光伏幕墻在建筑工程中的運用探析

羅霄鵬

(廈門夏銳裝飾設計工程有限公司)

在傳統能源逐漸枯竭之后，世界繼續開發新能源來替代傳統化石能源。光伏是一種將太陽能轉化為直接使用的技術。作為環保節能建筑規劃的重要措施之一，合理的設計顯得尤為重要。隨著光伏技術的日益廣泛應用，光伏建筑集成技術（BIPV）應運而生。BIPV 全稱是Building Integrated Photovoltaic，是在建筑物圍欄的表面上安裝光電元件，以作為建筑物的功能部分提供電力，取代屋頂、立面、遮陽篷等傳統建筑設計。作為光伏建筑一體化的重要形式，有必要對其展開詳細的分析，深入研究其在建筑光伏一體化中的應用。

1 光伏幕墻的內涵及特點

1.1 光伏幕墻的內涵及分類

光伏幕墻，是將用于光伏發電晶體硅材料，與幕墻向結合的一種新型幕墻形式。其中光伏發電元件放置在兩層玻璃之間，正負極從玻璃板塊上端接入，下端接出，直流電通過預埋在幕墻骨架腔體內的導線，匯聚至逆變器，經過逆變器作用，將直流電轉換成交流電，后存儲至蓄電池中，也可連接建筑物用電網絡，自用或外接國家電網享受并網發電收益。目前，光伏外墻有2 種主要的技術模型，即晶硅幕墻、非晶硅幕墻。晶硅幕墻光伏組件由多晶硅或單晶硅制成，具有光伏轉換效率高、安裝尺寸小、生產材料成熟、技術成熟等優點。缺點是立面的透光性差，在高溫和低光條件下工作不佳。光伏幕墻早期發展是幕墻立面屋頂的延伸，立面的照明度和美學標準應高于普通幕墻，因此原始的晶體硅材料需要更高的透光率。盡管非晶硅光伏幕墻的發展相對較晚且光電轉換效率低于晶硅光伏幕墻、但是其擁有良好的透光性，可在高溫和低光條件下工作[1]。

1.2 光伏幕墻的特點

1.2.1節能

建筑圍護結構采用光伏幕墻，可直接吸收太陽能，避免墻體和屋頂溫度過高，可有效降低墻體和屋頂的溫度，降低空調的空氣負荷，降低空調能耗。

1.2.2環保

光伏立面使用太陽能發電，不需要燃料，也不會產生廢熱、廢氣和噪音。

1.2.3實用

減少高峰時期的電力需求，解決電力短缺地區的電力供應問題。可以在當地使用，以降低運輸過程的成本和能耗；同時，光伏陣列的放置將建筑結構整合為一個整體，以避免額外占用寶貴的建筑面積，從而使光伏系統不必使用單獨的支撐結構。

1.2.4效果

光伏立面本身具有很強的裝飾效果。中空玻璃夾層光伏板塊可采用不同顏色的光電模塊，使建筑充滿藝術表現力。同時，光伏幕墻板塊背面可以涂上不同的顏色，以適應不同的建筑風格。

2 光伏幕墻在建筑工程中的應用要點

2.1 前期準備工作

⑴在決定采用光伏幕墻前，應做好前期項目規劃，做到與主體設計同步進行，根據建筑外觀及節能要求，可在采光要求較高部位設置薄膜光伏幕墻，在結構墻體（層間梁板、構造柱、砌體等）設置晶硅體光伏幕墻。

⑵必須嚴格審定施工方案，提高設計和施工可行性，保證施工技術的科學應用。例如：應考慮采用單元板塊裝配式幕墻，作為光伏幕墻主體架構，一是便于維護更換，二是提高光伏幕墻整體質感，減少安裝光伏組件造成滲漏風險。

⑶充分考慮經濟效益，應根據建筑物特性，采取局部或者整體加裝光伏幕墻；或者采用局部光伏幕墻和分布式光伏發電站相結合的方式，做到利益最大化。

⑷與開發單位充分溝通，了解對方心理預期（資金投入、發電用途、回報周期等），匹配相應的設計方案。

2.2 制定實施細則

⑴充分了解當地綠色建筑相關政策，做到施工提前申報。

⑵做好幕墻與光伏同步設計，同步施工，減少交叉作業。

2.3 培訓施工團隊

在明確設計方案后，應第一時間組織設計交底，將光伏幕墻所涉及專業知識向管理人員和施工人員詳實交底，包括施工中的重難點分析及解決方案、質量保證措施、安全保證措施等，使其掌握相應施工方案，心中有數。在實際工作中執行落實，動態化常態化監管。并積極組織培訓和其他活動，以促進員工的全面發展。

因光伏幕墻的特殊性，其與常規幕墻設計施工團隊有較大區別。這邊大致將團隊劃分為設計團隊（幕墻設計、光伏設計）、施工團隊（幕墻施工、光伏施工）。光伏設計除需要掌握常規幕墻設計知識外，還需要了解不同光伏板塊發電效率和散熱需求，需掌握一定的強弱電知識；光伏施工團隊除需要掌握必要的幕墻施工規范外，還需要掌握強弱電施工要求，了解設備基本維護和安裝等專業知識。

2.4 提高過程把控

⑴對于施工誤差和質量要求，必須嚴格控制。

因光伏發電板塊正負極接電口需嚴絲合縫，因此對于施工誤差要求較嚴格，常規幕墻誤差在±10mm 以內，光伏幕墻則要求在5mm以內。

⑵光伏板塊玻璃一般采用超透亮鋼化玻璃，因此對于施工環境要求較為嚴苛，傳統的交流弧焊容易探傷玻璃，如需焊接，建議采用氬弧焊接。

⑶對于建筑材料，必須嚴控采購質量，減少因殘次品導致的后期維修更換。對建筑材料進行分類、清點、計數。采購人員應對清單所列物資有全面了解，明確材料性能和進場所需品控資料，做好現場材料檢查，對于主要材料構件，應及時抽樣送檢，確保其符合要求，然后才能用于項目建設[3]。

2.5 制訂風險預案

當發生不同安全等級的事故時，施工單位應制訂相應的預防方案。

⑴根據現場施工過程中發現的安全隱患，采取相應預案，消除安全事故隱患。例如，在幕墻玻璃面板和窗扇的施工階段，可拆卸幕墻在大多數情況下是可插拔、緊湊和模塊化的。然而，由于板塊較重，現場作業人員較多。為防止升降玻璃單板脫落和注膠危及建筑周圍施工人員的安全，施工人員必須將插入的拖車插入槽中，并用膠帶將連接處粘牢，以牢固地定位玻璃面板。

⑵在規劃安全方案時，必須根據施工現場的實際情況制訂適當的安全措施。使用電動吊籃時，必須單獨編制操作手冊和“吊籃安全”設計方案，并由專門機構負責對整個施工過程進行檢查，發現問題并及時處理，確保施工安全有序。

⑶管理和施工人員應了解事故造成的潛在安全風險或安全風險，包括召開會議、發出通知、查明安全事故的原因和預防措施，提高幕墻團隊的安全意識，以避免重復類似的安全問題。

3 光伏幕墻在建筑工程中的案例分析

3.1 光伏幕墻施工案例

泉州XX 國際中心幕墻及BIPV 工程解析：本工程位于泉州市豐澤區東海大道，屬于東海新城CBD 總部大樓配套設施。建筑物高147.5 米，共計35 層，分為塔樓及裙樓兩部分。核心筒位置使用型鋼混凝土，主體結構采用框架混凝土，幕墻采用框架式玻璃幕墻與層間金屬幕墻相結合方式。

3.2 設計規劃

建筑物原設計未考慮采用BIPV，后經專業公司推薦，業主采納后進行二次設計。根據結構及幕墻自重、風壓和荷載進行計算，在原幕墻設計方案的基礎上，考慮采用更換光伏面板及加裝光伏發電組件進行安裝。考慮通風散熱和采光要求，考慮光伏發電經濟效益最大化，經過溝通，最終擬定在建筑物的11層、24層、屋面層三個位置的玻璃幕墻改造成BIPV，根據業主意見采取自儲自用形式進行適當配置。通過分析建筑特征、生態條件、氣候條件、安裝條件、太陽能光源、防水性能等方面的研究，確定該建筑完全滿足BIPV的建設條件[4]。

詳細部位如圖1、圖2：

圖1

圖2

圖中云線為擬建BIPV部位，11層、24層原設計為設備層及物業用房，對采光和通風要求較低，具備改造條件；屋面層為挑高6 米鋼結構，無使用要求，也具備安裝條件。工程量如表1所示：

表1 BIPV光伏幕墻工程量清單

3.3 技術方案與設備選型

3.3.1光伏組件的選擇

該項目擬采用打孔式多晶硅光伏玻璃板塊，透光率達到45%，整體發電效率達到79%，材料滿足規范的要求。發電衰減率為10年發電量減少10%，20年內將產量減少20%。

3.3.2經濟適用性研究從表2 所知，原玻璃幕墻造價約為72 萬，BIPV 改造費約為210萬，實際增加成本138萬。

表2 光伏幕墻（設計、施工）報價匯總

表3 投資收益分析

3.3.3模塊化設計

本項目的光伏系統采用模塊化安裝，既節約施工成本，提升效率；又減少從光伏模塊到逆變器的直流電纜消耗，減少系統線路損耗，提高整體系統效率[6]。

3.4 應用效益分析

3.4.1經濟效益分析

在不可再生能源日益緊缺和環境污染日益嚴重的情況下，世界各地都在倡導發展使用綠色能源。光伏幕墻的最大優勢是將建筑圍欄設計、節能要求與太陽能利用完美結合，使建筑本身可以利用太陽能資源發電，產生的電力可用于建筑物，降低建筑物的能源成本。同時，可以在一天中的高峰時段供電，以緩解用電高峰；也可將多余的電力賣給國家電網。隨著可再生能源利用科學技術的發展，BIPV 等光伏技術將不斷推陳出新，目前BIPV 技術不僅可以使用在玻璃上，還可做成仿石、仿金屬等各種外立面材質效果，代替原有材料，達到節能減排綠色環保的效果。

我們相信，隨著全球能源短缺和原油價格飆升，傳統化石能源發電成本將會不斷上升。因此，雖然目前光伏幕墻的成本較高，從成本效益分析的角度來看，不可能大范圍采用。但考慮到光伏發電成本會隨著技術發展和消費增長而下降，屆時，光伏幕墻的經濟效益將顯而易見。

3.4.2社會效益分析

氣候變暖增加全球性自然災害的發生頻率和強度，與碳排放密切相關。我國最新環保政策簡稱“雙碳”，即“碳達峰”和“碳中和”，就是國家承諾在2030 年前，二氧化碳的排放不再增長，達到峰值之后再慢慢減下去；到2060 年，針對排放的二氧化碳，要采取植樹、節能減排等各種方式全部抵消掉，這就是“碳中和”。

使用太陽能光伏發電替代部分傳統化石燃料能源，可節油或節煤，減少二氧化碳排放量，這間接產生巨大的經濟效益，其社會效益更是顯而易見，并得到全社會的認可。

4 結束語

光伏幕墻技術是一項綜合設計，需要在綜合考慮建筑環境、建筑美學、整體效果、投資規模和其他因素的基礎上進行仔細的規劃。它還需要建筑、電力和其他學科的共同努力和協作。如今，光伏幕墻技術以其優越的性能，正在引領從能源密集型建筑到生產性建筑的時代潮流，真正讓建筑做到“自呼吸、自節能、自環保”，必然將在不久的未來得到廣泛的推廣和應用。