高層辦公建筑的BIPV改造設計研究

中圖分類號：TM615/TU972+.9文獻標志碼：A

0引言

隨著碳中和目標逐漸成為人類命運共同體的發展共識，千行百業的綠色低碳轉型任務已提上日程，光伏發電作為1種綠色無污染的可再生能源利用方式，將在推動碳中和這一重要目標實現過程中扮演主力軍的角色，而光伏建筑一體化（BIPV）技術，已成為分布式光伏發電的重要發展趨勢之一。

本文以成都市華西證券辦公樓的BIPV改造項目設計為例，對此類高層辦公建筑BIPV改造時的設計方法和施工工藝進行研究，并對作為應急供電系統的儲能系統進行闡述，以期研究結果可對成都地區既有高層辦公建筑的BIPV改造提供設計思路和參考。

1項目分析

1.1項目基本概況

成都市地處中國西南地區、四川盆地西部，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，根據GlobalSolarAtlas網站提供的數據，該市的年平均水平面總輻射量為

華西證券辦公樓位于成都市高新區吉慶三路以東，天府二街以北，建筑呈南北朝向，由1棟5層的裙樓和1棟18層的塔樓組成，總占地面積為 ，其鳥瞰圖如圖1所示。

華西證券辦公樓改造前的外立面材料主要由外掛花崗巖、鋁板和中空玻璃幕墻構成，立面設計屬于典型的藝術裝飾風格（ArtDeco），該建筑改造前的立面圖如圖2所示。

1.2項目日照時長分析

通過SunflowerforRhino軟件對華西證券辦公樓的日照時長進行模擬分析，以確定改造時安裝光伏組件的區域，日照時長分析結果如圖3所示。

由圖3可知：該建筑的南側立面的最大日照時長可達 8h ；東側與西側立面的最大日照時長均可以達到 6h ；而北側裙樓屋頂受建筑塔樓自身的陰影遮擋影響，日照時長較短，不宜進行光伏組件的鋪設。因此，該建筑的光伏組件安裝區域選定為除所有裙樓的1層及北側裙樓屋頂之外的其他所有區域。

1.3項目用電需求分析

該建筑內不僅日常辦公區域具備不同的用電需求，還單獨設有需 24h 不間斷運轉的信息機房，因此，應急情況下的供電保障措施是建筑BIPV改造過程中需要重點考慮的問題。

1.4項目改造空間分析

與低層和中層建筑不同，高層建筑在縱向尺度空間上擁有更大的優勢，這使其擁有更大的立面空間，其立面面積總和遠大于屋頂面積。當水平面空間的光伏組件安裝區域相對有限時，高層建筑向上延伸的立面空間便為光伏組件安裝提供了足夠的場地。

此外，由于立面空間接收到的太陽直射角度往往不低于 ，因此，弱光性能好的光伏組件才能克服這種限制，使建筑立面光伏組件的發電效率最大化。

隨著建筑高度的增加，風力對光伏組件穩定性的影響也會隨之增大，光伏組件安裝的牢固性也需要得到達到更高的標準要求。

1.5項目采光需求分析

采光作為辦公建筑需重點考慮的功能之一，國家標準及行業規范均對其提出了相應要求。根據JGJ/T67—2019《辦公建筑設計標準》1的要求，辦公室、會議室的采光等級為II級，其辦公室的側面采光的采光系數標準值為 3.0% ，室內天然光照度的標準值為 450lx ；頂部采光的采光系數標準值為 2.0% ，室內天然光照度的標準值為300lx ，具體如表1所示。

根據JGJ/T67—2019[1]的要求，辦公室、會議室的采光等級為III級，對于側面采光的辦公室，其窗地面積比需達到 1/5 ，具體如表2所示。

根據JGJ/T67—2019[1]，辦公建筑辦公室的采光口離地面高度在 0.75m 以下的部分不計入有效采光面積。結合表1及表2的要求，本建筑的外立面采光部分對應的光伏組件透光度及光伏組件安裝位置的選擇是本次改造方案中需著重考慮的內容。

2建筑的BIPV設計

2.1光伏組件選型

目前，應用于民用領域的光伏組件主要為晶體硅光伏組件、碲化鎘（CdTe）薄膜光伏組件及銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏組件3類，下文分別對這3類光伏組件進行分析。

2.1.1晶體硅光伏組件

1954年，美國貝爾實驗室成功研制出世界上第1塊晶體硅太陽電池，由此拉開了此類太陽電池的發展序幕。作為迄今為止發展時間最長、技術最為成熟的太陽電池類型，晶體硅太陽電池較好的光電轉換效率與較低的成本價格使其市場份額占比較大[2]。根據中國光伏行業協會（CPIA）發布的《2023—2024年中國光伏產業年度報告》，截至2023年年底，全球光伏組件產能和產量分別達 1103GW 和 612.0GW ，同比分別增長61.6% 和 76.2% ，展示出持續快速增長態勢。從光伏組件生產類型來看，晶體硅光伏組件依然是市場主流，尤其在在集中式光伏電站場景中，晶體硅光伏組件有著不可撼動的地位。在BIPV場景中，當晶體硅光伏組件采用水平狀態鋪設在屋頂時，太陽高度角越接近 ，晶體硅光伏組件的發電效率越高，因此，在本建筑屋頂區域的光伏組件鋪設時，選用晶體硅光伏組件將能最大程度發揮其發電效率高的優勢。

2.1.2CIGS薄膜光伏組件

CIGS薄膜光伏組件因具有生產成本低、材料用量少、制造工藝相對簡單、高溫性能好、弱光響應好的優點，受到廣泛關注[3]，且其可解決光伏組件在建筑立面鋪設時日照角度不理想的問題。因此，此類光伏組件在一定程度上成為了BIPV場景下的可選材料之一。雖然CIGS薄膜光伏組件的生產成本低，但由于其材料成本較高，且需要用到銦（In）和鎵（Ga）等稀有金屬，而這些稀有金屬的市場供應量相對有限。因此，本建筑不考慮采用CIGS薄膜光伏組件。

2.1.3CdTe光電玻璃

1982年，美國Kodak實驗室用化學沉積法在p型CdTe結構上制備1層超薄的CdS，成功制備了光電轉換效率超過 10% 的異質結 p -CdTe/n-CdS薄膜太陽電池，這也是CdTe薄膜太陽電池的原型。

目前，全球范圍內具備大規模量產CdTe薄膜光伏組件的企業主要有美國的FirstSolar公司，中國的凱盛科技集團有限公司、龍焱能源科技（杭州）股份有限公司和中山瑞科新能源有限公司[3。CdTe薄膜光伏組件是自前產業化最為成功的薄膜光伏組件，具有理論光電轉換效率高、弱光性能好、光吸收系數高、溫度系數低、重金屬排放量低、外觀可塑性高、透光性更好等優點，因此，將CdTe薄膜光伏組件與玻璃進行封裝形成的CdTe光電玻璃擁有更好匹配BIPV項目立面美學要求的特質。

成都市的年平均水平面總輻射量相對較低，BIPV建筑所采用的光伏組件需具有較強的弱光性優勢，因此，本建筑立面進行BIPV改造時以CdTe光電玻璃作為首選材料。

2.2呼吸式雙層幕墻的設計

光伏組件在進行光伏發電時會產生大量的熱量，將其應用于建筑幕墻時需考慮通風散熱問題，因此以呼吸式雙層幕墻作為建筑幕墻改造時的首選方案。通常，呼吸式雙層幕墻主要分為內循環式雙層幕墻和外循環式雙層幕墻兩種[4]。為了進一步降低能耗，減少機械通風設備的使用，本建筑主要采用以自然通風為主的外循環式雙層幕墻，其剖面圖如圖4所示。

該外循環式雙層幕墻的內層主要以建筑的現有圍護結構為主，包含玻璃幕墻區域、鋁板區域及外掛花崗巖區域這3種采用不同材質的區域；外層則計劃以CdTe光電玻璃為主。該外循環式雙層幕墻的內層分區圖如圖5所示。其外層與內層保持 距離，并在玻璃幕墻區域、鋁板區域及外掛花崗巖區域所對應的外層區域分別選用了不同類型的CdTe光電玻璃，使建筑BIPV改造完成之后的效果能夠最大限度的還原建筑既有的ArtDeco風貌。

2.3CdTe光電玻璃的選型與設計

為了將具有一定透光率的CdTe光電玻璃（下文簡稱為“透光CdTe光電玻璃”）更加有效地納入采光面積計算，其鋪設區域更多選擇在了采光口離地面高度 0.75m 以上且與現有窗戶可開啟面所對應的區域，以保證內層懸窗的正常開啟。

在通過反復試驗與測算之后，為保證辦公建筑側面采光的辦公室采光系數標準值不低于 3% 室內天然光照度標準值不低于 450lx ，最終選定了透光率為 50% 、尺寸為 1600mm×1200mm 、額定功率為 130W 的透光CdTe光電玻璃，UL防火等級為Class A。

不同太陽輻照度下透光CdTe光電玻璃的短路電流 開路電壓 V 和輸出功率 P//F 曲線如圖6所示。

由圖6可知：當開路電壓一定時，隨著太陽輻照度的增加，短路電流和輸出功率均呈增長態勢。但即使是在低太陽輻照度 時，透光CdTe光電玻璃的最大短路電流和最大輸出功率仍能分別達到 0.3A 和 20W ，說明其弱光性較好。

不同環境溫度下透光CdTe光電玻璃的 I-V 曲線如圖7所示。

由圖7可知：開路電壓隨環境溫度升高而下降，每升溫 ，開路電壓下降 0.25%～0.30% 0

為了更好地提升光伏組件的總發電量，除上述鋪設透光CdTe光電玻璃的區域之外，每個樓層采光口以上至梁以下的區域及采光口離地面高度 0.75m 之間的區域，選用額定功率更高的非透光的標準版CdTe光電玻璃，以此提升立面空間整體的光伏組件鋪設率。每塊標準版CdTe光電玻璃的尺寸為 1600mm×1200mm 、額定功率為 280W ，UL防火等級為ClassA，外循環式雙層幕墻的CdTe光電玻璃分布圖如圖8所示。

對于本建筑中原有的外掛花崗巖組成的豎向線條區域，對花崗巖做了拆卸處理，并保留原有的鋼結構主體構架，作為光電玻璃支撐結構，以實現二次利用。為了保持該建筑的原有風貌，此區域的光電玻璃采用仿石材CdTe光電玻璃。根據仿石材CdTe光電玻璃的具體尺寸，增設與之匹配的次龍骨后進行逐一安裝。每塊仿石材CdTe光電玻璃的尺寸為 1200mm×400mm ，額定功率為 65W ，UL防火等級為ClassA。仿石材CdTe光電玻璃鋪設后的效果圖如圖9所示。

在建筑樓板位置所對應的外循環式雙層幕墻的外層區域，還設有 350mm 高的通風百葉，以實現每層樓幕墻中空區域的空氣循環，這也是針對光伏組件日常發電升溫的主要解決措施。

內外層幕墻之間所設定的 間距，本身就在一定程度上阻隔了光伏組件工作時所帶來的大量熱量，同時當冷空氣通過樓板處的通風百葉進入空腔時，受光伏組件溫度影響會逐漸升溫，從而上升至上層樓板處的通風百葉排出，形成了外循環式雙層幕墻層間空腔的空氣微循環體系，并以這種方式將光伏組件所產生的大量熱量排出室外，為人們日常辦公提供更為舒適的工作環境。外循環式雙層幕墻中空區域的空氣循環原理如圖10所示。

2.4屋頂區域光伏組件的選型與設計

由于建筑裙樓與塔樓的屋頂區域擁有可以接收太陽輻射的最大角度，且在該區域安裝光伏組件對建筑立面安裝的光電玻璃的影響也最小，因此該區域采用發電效率更高的晶體硅光伏組件進行平鋪，作為立面裝機容量的補充。單塊晶體硅光伏組件的尺寸為 2278mm×1134mm ，額定功率為 580W ，IEC防火等級為ClassC。

塔樓與東側裙樓屋頂晶體硅光伏組件的鋪設效果圖如圖11所示。

2.5建筑的光伏發電總裝機容量

對本建筑不同區域的光伏發電總裝機容量進行統計，統計結果如表3所示。

根據表3可知：塔樓和東側裙樓屋頂的光伏發電總裝機容量為 465.74kW ，立面的光伏發電總裝機容量為 1685.9kW 。由此可知，本建筑采用的光伏組件的總裝機容量約為 2.15MW 。

2.6光伏組件發電量統計

對本建筑不同區域的首年光伏發電量進行計算，計算結果如表4所示。

根據表4可知：塔樓和東側裙樓屋頂區域光伏組件首年發電量為 349119kWh ，立面CdTe光電玻璃的首年發電量為 703447kWh 。由此可知，本建筑首年的光伏發電量預計達105.96萬kWh ，光伏組件全生命周期25年的總發電量預計達2417萬kWh。從已有電費清單中獲悉，該建筑1年的用電量約為420.41萬 kWh ，而光伏發電的首年發電量約占1年用電量的 25.20% 由此可知，日光伏發電量暫時無法完全滿足辦公大樓的用電需求。因此，該建筑的光伏發電量暫時考慮全部自發自用，不做余電上網的考慮。

此外，若碳排放因子按照 進行計算，當該建筑25年的光伏總發電量為2417萬kWh時，預計將減少 20754.78t 的 排放量，生態效益顯著。

3儲能系統

本建筑配備了儲能系統，除了可為信息機房在遇到突發情況時提供應急電力，對于儲存的盈余光伏電力，還可為建筑日常用電起到調峰的作用。儲能系統不僅可降低電力運行成本，減少用電負荷損失，還能提高可再生能源利用率[5]。

3.1信息機房的日常用電分析

通過對位于本建筑地下室的強電機房與弱電機房的實地踏勘得知，證券交易中心的信息機房的空調系統、照明系統及不間斷電源系統（UPS）的總功率為 100kW ，全天 24h 不間斷運行情況下的預計日用電量為 2400kWh 。

3.2儲能系統的容量分析

為滿足信息機房在日常市政供電系統出現意外斷電的情況下仍能連續正常運行至少3天以上，儲能系統的最佳容量最終確定為 7200kWh ，并結合光伏發電系統，完成日常的充放電流程。

3.3應急供電系統的應用

光伏發電系統將所發電量優先為儲能系統充電，當突遇電網斷電而光伏發電系統所發電力又無法滿足證券交易中心信息機房所需電量時，啟動儲能系統，由其為信息機房的空調系統、照明系統及UPS供電，以保證信息機房的正常運行。若滿足信息機房電力需求后，儲能系統電力仍有盈余，則按照優先等級為本建筑的辦公區域供電。

自2022年以來，成都市因夏季遭遇極端高溫干旱天氣，已出現過兩次對工業企業實施的“讓電于民”的限電措施，當市電無法對信息機房正常供電時，光伏發電系統在夏季的高發電量成為了應急供電系統的有效保障。

4結論

本文以成都市華西證券辦公樓的BIPV改造項目設計為例，對此類高層辦公建筑BIPV改造時的設計方法和施工工藝進行了研究，并對作為應急供電系統的儲能系統進行了闡述。得到以下結論：本建筑采用的光伏組件的總裝機容量約為2.15MW ，首年的光伏發電量預計達105.96萬kWh，25年的總發電量預計達2417萬 kWh 。若碳排放因子按照 $0.8587＼mathrm{＼tCO_{2}/M W h}$ 進行計算，當該建筑25年的光伏總發電量為2417萬kWh時，預計將減少 20754.78t 的 排放量。

綜上可知，顯著的生態收益證實了建筑的BIPV改造作為實現碳中和目標的重要策略，發揮了積極作用。BIPV改造在構建城市清潔能源網的過程中將繼續發揮重要作用，為大量既有建筑換上新能源外衣，使每1棟建筑都化身為1座微型發電站，從而減輕城市電網的供電負荷，減少溫室氣體排放，節約非可再生資源的消耗。

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RESEARCHONBIPVRENOVATIONDESIGNOFHIGHRISE OFFICEBUILDINGS

Hu Xu

SichuanProvincialArchitectural DesignandResearch InstituteCo.，Ltd.，Chengdu 61oo95，Chinc

Abstract：Building integrated PV （BIPV），as one of the effective measures to achieve carbon neutrality goals， shoulders a large number of PV renovation tasks for existing buildings.This paper takes the BIPV renovation project ofHuaxi Securities ofice building in Chengdu as an example to study the design methods and construction techniques for BIPV renovation of such high-rise offce buildings，and elaborates on the energy storage systems as an emergency power supply systems.The research results show that the total installed capacity of the PV modules used in this building is about 2.15MW ，with an expected PV power generation of 1.0596 million kWh in the first yearand 24.17 million kWh in the next 25 years.If the carbon emision factor is calculated at0.8587t ，when the total photovoltaic power generation of the building in 25 years is 24.17 million kWh， it is expected to reduce emissions by 20754.78t ，with significant ecological benefits.

Keywords： photoelectric glass；BIPV； breathing double-layer curtain wall； CdTe