式太陽能玻璃幕墻。

    新慕尼黑貿(mào)易展覽中心的光伏幕墻是世界上最大的太陽能屋頂光伏系統(tǒng)，由7812塊西門子單晶硅組件組成方陣，每塊功率為130W，總?cè)萘砍�過1MW，所發(fā)電量與20kV電網(wǎng)相聯(lián)，每年能發(fā)電100萬kWh，供德國家庭使用。

    在深圳已建成的1MW并網(wǎng)太陽能光伏電站示范工程位于“園博園”內(nèi)，是目前全亞洲第一大并網(wǎng)光伏電站。2004年8月30日建成發(fā)電，該電站總?cè)萘繛?000 kW，年發(fā)電能力約為100萬kWh，所發(fā)的電量約占園區(qū)用電總量的15%。相對于火力發(fā)電，年節(jié)省標煤約384t，年減排SO₂約7. 68t，年減排CO₂約170余t，是真正無污染的綠色可再生能源項目，它的成功實施為我國太陽能技術(shù)的發(fā)展起到了良好的示范作用。

    示范樓南側(cè)立面裝有30m2 的光伏玻璃，所發(fā)的電量用于驅(qū)動玻璃幕墻開啟窗扇和遮陽百葉。屋頂設(shè)有太陽能集熱器，所獲得的熱量用于除濕系統(tǒng)的溶液再生。此外屋面還裝有太陽能高溫熱發(fā)電裝置，為拋物面碟式雙軸跟蹤聚焦形式，峰值發(fā)電功率為3kW。該示范樓的建設(shè)運用了多項節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品，包括智能圍護結(jié)構(gòu)、自然通風、個性化空調(diào)末端裝置、濕度獨立控制的送風方式、樓宇式熱電聯(lián)供系統(tǒng)、太陽能利用、檢測和控制系統(tǒng)等。該建筑代表了今后建筑節(jié)能的發(fā)展方向。

    雙層幕墻主要由1個單層玻璃幕墻和1 個中空玻璃幕墻組成，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。將外側(cè)單層普通玻璃換成太陽能電池板(用特殊的樹脂將光伏材料粘貼在2片玻璃之間)，就變成了光伏雙層幕墻。

    薄膜太陽能電池是世界上最先進的電池之一，價格便宜，且薄膜光伏組件非常適用于需要造型的建筑結(jié)構(gòu)。隨著非晶硅太陽能電池的衰減降低、GaAs和CdTe 太陽能電池制造技術(shù)的突破，薄膜太陽能電池更具備競爭性。目前較成熟且已經(jīng)大批量生產(chǎn)的薄膜太陽能電池是基于非晶硅系的薄膜太陽能電池，具有以下突出優(yōu)點：高溫下的光伏輸出特性好、比晶體硅太陽能電池有更大的實際功率輸出、環(huán)境友好、更少的能量償還時間。

    將薄膜光伏發(fā)電組件融合在通風換氣式幕墻內(nèi)就形成了薄膜光伏雙層幕墻，它符合當今世界的發(fā)展方向——低碳、節(jié)能、高效益和可持續(xù)發(fā)展：將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，不會排放CO₂或產(chǎn)生有害的氣體，無噪音，是一種潔凈能源；薄膜光伏發(fā)電組件容易造型、價格適中、易于推廣；能實現(xiàn)調(diào)節(jié)通風換氣功能，同時具有明顯的隔熱、隔音、安全、裝飾等功能。

    光伏幕墻目前存在的主要問題包括：沒有將光伏組件與熱通道技術(shù)完美結(jié)合；絕大部分采用晶體硅光伏材料，價格昂貴。本文提出了通風換氣式薄膜光伏幕墻方案來解決這個問題。以下為此結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實踐經(jīng)驗。

    1)雙層幕墻的結(jié)構(gòu)

    圍護結(jié)構(gòu)幕墻要求透明之處的結(jié)構(gòu)平面如圖3所示，內(nèi)側(cè)采用中空玻璃，中間設(shè)置遮陽百頁。不要求透明的幕墻內(nèi)側(cè)采用防火板、防火保溫棉和復合鋁板，其立面結(jié)構(gòu)如圖4所示。中間設(shè)置遮陽百頁和布簾，有助于隔音隔熱。同時根據(jù)季節(jié)改變熱通道風口方向，有利于室內(nèi)空氣流通或能量交換。

    如果需要熱通道承擔室內(nèi)部分或全部通風，通常將外側(cè)幕墻設(shè)計成封閉式，內(nèi)側(cè)幕墻設(shè)計成開啟式，通過對上下兩端的進、排風口的調(diào)節(jié)在熱通道內(nèi)形成壓差，利用開啟扇在建筑物內(nèi)形成氣流，進行通風。通過管道向通道內(nèi)送風，可以隨時向室內(nèi)提供新風，承擔部分或全部通風負荷。

    通風換氣主要依靠熱通道實現(xiàn)，熱通道設(shè)計優(yōu)化主要解決熱通道寬度和風口設(shè)置。尋找最佳空氣層厚度，使結(jié)構(gòu)具有最大熱阻是設(shè)計熱通道的關(guān)鍵問題。

    1)光伏發(fā)電的適宜性及其與建筑的匹配

    首先，要做好太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化需要解決一系列問題：
①光伏幕墻適宜性、當?shù)厝�年太陽能資源和當?shù)貧夂驙顩r的調(diào)查。
②環(huán)境溫度對太陽能光伏電池的效率有影響，一般來說，溫度越高效率越低。因此，在嚴寒和寒冷地區(qū)，溫度的影響較低；在炎熱氣候條件下應(yīng)采取一定的措施，使得太陽能電池板的溫度不至于過高。
③光伏幕墻作為建筑構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)項目當?shù)氐臍夂驐l件，綜合考慮抗風、防雨、雪荷載等問題。
④光伏組件與玻璃幕墻結(jié)合通常會形成幕墻上的非透明或半透明部分，因此光伏幕墻具有一定遮陽的功能，同時也降低了玻璃幕墻的透光性能。不同氣候區(qū)的建筑對遮陽和采光的需求不同，因此光伏幕墻的設(shè)計也應(yīng)有所不同。

    其次，光伏發(fā)電系統(tǒng)要適應(yīng)熱通道的特殊結(jié)構(gòu)，保持與原建筑風格的一致性。因此要解決組件密封、接線盒隱蔽、粘膠在高溫與臺風作用下的結(jié)構(gòu)受力問題；要改善組件的散熱情況、降低電池片溫度，以減少組件效率損失。

    除此之外，光伏系統(tǒng)、通風換氣件的智能自動控制應(yīng)具備數(shù)據(jù)自動采集、智能調(diào)節(jié)風口和百葉、光伏發(fā)電等功能，并可將這些數(shù)據(jù)送往管理中心。

    2)電池組件的選用

    多晶薄膜、非晶硅薄膜電池在建筑一體化設(shè)計中比較有優(yōu)勢，宜采用與建筑屋面、墻面和玻璃幕墻相結(jié)合的方式。同時，應(yīng)按照地區(qū)特點將太陽能電池板與屋面和東、南、西向墻面相結(jié)合。根據(jù)建筑要求確定合適的玻璃性能(如采光) 及結(jié)構(gòu)(如夾層、中空、異型) ；根據(jù)抗風等要求確定玻璃的強度要求(鋼化、厚度)。在建筑光伏一體化設(shè)計中，必須研究選擇性價比最高的光伏電池。

    薄膜太陽能電池有一個重要優(yōu)點是適合作為與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電組件(BIPV) ：雙層玻璃封裝剛性的薄膜太陽能電池組件可以根據(jù)需要制作成不同的透光率，部分代替玻璃幕墻；而不銹鋼和聚合物襯底的柔性薄膜太陽能電池適用于建筑屋頂?shù)刃枰�造型的部分。對于后者，一方面具有漂亮的外觀，能夠發(fā)電；另一方面，用于薄膜太陽能電池的透明導電薄膜(TCO) 又能很好地阻擋外部紅外射線的進入和內(nèi)部熱能的散失，雙層玻璃中間的乙烯聚合物丁酸鹽(PVB)能夠有效隔斷能量的傳導，起到Low-E玻璃的功能。據(jù)預測，到2030年薄膜太陽能電池將占整體太陽能電池份額的30%以上，與晶體硅太陽能電池平分秋色。

    光伏雙層幕墻融合了熱通道技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)，具有明顯的隔熱、隔音、充分陽光、節(jié)能、裝飾等功能；光伏發(fā)電將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，不會排放CO₂或產(chǎn)生有害的氣體，無噪音，與環(huán)境有很好的相容性。光伏雙層幕墻符合當今世界的發(fā)展方向——低碳、節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展，在住宅建筑中意義深遠。