摘要：为实现建筑能源产需平衡，可再生能源应用必不可少。由于我国各气候区光照条件差别较大，光伏行业的产品更新速度较快，以及光伏系统涉及到的专业较多等问题，很难对建筑光伏系统的设计给出统一的方法及定量的数据要求。既往我国光伏发电系统在建筑上的使用，主要是在屋顶。本文通过分析光伏幕墙对于零能耗建筑的作用，对光伏玻璃幕墙在设计中的一些要点进行归纳总结，为建筑和幕墙设计师进行光伏幕墙设计提供指导。
1、引言
零能耗建筑因其节能性和环保性成为“双碳”目标下社会关注的热点。光伏玻璃幕墙因其兼具围护结构属性和清洁能源属性，在零能耗建筑的研究和应用里占有重要地位。但我国光伏玻璃幕墙目前为止尚未成为规模化的应用，一方面是由于光伏组件产品更新速度较快，规范体系相对不够完善;另一方面是对于光伏玻璃幕墙和零能耗建筑的关系，及如何将光伏组件作为建筑建材在建筑和幕墙设计中能较好的使用，需要为建筑师和幕墙设计师提供良好的知识支撑和软件支持，并且这些内容应当是系统化的。本文分析了光伏玻璃幕墙与零能耗建筑的关系，梳理了零能耗建筑设计中的光伏玻璃幕墙设计要点及流程。
1光伏玻璃幕墙与零能耗建筑的关系
1.1光伏玻璃幕墙对于零能耗建筑的重要性
在《2018年中国建筑节能年度发展研究报告》中，2016年城镇住宅(不含北方地区供暖)和农村住宅的建筑能耗分别为19.8Kwh/(m2a)和9.6Kwh/(m2a)，接近甚至低于德国的被动房设计标准15Kwh/(m2a)。如果不考虑舒适度标准，住宅建筑的能耗水平已经达到超低能耗建筑的能耗要求，但这并不能说明住宅建筑已经实现了超低能耗，因为整能耗偏低是以牺牲部分居住舒适度为代价而实现的，像功能齐全的公共建筑则较难实现建筑的超低能耗要求。
现阶段零能耗建筑实现的技术路径，就是通过被动式设计降低建筑冷热需求和提升主动式能源系统的能效两种方式达到超低能耗，两种方式在同一建筑上往往采用两种或多种不同的产品结合应用实现。例如降低围护结构的传热系数，采用加厚保温层的方式，提升主动式能源系统的能效采用房屋顶部设置太阳能热水器的方式。实现方法分散，安装围护不便。
光伏玻璃幕墙设计过程中充分考虑设置的朝向、建筑的窗墙比、采光、通风、遮阳、传热系数的要求，建筑本身又可以产生清洁能源，这两种产品属性恰好符合两种实现超低能耗的方式，并且作为一种单一产品，可以集中高效的实现两种方法，使得在建筑上安装光伏玻璃幕墙成为实现零能耗建筑的优异选择。
1.2光伏玻璃幕墙的节能特征
零能耗建筑的价值就在于它可以在保障室内舒适度的情况下，既能减少对化石能源的依赖，又实现了对供暖成本的节约，超过了建造增量成本。相对于通过高能源投入来平衡从热工性能较差的建筑围护流失热量的主动方式，被动式节能需要以良好的建筑外围护性能为支撑。以夏季和冬季为例，这种被动式的策略可被概括为：减少能量的获取和向外排出多余热量。
图1中体现的五个原则分别是隔热保温、被动式房屋窗户，高效舒适的热回收通风、气密性、无热桥。这五个原则是零能耗建筑的基础，其中有四个都和外围护结构相关。另《居住建筑节能设计标准》DB33/1015-2021中对节能要求表明，建筑的节能综合指标都和外围护结构有关，包括建筑体形系数、围护结构各部分的传热系数、外围护结构透光部分的太阳得热系数、窗墙面积比。所以外围护结构的性能是零能耗建筑的关键。
1.3光伏玻璃幕墙的产能特征
零能耗建筑是近零能耗建筑的高级表现形式，其定义中明确说明可再生能源产能需大于等于建筑自身的用能。以中国北方建筑为例，不同节能建筑的可再生能源利用率，见表1。
光伏玻璃幕墙发电面板以薄膜电池为主，转换效率略低，转换功率在150-180W/㎡，弱光发电性能好，可作为透光结构，适用于建筑立面。正在建设华为数宇能源安托山基地，见图2，两座办公楼高180米，光伏玻璃幕墙面积3万平米，为全球最大的应用薄膜光伏玻璃的光伏幕墙项目，也是全球最大的“光储直柔”近零碳园区之一，预计将在2022年投入使用。建成后，每年可生产150万度光伏绿电，通过节能、综合能源管理等手段，建筑耗电量将从1192多万度降到589万度，年省电达51%，每年碳排放量中约5379吨降至约1984吨，降低碳排放超过63%。建筑应用建筑光伏幕墙产生的可再生能源完全可以满足建筑自身的用能。
项目实景图 来源：龙焱能源
项目实景图 来源：龙焱能源
2、零能耗建筑中的光伏玻璃幕墙的设计
2.1零能耗建筑中的光伏玻璃幕墙设计组成
零能耗建筑中的光伏玻璃幕墙设计主要分为围护功能设计和光伏发电功能设计两部分。围护功能设计主要考虑节能方面的设计，主要包括隔热型材的规格选择、玻璃面板规格的优化以及新型节能产品的使用。光伏发电功能的设计通常理解是在传统幕墙的设计基础上，额外再考虑的增加光伏发电面板布置倾角、分格优化，龙骨构造，减碳量计算等工作。设计出的光伏玻璃幕墙要实现效果美观、发电效率优异，施工安装、拆卸、维护方便。
2.2围护功能的设计
光伏玻璃幕墙主要安装在公共建筑的立面，办公建筑的主要使用空间对采光要求较高，这些空间对应的幕墙可用于安装透光的光伏组件。嘉兴科创服务中心光伏幕墙为全球第一个光伏玻璃达到LOW-E玻璃效果的高层建筑项目。商业、文化建筑的建筑形体整体性较强，立面元素较为规整，多为大面积墙面或玻璃幕墙;而室内采光主要靠电气照明解决，对自然采光的要求稍低，因此可充分利用立面资源安装不透光大面幕墙。嘉兴秀洲光伏科技馆外立面采用了大量的不透光光伏幕墙。
以《杭州市(近)零、超低能耗建筑示范项目关键技术要求》为例，文件对居住建筑和公共建筑的主要围护结构热工性能进行了要求。其中公共建筑部分对透光幕墙的热工要求见表2。
透光幕墙的传热系数的要求Uf≤2.0，使用常用材料组装光伏玻璃幕墙的配置至少为C40隔热条，三玻两腔的玻璃配置，见表3。
随着产品的进步，越来越多的节能产品问世，这些节能产品的使用可以使得光伏幕墙以较低的配置实现较好的节能效果。以中空玻璃暖边条为例，可以降低标准节点传热系数0.15-0.2W/㎡·K，大大提高中空玻璃内表面温度，能有效改善玻璃边部结露。
2.3光伏发电功能的设计
2.3.1光伏幕墙的分格设计
光伏发电功能从光伏幕墙分格设计，发电量优化计算，光伏幕墙构造设计三个方面展开分析。
光伏幕墙分格设计以晶硅和薄膜两种不同材质的面板展开分析。因为光伏组件的尺寸并未强制规定，而且每个厂家的大批量生产的光伏标准组件尺寸均存在不同，所以具体设计时，应先厂家获取沟通交流待使用组件的尺寸，避免设计完成后，没有对应的可以购买的光伏组件产品。首先建议幕墙分格尺寸按照组件厂家的标准组件尺寸设计，因为加工工艺及加工方式等原因，加工定制不同尺寸的光伏组件，有时并不能得到想要的组件尺寸，还可能对工程工期造成影响。因此了解光伏组件加工原理，使得设计师可以在工程前期把握建筑分格调整的方向。
对晶硅组件来讲，太阳能电池片是光电转换的最小单元，常见的尺寸有156mmx156mm、166mmx166mm、182mmx182mm、210mmx210mm。一般情况下，标准晶硅组件的尺寸约为2000mmx1000mm。定制光伏组件尺寸，首先确定电池片的规格，然后确定电池片之间的间隙尺寸及电池片与玻璃边缘的尺寸，电池片之间的空隙可以透光，电池片不可以透光，空隙的尺寸直接影响组件的透光率。
透光率公式为：
经过简单的排布计算，组件尺寸就可以确定了，使用定制组件前务必与光伏组件厂家沟通交流。图3为定制晶硅光伏组件。
对薄膜组件来讲，标准薄膜组件的尺寸为1200mmx600mm。小于1200mmx600mm的尺寸可以通过裁切薄膜获得，大于1200mmx600mm的尺寸，发电薄膜需要拼接，例如想获取1500mmx800mm的组件，则可以选用3部分800mmx500mm的发电薄膜拼接获得。因为工艺要求限制，拼接位置往往会有一道明显的黑色拼缝。同样使用定制组件前务必与光伏组件厂家沟通交流。图4为定制薄膜光伏组件。
2.3.2发电量的优化设计
发电量的计算是建筑开发单位和设计单位很重视的参数，因为建筑和光伏的结合根本目的是发电，发电越多，能够节省更多的能源，减少更多的碳排放。在建筑设计的前期方案阶段，发电量可以粗估计算，光伏幕墙具体设计阶段，要详细准确计算系统的发电量。发电量计算的公式通常采用《光伏发电站设计规范》GB50797-2012，发电量计算章节中提供的公式：
综合效率系数K包括：光伏组件类型修正系数、光伏方阵的倾角、方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路损耗、升压变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数。
1)水平面太阳能总辐射量可以去气象站购买，也可以通过专业的气象软件模拟，如NASA，Solargis，Meteonorm等。对于没有软件的人员，可以通过整理好的经验表格进行粗略查询。
2)组件安装容量公式：
3)综合效率系数与很多参数有关，一般通过专业软件计算，在发电量估算时，光伏方阵倾角之外的系数可以按照80%-82%取值。因为光伏幕墙角度变化较大，光伏方阵倾角系数需单独考虑。以浙江地区为例，从图5可以粗估，90°立面的幕墙损失量大概在40%左右。也可以通过Perez模型、HDKR模型或者Hay模型计算倾斜面太阳辐射量。
浙江中南幕墙设计院针对光伏设计流程及设计常见问题开发专为建筑师和甲方提供产品及设计选型的计算软件，配合PVsyst、Solar PV、archelios、Solar edge等光伏相关软件，为甲方和建筑师提供较为精准的光伏发电量计算服务。
2.3.2光伏幕墙构造设计
光伏构造设计对于光伏幕墙产品的落地起着至关重要的作用。光伏组件背后设置接线盒，幕墙构件的组装需避开接线盒，避免干涉。太阳能电池组件主要作用是将太阳能电池产生的电力与外部线路连接。接线盒根据放置位置的不同分为背部接线盒和侧边接线盒。背部接线盒位于光伏幕墙组件背面端部或中部，侧边接线盒位于光伏幕墙组件前后或左右端部玻璃切割面。不同厂家设置的接线盒尺寸不一，不同幕墙系统接线盒优先选用的位置不同，见表4。
光伏面板设置接线盒的一侧与幕墙构件的的距离要大于接线盒的尺寸，横梁上安装光伏幕墙组件时所用垫块应高于光伏幕墙组件的接线盒高度。
幕墙具有装饰属性，光伏电缆的走线应当隐藏处理，传统的幕墙构造很难做到隐藏线缆的效果。而且因为没有预留线仓，走线需要在幕墙构件打孔，破坏了幕墙原本的构造，也给构件加工和现场安装增加了难度。所以在光伏幕墙设计初期就应当将布线考虑到构造设计中。
隐藏线缆的方式有三种，一是部分幕墙自身结构满足隐藏线缆的要求，比如隐框幕墙的面板附框中可以走线，见图6，此种走线方式，不便于线缆维修;二是幕墙龙骨自身设置线仓，见图7，图7是浙江中南幕墙设计院的专利构造，布线完毕后，采用压盖将线仓封闭，这样保持原幕墙的效果，并且便于检修。需要维修的时候，拆开压盖即可;三是额外设置线仓，见图8，将线缆隐藏到线仓里面，用于对于效果要求不高的位置，或者对于非透光的幕墙部位，线缆采用绑扎的方式梳理后放置到线仓中。
满足大众对艺术美的追求，异形建筑的建造使用率在国内的建筑中占比率越来越多。异形建筑对构造的最主要要求就是幕墙面板可以实现任意角度拼接。一般采取设置可以旋转的铝合金附框转接框的方式吸收角度变形，如图9。异形光伏幕墙每块幕墙面板的角度和方位角均存在差异，在角度、方位角差异不大的情况，电气部分的逆变器采用器具有MPPT(最大功率点跟踪)功能，采用多路MPPT组串式逆变器可解决光伏幕墙组件因安装位置或环境影响所造成电路并联。在角度、方位角差异大的情况，每个光伏幕墙组件可以单独设置微型逆变器，使每块可组件的输出功率都在最大功率点附近，大大削弱短板效应，减少发电量损失。
3、结论与展望
光伏幕墙从节能和绿色产能的角度上讲，是零能耗建筑设计必须掌握的内容。本文仅针对发电和节能两个要点对光伏玻璃幕墙在设计中的注意事项进行了分析，但光伏玻璃幕墙作为幕墙的一个子系统，且作为建筑的重要组成部分，还应当充分考虑到其快速关断，电弧防护等安全性内容，充分保障消防安全。此外，对于光伏幕墙系统，建议通过比如由综合性强制验收单位来对项目进行整体验收等方式，在流程上进一步规范并促进光伏幕墙的健康发展。
