建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計現(xiàn)狀及發(fā)展分析

鄭秀春，張浩波，楊科

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.建科環(huán)能科技有限公司，北京 100013）

0 引言

在世界各國大力發(fā)展清潔能源，中國宣布2030 碳達峰，2060 碳中和的時代背景下，光伏發(fā)電是最重要的可再生能源獲取手段之一。隨著光伏技術(shù)的飛速發(fā)展，分布式光伏發(fā)電度電成本從最初的8 元降到約1.2 元。根據(jù)《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標準》（JGJ/T 346-2014）的數(shù)據(jù)[1]，我國不同地區(qū)水平方向的平均太陽總輻射照度在75 ～255W/m2左右，南立面平均太陽總輻射照度在74 ～191W/m2左右，東西立面平均太陽總輻射照度在40 ～136W/m2左右，北立面平均太陽總輻射照度在24 ～74W/m2左右，經(jīng)計算，理想條件下15%的光電轉(zhuǎn)化率、平均輻射照度100W/m2時每平方米年發(fā)電131°左右。而我國建筑體量巨大，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計[2]，我國建筑面積約400 億m2，折算屋頂面積約40 億m2，南立面約50 億m2，利用光伏發(fā)電具備廣闊的應(yīng)用前景。政策方面，全國多地相繼出臺光伏新能源應(yīng)用相關(guān)的補貼政策。

建筑圍護結(jié)構(gòu)中可再生能源的利用目前以光伏為主，按安裝位置不同分為屋面光伏與立面光伏，按與圍護結(jié)構(gòu)的復(fù)合方式可以分為BIPV（Building Integrated Photovoltaic）和BAPV（Building Attached Photovoltaic）。BIPV 光伏組件產(chǎn)品的類型、應(yīng)用形式均越來越受關(guān)注，相較BAPV 更具優(yōu)勢。光伏與圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)合應(yīng)兼具兩者的功能和性能。盡管BIPV 在建筑圍護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景誘人，但實際應(yīng)用過程中仍存在一定的挑戰(zhàn)：第一，前期投資高，發(fā)電收益低，投資回收周期較長；第二，供應(yīng)鏈尚不成熟，還沒有形成成熟、低成本的產(chǎn)業(yè)鏈；第三，光伏面板加裝在幕墻上不夠美觀；第四，市場上很多的光伏面板結(jié)構(gòu)強度不夠；第五，運維復(fù)雜，成本高，需專人維護；第六，光伏面板破損率較高，更換成本高。

邊萌萌，張昕宇等[3]通過對光伏組件作為建筑墻體材料和外窗材料的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，提出現(xiàn)階段光伏組件在建筑立面應(yīng)用的相關(guān)標準所有欠缺。徐偉等[4]得出現(xiàn)有光電建筑相關(guān)標準側(cè)重于建筑用光伏組件/光伏發(fā)電系統(tǒng)等產(chǎn)品，光電建筑工程的相關(guān)標準較少。邊萌萌，李博佳等[5]通過開展多類型建筑光伏一體化技術(shù)綜合實驗，實踐建筑光伏深度融合的零碳建筑路徑，為我國光電建筑發(fā)展提供技術(shù)參考。

本文在此基礎(chǔ)上，分析了當前光伏圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的主要問題，提出了應(yīng)建立圍護結(jié)構(gòu)與光伏組件一體化設(shè)計、規(guī)范化的系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計和施工方法體系，制定設(shè)計標準圖集以規(guī)范項目設(shè)計、施工及驗收，保障行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

1 建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計中存在的問題概述

伴隨著建筑圍護結(jié)構(gòu)中光伏應(yīng)用項目越來越多，設(shè)計中性能及安全不滿足、設(shè)計不合理、外觀效果不理想、發(fā)電效率不高、設(shè)計不規(guī)范等各種問題日益突出。

1.1 材料混淆使用不滿足性能及安全要求

有的設(shè)計將光伏電站用的光伏組件混同于光電建材，雖滿足光伏組件的性能要求，但并不一定滿足建筑幕墻等圍護結(jié)構(gòu)的性能要求和結(jié)構(gòu)、電氣及消防安全要求。以某廠家光伏面板產(chǎn)品為例，它的面板構(gòu)造為3.2mm 光面玻璃（或壓花超白）+EVA 膠+電池+POE 膠+3.2mm 鋼化玻璃。以其標準層壓機最高效的生產(chǎn)效率來進行生產(chǎn)，外層玻璃最厚只能做到3.2mm，與幕墻的最小6mm 厚度標準要求有沖突，會導(dǎo)致抗風(fēng)壓能力不足。

1.2 耦合性設(shè)計發(fā)電效率低

為滿足建筑外觀需求，很多情況需要在色彩、紋理、形狀、尺寸等方面做改變，這種改變會使光伏面板發(fā)電效率變低。除此之外，位于立面的光伏板難以滿足最佳傾角要求，導(dǎo)致發(fā)電量更低。這種未經(jīng)統(tǒng)籌的設(shè)計也導(dǎo)致了前期投資高，但發(fā)電收益低，投資回收周期較長。

1.3 設(shè)計不規(guī)范忽略標準支撐作用

有的項目建筑立面層間設(shè)計光伏幕墻，其面板與保溫構(gòu)造多遵循經(jīng)驗設(shè)計，忽略標準支撐，設(shè)計不規(guī)范，雖按幕墻性能要求，但無法落實其構(gòu)造設(shè)計是否滿足抗風(fēng)壓性能、保溫隔熱性、防排水性、耐久性、防火性能、散熱等要求。

1.4 缺少針對性標準支撐

建筑外圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)標準主要多為外圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計、功能和性能要求、施工、驗收內(nèi)容，如《建筑幕墻》GB/T21086-2007、《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003、《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》JGJ255-2012 等，并沒有涉及光伏方面內(nèi)容；而光伏相關(guān)標準則側(cè)重光伏發(fā)電系統(tǒng)、設(shè)備或光伏組件，如《建筑光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標準》GB/T51368-2019，對建筑外圍護結(jié)構(gòu)的功能和性能要求涉及極少。目前的各種標準對于建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不夠詳盡，表達不夠直觀。故導(dǎo)致建筑光伏外圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計無切實的標準可依可參照。且規(guī)范體系雖龐大，圖集標準極少。僅有的《建筑太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計與安裝》（16J908-5），其相關(guān)外圍護的詳圖也僅為表達示意，無法直接應(yīng)用。且隨著《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》（GB55001-2021）、《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB55015-2021）等新規(guī)范標準的實施，建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用的構(gòu)造及性能要求也隨之提高。缺少相應(yīng)的設(shè)計標準支撐。另如光伏組件與建筑幕墻或屋面的連接、運維更換等節(jié)點構(gòu)造仍有待進一步研究和補充完善。

綜上，建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計的各種問題，除了管理方面，歸根結(jié)底為設(shè)計不規(guī)范或無標準支撐導(dǎo)致。相關(guān)規(guī)范為推動行業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，但是建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計標準圖集亟須補充。需盡快彌補設(shè)計標準圖集的缺失，以規(guī)范設(shè)計工作，提高設(shè)計質(zhì)量，更好地響應(yīng)建筑設(shè)計創(chuàng)作，使光電建材完美融入建筑設(shè)計理念，更好地推動其發(fā)展應(yīng)用。

2 光伏組件及建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

2.1 光伏組件類型及應(yīng)用

光伏組件（PV）指具有封裝及內(nèi)部聯(lián)結(jié)，能單獨提供直流電輸出的最小不可分割的光伏電池組合裝置[6]。其技術(shù)發(fā)展直接影響圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)。按其發(fā)展階段光伏組件大致可分為三代[7-8]，如表1 所示。

表1 光伏組件按發(fā)展階段分類及特點

根據(jù)有效工作面的不同，光伏組件有單面光伏組件和雙面光伏組件。目前應(yīng)用多為單面光伏組件，雙面光伏組件應(yīng)用在光照及面層條件良好的情況下。項目合理設(shè)計選用雙面或單面光伏組件，目的為提高光伏組件綜合發(fā)電效率。

隨著技術(shù)發(fā)展進步，光伏組件由硅基類發(fā)展到薄膜類，到鈣鈦礦、染料敏化等新型組件，從單面光伏組件到雙面光伏組件，新型組件發(fā)電效率不斷提高，其成本有較大下降空間，具備巨大的降碳潛力。故，光伏圍護結(jié)構(gòu)成為建筑圍護結(jié)構(gòu)低碳發(fā)展的重要方向。

2.2 封裝材料的應(yīng)用

光伏組件的發(fā)電效率及使用年限與電池封裝材料直接相關(guān)。封裝材料的選擇，應(yīng)保證良好的防水密封和絕緣性，滿足機械強度和耐老化、耐腐蝕性能，具有極好的透光性、粘結(jié)可靠性、可加工工藝性，同時應(yīng)考慮其經(jīng)濟性。目前可采用的封裝材料有EVA 膠膜、PVB 膜、POE 膜等。各封裝材料都因其獨有的材料特性而有一定局限性，如幕墻玻璃應(yīng)用中行業(yè)經(jīng)驗仍多為PVB 膜，而EVA 膜多為室內(nèi)應(yīng)用。但在項目應(yīng)用中各使用方大多據(jù)發(fā)電效率擇優(yōu)選擇，而忽略了強度等其他方面的要求。目前各廠家在不斷積極研究探索新型材料應(yīng)用。

2.3 光伏在建筑圍護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用形式

隨著光電轉(zhuǎn)化效率不斷提升，與建筑結(jié)合的分布式光伏發(fā)電項目也逐年增多，其應(yīng)用形式也在不斷更新。除了BIPV 與BAPV、屋面光伏與立面光伏的區(qū)分。按照透明度不同還可以分為透明光伏幕墻和不透明光伏幕墻。不同類型、顏色、位置、組合的應(yīng)用，使得業(yè)內(nèi)不斷涌現(xiàn)嶄新的項目應(yīng)用形式。

2.4 交叉學(xué)科綜合一體化設(shè)計

建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)是交叉學(xué)科，光伏與建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計缺一不可。兩個行業(yè)存在很大差別，普遍存在建筑不懂光伏、光伏不懂建筑的問題，導(dǎo)致具體設(shè)計實施比較模糊。加之當前建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中存在初期成本高、結(jié)構(gòu)強度不足、不夠美觀、尺寸版面受限等問題，阻礙了光伏技術(shù)在建筑中的有效推廣。建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)從建筑本體設(shè)計出發(fā)，注重建筑、結(jié)構(gòu)、圍護、光伏、電氣各科綜合優(yōu)化設(shè)計，提高系統(tǒng)運行效率，實現(xiàn)建筑節(jié)能降耗目標和全生命期的降碳。

3 建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展趨勢分析

建筑光伏技術(shù)在節(jié)能降碳、提升建筑美學(xué)等方面具有突出優(yōu)勢，且高度契合雙碳目標，符合全球綠色發(fā)展趨勢。

3.1 政策方面

光電屬性貼合節(jié)能減排大趨勢，因此我國明確“碳達峰、碳中和”目標后，相關(guān)鼓勵補貼政策密集落地。且各地政策不斷出新，呈利好趨勢。

3.2 成本方面

當前光伏發(fā)電的成本已有大幅度下降，發(fā)電效率持續(xù)提高，投資分布式建筑光伏取得效益已成為合理的商業(yè)模式。BIPV 項目應(yīng)用面積較小時，運維的投入產(chǎn)出比高，故大中型項目更具投資價值。而隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，BIPV 成本仍有較大的下降空間，包括組件價格下降、BIPV 項目設(shè)計經(jīng)驗增加、規(guī)模化后單平造價增量降低等。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，運用高效組件來降低度電成本已成為行業(yè)共識。新型高效光伏組件也在不斷涌現(xiàn)。在經(jīng)濟性方面，已具備一定發(fā)展基礎(chǔ)。

3.3 技術(shù)方面

光伏建材產(chǎn)品及建筑圍護結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)造技術(shù)是關(guān)鍵。安全是基本底線。光電建材不同于日常光伏電站上使用的光伏組件，不僅要達到光伏組件的各項性能要求，同時要滿足建筑幕墻的三性或五性實驗要求和建筑物安全性能要求，因此需要有比普通光伏組件更好的力學(xué)性能和不同的結(jié)構(gòu)方式。消防安全性方面，有防火要求的應(yīng)同時滿足防火安全要求。傳統(tǒng)的光伏面板存在的發(fā)熱和起火等安全問題已基本得到解決。新的產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展，使得色彩、肌理、尺寸規(guī)格、形狀等方面也有了一定的選擇空間。在滿足需求的前提下，可實現(xiàn)理念、形式與功能的有機平衡。隨著行業(yè)發(fā)展需求及標準化的推廣，技術(shù)標準體系必將不斷完善。

以保障圍護、采光、遮陽、防水、隔熱等功能。建筑應(yīng)用中光伏組件的抗風(fēng)壓性能、防排水、耐久性、防火性能，以及光伏組件與建筑幕墻或屋面的連接、光電光熱綜合利用等關(guān)鍵技術(shù)性能和節(jié)點構(gòu)造方面仍有待深入研究和補充完善。

4 結(jié)論

本文通過對建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計的現(xiàn)狀問題及發(fā)展趨勢進行研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）為對建筑光伏圍護結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用提供有力支撐，實現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)的主動降碳，需對相關(guān)技術(shù)要點進行分析整理，制定相關(guān)應(yīng)用設(shè)計標準圖集用于指導(dǎo)實際工程應(yīng)用，從而推動整個行業(yè)的健康發(fā)展。

（2）通過多學(xué)科綜合性能化設(shè)計，將建筑與產(chǎn)品、透光性、色彩肌理、設(shè)備支撐等因素有機結(jié)合，才能成就完美的項目實踐。

（3）在降碳背景下，光伏建筑一體化的應(yīng)用作為建筑產(chǎn)能和碳補償?shù)闹匾夹g(shù)，已成為行業(yè)的共識。建筑光伏一體化整合設(shè)計應(yīng)從建筑本體設(shè)計出發(fā)，利用設(shè)計手段的優(yōu)先介入，結(jié)合現(xiàn)有不斷提升的技術(shù)，實現(xiàn)全生命期的減碳設(shè)計。

（4）為實現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)的主動降碳，還需要不斷創(chuàng)新研究新的光伏圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。新技術(shù)、新材料與新產(chǎn)品的出現(xiàn)，也為新能源主導(dǎo)下的建筑減碳設(shè)計及行業(yè)綠色發(fā)展創(chuàng)造無限的可能。