建筑一體化（BIPV）低碳設計研究
——以甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產業(yè)園項目為例

住 虎（甘肅省建設設計咨詢集團有限公司，甘肅 蘭州 730050）

本項目的建設是貫徹落實國家建筑產業(yè)部署的指導意見、全面推進裝配式建筑發(fā)展的必要性舉措，多年來，黨中央、國務院及各級領導都高度重視推廣應用裝配式建筑，為滿足相關行業(yè)發(fā)展需求，在組織了多次會議后，有關部門制定了具體政策措施，以確保各項任務落到實處[1]。

本次研究的項目為甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產業(yè)園項目，該項目的建設符合國家裝配式建筑發(fā)展的要求，及甘肅省發(fā)展裝配式建筑的戰(zhàn)略決策，是促進岷縣產業(yè)融合、產城融合，帶動區(qū)域經濟發(fā)展的必要條件，也有利于加快推進甘肅省裝配式建筑的發(fā)展[2]。在深入此項目的研究中發(fā)現，本項目場地位于甘肅（岷縣）國際陸港，東臨蘭海高速公路，西臨迭藏河，北臨防護綠地，南臨南主三路，周邊為園區(qū)規(guī)劃道路，交通便利，基礎設施建設已相對完善，整體區(qū)位優(yōu)勢明顯[3]。為保障此項目的規(guī)范化建設，甘肅建投公司先后成立了產業(yè)化課題研究團隊和BIM 工作專業(yè)團隊，并引進了相關的技術和人員予以項目建設技術層面的支持、保障[4]。下面將以此項目為例，將其作為試點，從綠色建筑低碳設計入手，展開研究。

1 項目概況

1.1 基本情況

根據岷州創(chuàng)新科技產業(yè)園開發(fā)建設的實際情況，規(guī)劃用地面積為38513.2㎡（合計57.77 畝）。對該建筑的總經濟技術指標進行分析，見表1。

對甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產業(yè)園區(qū)域位置圖進行描述，如圖1所示。

圖1 甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產業(yè)園區(qū)域位置圖

為保證工程項目的順利實施，在總體功能建筑結構上，在保證產業(yè)園功能合理布局的前提下，合理安排裝配式PC 預制構件加工車間、配套設備用房、PC 構件成品堆場、混凝土骨料封閉堆場、停車場等功能。

本工程建筑控制線退東側用地紅線6.5m，退西側用地紅線6.5m，北側用地紅線9.0m，南側用地紅線10.0m。

車行流線主要集中在廠區(qū)北側混凝土攪拌站，通過南側主出入口進入廠區(qū)內，通過環(huán)形廠區(qū)內路從南側主出入口出廠，方便交通車輛流線管理[5]。混凝土攪拌站西側設置露天貨車停車位，主出入口西側設置小汽車停車位，可滿足園區(qū)一般管理人員的車輛停放及貨車的停放。

1.2 建設條件

在掌握項目基本情況的基礎上，對該地區(qū)的氣候條件進行分析，見表2。

表2 項目所在地的氣候條件

如上所述，本項目的環(huán)境條件、施工條件均已具備，基本滿足項目建設需要。

2 BIPV全生命周期碳排放計算

在對建筑一體化BIPV進行低碳設計前，需要明確在項目全生命周期當中影響碳排放量的因素，實現對其具體數值的計算。BIPV是光伏系統與建筑系統的高度集成，其全生命周期的劃分與建筑全生命周期劃分一致，可將其分為材料生產、運輸、運行、施工和拆除，共五個階段[6]。其中，材料生產階段的碳排放量可通過下述公式計算得出：

式中Cp代表材料生產階段的碳排放量；Mi代表某一種材料的消耗量；Fi代表主要建筑材料碳排放因子。

材料在運輸階段的碳排放量可通過下述公式計算得出：

式中Ct代表運輸過程中物料的碳排放量；Di代表材料的平均運輸距離；Ti代表單位重量運輸距離的碳排放因子。

在BIPV的運行階段，可以實現碳減排效果和節(jié)能效果，碳減排的計算公式為：

式中Cr代表BIPV 運行階段的碳減排量；Ce,a代表BIPV產能造成的年碳減排量；Cs代表BIPV 節(jié)能產生的年碳減排量；y代表BIPV系統的使用年限。

在運行階段，BIPV 主要通過生產無污染的電力實現減排效果。隨著時間的增加，BIPV 系統的發(fā)電量會出現衰減[7]。因此，BIPV產能所造成的年碳減排量可以利用下述公式計算得出：

式中Q代表BIPV的初始年發(fā)電量；Xa代表BIPV的衰減率；R1代表電力排放因子。

BIPV 輔助功能常為照明、空調和熱水等系統帶來增效作用，在降低建筑運營能耗的同時，還可達到節(jié)能減排的目的[8]。所以，對于BIPV 附加功能所產生的節(jié)電效果，以及與之對應的減排效果，必須進行定量分析。BIPV節(jié)能作用帶來的碳減排量為：

式中Cs代表BIPV節(jié)能作用帶來的碳減排量；Ri代表運行階段能源年節(jié)約量；FR,i代表能源碳排放因子。

在BIPV 的施工和拆除階段所產生的碳排放量可以通過下述公式計算得出：

式中Cc代表在BIPV的施工階段所產生的碳排放量；Ec,i代表施工階段能量總用量；FE,i代表某種能量碳排放因子。

對于BIPV 的拆除階段，在計算碳排放量時，可將其看作是施工的過程，因此，在拆除階段的能耗可以結合上述施工階段的計算方式進行估算。

3 建筑能源系統高效配置

建筑能源系統的合理配置，從連接形式、安裝方向、主要設備選型等三個方面進行優(yōu)化。BIPV 連接方式的選擇直接關系到建筑的節(jié)能效果和能源系統的發(fā)電效率。隨著太陽能光伏發(fā)電技術的迅猛發(fā)展，以及相關一體化產品的不斷出現，在進行建筑一體化設計時，不僅要在屋面上使用太陽能光伏發(fā)電，更要在此基礎上，將多種太陽能光伏發(fā)電方式有機地結合起來，通過對太陽能光伏發(fā)電方式的靈活選擇與組合，構筑出一套高效、節(jié)能的太陽能光伏發(fā)電系統。所以，需要明確BIPV組合型式的分類、各自的特征與應用范圍。對于BIPV安裝方向的選擇，可通過朝向和傾斜角度進行控制。圖2為BIPV朝向偏差對光伏組件效率的影響示意圖。

圖2 BIPV朝向偏差對光伏組件效率的影響示意圖

對圖2 中的內容分析得出，BIPV 的朝向應該盡量向南。同時，還要考慮到遮蔽分析的結果，以防止遮蔽效應對選取方向的影響。盡管在太陽能電池中，南方太陽能電池具有較高的效率，但這并不代表其在太陽能電池中的應用只能局限于南方。由于薄膜太陽能電池技術的不斷進步，使得該太陽能電池能夠在光照不足的情況下獲得較好的能量輸出。此外，有關研究還發(fā)現，在建筑外墻各向異性布置BIPV，可以有效地提高建筑日間能耗。因此，在BIPV 安裝方向的選取上，可以考慮建筑的各種外立面與朝向，以實現白天能量的分散。傾斜角度是指光伏組件與水平方向形成的夾角，最佳的傾斜角度是光伏組件接受年總輻射量最大時的角度。傾斜角度可以通過最佳傾角計算公式計算得出，或直接通過輻射地圖查詢獲得。

4 BIPV圍護結構熱工性能優(yōu)化

在對BIPV圍護結構設計時，將熱工性能優(yōu)化作為重點，熱工性能主要體現在傳熱系數和太陽得熱系數上，在進行熱工性能優(yōu)化時，嚴格控制這兩個數據。表3為項目所在城鎮(zhèn)建筑節(jié)能計算用氣象參數。

表3 項目所在城鎮(zhèn)建筑節(jié)能計算用氣象參數

表4記錄了圍護結構不同部位的熱工性能極限值，根據表4 中的嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能（75%）設計標準對圍護結構的相關數值進行控制。

表4 嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能（75%）設計標準

BIPV圍護結構熱工性能的優(yōu)化可以通過選擇不同的太陽能電池材料、玻璃材料等達到目的，或采用真空玻璃、雙層玻璃、雙層幕墻等構造形式，達到優(yōu)化目的。

5 BIPV低碳設計節(jié)能效果檢驗

通過上述設計可知，在建筑一體化設計過程中，其中BIPV遮陽板（遮陽件），可以在應用中通過對建筑遮陽，減少建筑在投產使用過程中的制冷負荷，從而降低建筑中的空調能耗。為更加直觀地明確BIPV 低碳設計為建筑所帶來的具體節(jié)能效益，使用計算機構建甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產業(yè)園項目單元模型，進行建筑能耗的仿真，通過此種方式得到BIPV設計所帶來的具體節(jié)能效益。建模分析方式如圖3所示。

圖3 中BIPV遮陽板（遮陽件）設計帶來的具體節(jié)能效益

圖3中BIPV遮陽板（遮陽件）設計帶來的具體節(jié)能效益在設計中發(fā)現，BIPV 遮陽板（遮陽件）能夠遮擋建筑所受到的強光照射。普通的中空幕墻在使用中對應的傳熱系數為2.8W/（m2·K），而BIPV 遮陽板（遮陽件）在使用中對應的傳熱系數為1.8W/（m2·K）。為實現對檢驗成果的量化，建立此建筑的能耗模型，計算建筑能耗模擬結果。對比BIPV 遮陽板（遮陽件）在使用中的能耗，模擬能耗計算公式如下：

式中N代表建筑能耗模擬結果；χi代表電功率；hi代表運行時長。

按照上述方式，計算中空玻璃、BIPV 遮陽板（遮陽件）在使用中的能耗。模擬后的結果表明，相比常規(guī)的建筑中空玻璃，BIPV 遮陽板（遮陽件）可以降低建筑的1.07mWh能耗。

6 結語

本文以甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產業(yè)園項目為例，開展了此次研究，明確了BIPV遮陽板（遮陽件）在使用中的節(jié)能優(yōu)勢。在此基礎上，對項目在實施中的社會效益進行分析，發(fā)現建設期內會對項目周邊地區(qū)生活、生產、環(huán)境產生一定的影響。就周邊居民而言，雖然在建設期間其生活和生產可能會受到一定的影響，但是，隨著項目的建成，將更好地促進地區(qū)經濟發(fā)展，解決當地就業(yè)等問題，最終將贏得民眾的理解和支持。