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(dá)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(fēng)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(jì)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(yán)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(fù)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(diǎn)，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(fēng)來通風(fēng)降溫；采集太陽熱為冷房、暖房供熱水；利用太陽光進(jìn)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(jìn)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(jì)80年代以來，嚴(yán)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(fēng)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(jìn)行預(yù)算可知，采用智能幕墻的工程能耗只相當(dāng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(jìn)、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(yùn)行費(fèi)用；夏天熱通道溫度很高，打開上、下兩端的風(fēng)口，熱煙囪效應(yīng)產(chǎn)生氣流，運(yùn)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(fù)荷。

    1980年建成的美國紐約西方化學(xué)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(jìn)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(fēng)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(fēng)。

    1997年在德國埃森建成的RWE總部可能是目前最精密復(fù)雜的幕墻系統(tǒng)，采用了“外側(cè)點(diǎn)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(dú)立的進(jìn)、排風(fēng)口，該風(fēng)口是1個精巧的魚嘴型裝置，進(jìn)入通道內(nèi)的空氣直接從室外引進(jìn)，熱通道為建筑物提供部分新風(fēng)。

    2000年竣工的北京會計師培訓(xùn)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(tuán)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(biāo)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(dá)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(dá)0. 3 MW，相當(dāng)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(hù)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(biāo)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?zé)岚l(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(yùn)用了多項節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品，包括智能圍護(hù)結(jié)構(gòu)、自然通風(fēng)、個性化空調(diào)末端裝置、濕度獨(dú)立控制的送風(fēng)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(jìn)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(diǎn)：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(fēng)換氣式幕墻內(nèi)就形成了薄膜光伏雙層幕墻，它符合當(dāng)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(fēng)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(fēng)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(hù)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(fù)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(fēng)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(dān)室內(nèi)部分或全部通風(fēng)，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(jìn)、排風(fēng)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(jìn)行通風(fēng)。通過管道向通道內(nèi)送風(fēng)，可以隨時向室內(nèi)提供新風(fēng)，承擔(dān)部分或全部通風(fēng)負(fù)荷。

    通風(fēng)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(fēng)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(dāng)?shù)厝�年太陽能資源和當(dāng)?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(yán)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(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，綜合考慮抗風(fēng)、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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(diǎn)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(fēng)等要求確定玻璃的強(qiáng)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(diǎn)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(dǎo)電薄膜(TCO) 又能很好地阻擋外部紅外射線的進(jìn)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(dǎo)，起到Low-E玻璃的功能。據(jù)預(yù)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(dāng)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(yuǎn)。