薄膜光伏双层幕墙的设计研究

前言

我国的建筑总能耗已达全国能源总量的45％，比发达国家建筑能耗占国家总能源的20~30%还高，建筑节能成为建筑行业最主要问题之一，已成为我国国民经济的巨大负担，建筑面临着一场新的革命，建筑节能环保势在必行．建筑节能既要利用太阳能、风能等自然能，也要从结构上减少热损失，才能获得最佳经济效益。

1双层幕墙

建筑师和相关人员经过多年努力，开发了一种新型玻璃幕墙———智能玻璃幕墙。智能幕墙目前处于发展初期，造价昂贵，技术要求高，但在建筑节能上却显示了巨大的能力。智能玻璃幕墙的核心技术是双层幕墙，内侧采用中空玻璃，内片采用低辐射玻璃，抑制夏季太阳透射，又不造成光污染，中间设置遮阳百页。由于阳光的照射温度升高，冬天像一个温室，夏天打开上下两端的风口，热烟囱效应产生气流，运动气流带走通道内的热量，其与贮热结构、辐射采暖和制冷系统协同工作，从而获得能源的高效利用。

2双层幕墙实例

1986年建成的劳埃德大厦采用“外侧双层中空玻璃，内侧为单层幕墙，75mm宽的热通道，通道一层楼高，之间互不连通”，被处理过的空气通过设在架空地板内的风道送入热通道，再从另一端排走，这样可以带走通道内50%的热量。2000年竣工的北京会计师培训中心幕墙由方大集团股份有限公司设计施工。针对业主提出既要透明，又要高效利用能源的要求，以及北京地区的气候、地理环境，设计小组经过研究决定采用热通道幕墙。该幕墙是中国大陆最早的热通道玻璃幕墙。

3光伏幕墙实例

2003年位于深圳高新技术产业园区的方大集团科技中心大厦工程采用的光伏幕墙有效面积93.8平方米，设计峰值发电功率10.3千瓦，建筑标高97米，是我国第一幢光伏幕墙建筑。在深圳已建成的1兆瓦并网太阳能光伏电站示范工程位于“园博园”内，是目前全亚洲第一大并网光伏电站。该电站总容量1000kW,年发电能力约为100万kWh，所发的电量约占园区用电总量的15%。相对于火力发电，年节省标准煤约384吨，年减排二氧化硫约7.68吨，年减排二氧化碳170余吨，是真正的无污染的绿色可再生能源项目，它的成功实施为我国太阳能技术的发展起到良好的示范作用。

4薄膜光伏双层幕墙

双层幕墙主要由一个单层玻璃幕墙和一个中空玻璃幕墙组成，将外侧单层普通玻璃换成太阳能电池板（用特殊的树脂将光伏材料粘贴在两片玻璃之间），太阳能光伏系统与建筑立面围护结构的结合，就形成了薄膜光伏双层幕墙。薄膜太阳能电池是世界上最先进的电池之一，价格便宜，且薄膜光伏组件非常适用需要造型的建筑结构。随着非晶硅太阳能电池的衰减降低、GaAs和CdTe太阳能电池制造技术的突破，薄膜太阳能电池更具备竞争性。光伏幕墙系统设计兼顾建筑立面的围护功能，提高了围护结构的保温、隔热性能，将接线盒、旁路二线管、连接线等隐藏在双层幕墙结构中，不影响建筑物的外观效果，达到与建筑物的完美结合。

5设计方案

光伏幕墙目前主要问题：（1）没有将光伏组件与热通道技术完美结合；（2）绝大部分采用晶体硅光伏材料，价格昂贵。我们提出通风换气式薄膜光伏幕墙解决这个问题。采用以下设计和实践经验；

5.1通风换气式幕墙的结构

凡是要求透明之处，内侧采用中空玻璃，中间设置遮阳百页。不要求透明的幕墙内侧采用防火板、防火保温棉、复合铝板，中间设置遮阳百页、布帘，对隔音隔热有帮助。根据季节改变热通道风口方向，有利于室内空气流通或能量交换。如果需要热通道承担室内部分或全部通风，通常将外侧幕墙设计成封闭式，内侧幕墙设计成开启式，通过对上下两端的进排风口的调节在热通道形成压差，利用开启扇在建筑物内形成气流，进行通风。通过管道向通道内送风，可以随时向室内提供新风，承担部分或全部通风。通风换气主要依靠热通道实现，热通道设计优化主要解决热通道宽度和风口设置。寻找最佳空气层厚度，使结构具有最大热阻是设计热通道的关键问题。

5.2光伏发电的适宜性及与建筑匹配

要做好太阳能光伏发电与建筑一体化，却要解决一系列问题：太阳能资源调查及光伏幕墙适宜性、当地全年太阳能资源、当地气候状况。其中有（1）温度：环境温度对太阳能光伏电池的效率有影响，一般来说，温度越高效率越低。因此，在严寒、寒冷地区的气候可以使得温度的影响效应降低。在炎热气候条件下应采取一定的措施，使得太阳能电池板的温度不致于过高；（2）抗风、雪荷载、防雨等：光伏幕墙作为建筑围护构件，还应该根据项目当地的气候条件，综合考虑抗风、防雨、雪荷载等问题；（3）遮阳、采光的需求：通过光伏组件与玻璃幕墙的结合，通常会形成幕墙上的非透明或半透明部分，因此光伏幕墙具有一定遮阳的功能，同时也降低了玻璃幕墙的透光性能。不同气候区的建筑对遮阳和采光的需求不同，因此光伏幕墙的设计也应有所不同。

5.3电池组件的选用问题研究

多晶薄膜、非晶硅薄膜电池在建筑一体化设计中比较有优势，宜采用与建筑屋面、墙面、玻璃幕墙相结合的多晶薄膜、非晶硅薄膜电池。应按照地区，将太阳能电池板与屋面，东、南、西向墙面相结合。根据建筑要求确定合适的玻璃性能（如采光）及结构（如夹层、中空、异型）。根据抗风等要求确定玻璃的强度要求（钢化、厚度）。在建筑光伏一体化设计中，必须研究选择性价比最高的光伏电池。薄膜太阳能电池有一个重要优点是适合作与建筑完美结合的光伏发电组件(BIPV)：双层玻璃封装刚性的薄膜太阳能电池组件，可以根据需要，制作成不同的透光率，可以部分代替玻璃幕墙，而不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池适用于建筑屋顶等需要造型的部分。一方面它具有漂亮的外观，能够发电；另一方面，用于薄膜太阳能电池的透明导电薄膜(TCO)又能很好地阻挡外部红外射线的进入和内部热能的散失，双层玻璃中间的PVB或E－VA，能够有效隔断能量的传导，起到LOW-E玻璃的功能。据预测，到2030年将占整体太阳能电池份额的30%以上，从而与晶体硅太阳能电池平分秋色。