光伏幕墙在建筑工程中的应用研究.pdf

光伏幕墙在建筑工程中的应用研究张 俊余 健万 磊徐晓东(中建二局第三建筑工程有限公司北京)收稿日期:作者简介:张俊()男江苏泰州人本科工程师主要从事工程施工管理工作摘 要:建筑幕墙作为隔离和连接外部空间的媒介是建筑内部和外部空间之间进行能量交换和传输的关键环节 目前光伏幕墙这一领域已被越来越多的业界所关注特别是在一些拥有众多高层建筑的大中型城市其庞大的外墙面积为光伏建筑一体化的应用带来了机遇 因此高质量的光伏幕墙是实现建筑节能目标的关键 太阳能光伏资源不但可以用于建筑屋面而且可以作为幕墙广泛地用于建筑立面建设中极大地提高清洁能源的利用水平 基于这一现状针对光伏幕墙在建筑工程中的应用进行了研究分析关键词:光伏幕墙建筑工程太阳能电池中图分类号:文献标志码:文章编号:():/光伏建筑一体化优势概述)洁净环保 相对于传统的化石能源利用光伏发电可以实现对环境的无污染、零排放)土地利用的节约性 随着我国土地资源日益紧缺将光伏技术应用于建筑工程中能够使土地利用最大化该技术尤其适合于大中型城市)调峰填谷 夏季温度较高热岛现象突出若在建筑系统中引入光伏发电既能缓解热岛问题又可以用来给电网供电)外形新奇 将光伏技术与建筑相结合可以给建筑项目带来全新的艺术效应并丰富城市建筑的外部形式 光伏幕墙的分类光伏幕墙是在传统幕墙的基础上将太阳能电池模块有机地结合起来利用光伏发电的原理把太阳光能转化成电力 光伏幕墙是未来建筑节能发展的主流趋势 太阳能光伏幕墙适用范围广、不需要燃料是太阳能利用中最重要、最理想、最具应用前景的一种 一般而言光伏幕墙大致可以分成两种类型:一种是独立安装式另一种是建材安装式独立式就是将太阳能电池板和周边幕墙结构用特定的部件连接在一起形成一种别具一格的建筑美感 同时具有成本低、价格低廉等优点 建材安装方式就是将太阳能模块与特定的建筑材料融合在一起制造出幕墙、外墙等建筑材料建材安装类型对安装技术的要求比独立安装类型高 光伏幕墙的发展现状目前全球都面临着能源短缺的严重问题 能源问题一直以来都是各国政府非常关注的问题 可再生、洁净的新能源自然而然地引起了各国政府的高度重视并优先选择了太阳能发电 许多国家通过一系列的新举措对太阳能行业的发展做出了积极的探讨国际上对建筑节能技术进行了广泛的研究和应用 根据数据显示目前我国的建筑能耗增速已经极大超过了平均水平在整个社会中建筑能耗所占的比重大约为 因此要实现可持续发展就必须提高对能源利用的重视程度并在此基础上推广节能建筑 这样既可减轻由于社会发展造成的能源短缺又可降低污染排放有效地保护环境我国的光伏产业还远未达到经济和社会发展的要求要想迅速赶上就必须加大投资 近年来国家对此进行了一系列的支持包括财政补贴政策支持示范项目等 国内对光伏幕墙的研发已成为一个热门话题并涌现出一大批示范项目 通过这些示范工程不仅能够充分展示出我国目前太阳能技术的发展程度也能够从中找到与发达国家的差距这对我国今后探讨光伏技术与建筑的有机结合将会起到积极而深远的作用 展望光伏幕墙的发展未来各国在经济发展的同时必然会面临污染和能源问题因此各国政府也将太阳能的发展作为一项战略任务将光伏幕墙的发展作为一项解决能源问题的举措并将光伏幕墙的发展提高了其在国际上的竞争力 可见无论是从社会和经济效益角度来看还是从市场角度来看光伏幕墙技术的发展都具有广阔的前景 国际市场前景在全球范围内光伏行业整体趋势呈现出先降后升的态势 在此之前由于受到了金融危机的影响其市场前景相对来说是比较黯淡的 随着全球经济形势的好转以及政府对太阳能的大力支持光伏行业的市场也在逐渐恢复 目前光伏行业的市场重心还是在欧洲德国占据着绝对的优势法国等新兴国家正在快速发展填补着这个市场的空缺一些国家的光伏市场在政策的扶持和鼓励下稳步发展 国内市场前景目前全国各地的建筑面积已经超过了百亿平方米 如果能将整个建筑面积的/用来安装太阳能电池就能有效地利用光伏技术 在未来全球的光伏发电将会占据更大的比重 光伏幕墙在我国的交通、通信等领域得到了广泛的应用其使用量呈现出显著的上升趋势市场需求也得到了极大的提升 随着光伏技术的不断发展我国在这一领域的实力将进一步提高技术成本将进一步降低未来光伏幕墙的规模和质量将得到极大的提高且市场前景是非常广阔的 光伏幕墙在建筑工程中应用可行性分析 符合建筑审美观在传统的光伏幕墙设计中通常是在玻璃幕墙中嵌入光伏组件这样不仅不会对幕墙的外观造成影响而且还能防止光伏模块受外界环境干扰 而随着光伏产业技术的不断进步在设计光伏幕墙的时候有多种类型的光伏组件可供选择并对其进行有选择的设计要保证结构的新颖性以满足建筑美学的需要 符合建筑采光需求在进行光伏幕墙结构设计时也不可忽视其对光照的影响 随着光伏技术的发展光伏组件的透光率有了很大的提高在这种情况下光伏幕墙系统可以尽可能地满足采光要求而且可以在保证有效采光的前提下对太阳光照射到房间内的光强进行准确的控制 满足建筑安全性能的要求幕墙是整个大楼最外层的构造在展示建筑物美感的同时也是其保护层需要具备较高的安全性能 因此对于光伏幕墙的要求也就变得更加严格 由于光伏幕墙是光伏模块与玻璃幕墙的组合所以为了保证光伏模块的正常使用不被外界破坏光伏幕墙自身的强度要求就很高 此外与建筑相结合玻璃幕墙在建筑设计中要根据建筑的位置、高度以及自身的施工方式等为依据进行实际的分析和准确的计算之后才可以确定 根据国家有关规定对光伏幕墙内外双层钢化玻璃厚度进行严密地计算 位于中间位置的太阳能电池也就是光伏幕墙核心为了保护核心在钢化玻璃内太阳能电池外面分别有两层 胶片 双层的玻璃衬底为太阳能电池起到刚性防护的作用 胶片起到柔性防护的效能 胶片有良好的柔韧、回弹性能能够有效地缓冲来自外部的冲击力使电池不会受到任何冲击 其有很强的黏性可以避免玻璃碎片飞溅降低人员伤亡概率提高建筑物的安全性 符合方便安装的需求光伏幕墙具体而言是一种新型建筑技术该类幕墙的安装方式较为特殊实践当中则可以借鉴传统幕墙的安装方式 直到现在传统的幕墙仍在使用在国内已经出现了各种规格形式的幕墙结构而且幕墙的安装技术也逐渐趋于完美可以充分满足其安装要求 符合节约能源和保护环境的需要太阳能光电转换技术是其核心所在在使用时没有灰尘没有废气等污染在产生电能时没有噪音 与此同时随着新材料、新技术的开发与应用能够将阳光从玻璃表面反射出去的光进行吸收从而减轻光污染的现象 合理地使用建筑物的外立面既能节省土地还可以利用太阳能技术的光电转换功能既能满足电力供应的需要又能与电网相配合达到节能环保的目的 太阳能电池相关概述 硅基薄膜类太阳能电池该类型的太阳电池以非晶硅、微晶硅为主其硅层厚度约为 仅为硅晶电池的 其应用前景十分广阔硅基薄膜太阳电池具有优异的低光照性能能够在多云、雨天等低紫外辐射环境中依然具有很高的吸光率和很高的耐高温性能 该类太阳能适用于温暖色调的建筑外墙 碲化镉薄膜类太阳能电池碲化镉薄膜类太阳电池是一种将多层膜在玻璃或其他衬底上进行连续镀膜的工艺 碲化镉的高吸收系数约为硅的 倍 另外该类型的太阳电池还具有良好的弱光性能具有良好的全光谱吸收能力 相对于硅基薄膜太阳电池碲化镉薄膜类太阳电池具有更好的吸光率、更好的耐高温在多云、多雨等低紫外线条件下具有更好的综合性能 碲化镉薄膜类太阳能电池的光电转化效率可达 该类电池表面是呈浅灰色在偏向于冷调的建筑表面上有较好的应用 构造设计分析 建筑设计设计要从建筑的角度出发首先要对建筑的地理位置、气候条件和太阳能的来源情况进行分析其次对建筑的周围环境进行分析再次要与建筑周边的装潢和谐一致最后考虑太阳能电池板吸收热量引起的建筑周边热环境变化 明框光伏幕墙构造方式明框光伏幕墙是由铝合金立柱、横梁、光伏玻璃以及光伏电缆等构件构成的一种框架结构 在光伏幕墙中铝合金立柱是最主要的承载力构件在整个幕墙中占有举足轻重的地位 如果在幕墙体系上施加了诸如重力、风荷载等外力这些外力可以通过使用铝合金立柱传递到主体结构上进一步提升整体的安全性能从而构成整个光伏幕墙支撑系统各个结构功能如下 铝合金立柱主要受力部件除了承受光伏玻璃等自身的重量还承受来自外界的风荷载和振动荷载 同时还需要将光伏幕墙用连接模块固定在建筑的外墙上并在其后面地走线槽中安装光伏电缆 铝合金横梁次承力组件与支柱等构件一起组成了光伏幕墙的支撑体系并在其上下走线槽中放置了光伏电缆 铝合金压板幕墙体系的主要装饰性部件 光伏玻璃以及电缆前者主要负责实现光电转换环节而后者主要负责传输前者转换好的电能主要转送到各类型的用电设备以及城市电网两者是光电转化与能量传递的重要部件 不锈钢弹簧销钉在光伏幕墙结构中立柱和横梁的连接构件是保证整个幕墙结构整体稳定的关键 隐框光伏幕墙构造方式要使光伏幕墙的光电转化效率最大化就需要保证与太阳光接触的面积而该类型的光伏幕墙则能最大限度程度地规避阳光的遮蔽减少光照对其光电转化效率的影响 所以目前已有的许多光伏幕墙建筑工程中广泛地应用了该体系 此外改变明框光伏幕墙的构成方式可以使其演变为该类幕墙 隐框光伏幕墙铝合金立柱结构图见图 隐框光伏幕墙铝合金横梁结构图见图 图 隐框光伏幕墙铝合金立柱结构图 图 隐框光伏幕墙铝合金横梁 结构图 光伏幕墙施工安装与维护一定要选在光线充足没有遮蔽的环境下安装 在安装较大面积的光伏面板时应选择较为开阔的场地进行安装并注意防止对光伏面板造成碰撞或损伤 在不同的排列角度下阳光照射在光伏面板上的数量也是不同的 因此在选取天线倾斜角度时应该从阳光的均匀性、连续性以及冬季光照等方面进行考虑 在光伏幕墙中要对电线进行合理的排列以防止由于电线的不合理排列而引起的潮湿、漏水、漏电等危害从而造成光电器件的腐蚀缩短光电器件的使用寿命除此之外还要注重光电板的散热 每年至少要对太阳能电池板进行两次或更多次的例行检测 着重检查机架是否有松脱、破损每个部件的外皮是否透明春季或秋季检查最佳 光伏幕墙存在的问题 造价高对于采用光伏幕墙的建筑来说由于在国内尚处于推广阶段因此其成本相对较高这也是限制其推广应用的一个主要问题 但如果没有相应的政策补助和激励没有相应的法规这种新技术就不可能大规模地推广 在某些发达国家由于政府采取了鼓励措施再加上社会大众的环保意识普遍较强因此被广泛采用 企业的研究开发与创新能力较差目前光伏技术虽然得到了国家的关注但因为资金的投入不多政策扶持力度不够人才培养不足技术水平落后等原因导致目前国内还处于推广阶段并未大规模应用面对目前的竞争局面必须提高人才的专业素质提高自主创新能力 缺乏相应的规范标准没有统一的认定标准没有统一的技术规范 要想进入市场就必须确保产品的质量对产品的认证、技术标准进行标准化 然而目前国内对于该技术的规范和标准尚不完善而对于电力的利用则需要按照这些标准来进行 如果没有对太阳能发电的技术进行规范那么极大可能会给建筑工程带来危险 因此必须尽快制定出一套完善的技术规范与认证规范 太阳能光伏发电的稳定性较差太阳能将会因气候的改变而改变从而产生的能量也会随之改变 如何克服目前太阳能资源的波动性实现高效地储能是一个亟待解决的问题 建筑能效提升策略将增加普通玻璃与增加光伏幕墙的节能效果进行比较通过增加光伏幕墙的节能效果减少了建筑的冷热负荷峰值同时光伏幕墙还能提供电能补偿增加光伏幕墙能够有效提高建筑的能效 从建筑能耗的角度来看气温、窗户、墙壁比例对建筑能耗有很大的影响因此需要对其进行深入的研究并结合能耗指数、使用者舒适性等指标构建节能优化模型以实现建筑能耗的最小化 光伏幕墙发电可减少建筑能耗其发电特性对建筑能耗也有一定的影响合理选取光伏幕墙倾斜角度及朝向可增加其有效辐射达到既增加光伏幕墙发电又减少建筑能耗的目的 在建筑中采用膜结构和幕墙结构相结合的方式可以有效地减少建筑的供暖和制冷能耗 考虑到建筑的外形和景观的颜色从设计到施工操作每一个细节都体现出低碳、生态、环保的发展理念 建筑一体化构件既具有幕墙的维护、保温、美观等功能又具有绿色发电、能源自给等功能从而可以将传统的幕墙玻璃完美地取代从而实现了光伏建筑一体化因而具备很好的推广价值 结束语光伏幕墙的应用不但提升了建筑物外观的美感而且能减少非再生能源的消耗提高城市的整体环境质量达到节能、环保的目的 因此必须重视光伏幕墙技术的研究使其更好地在建筑工程中应用进一步推动建筑业的可持续发展:参 考 文 献:沈瑾.光伏建筑一体化技术的应用及展望.能源与节能():黄心雨陈稳.光伏建筑一体化()应用现状与发展前景.土木工程与管理学报():陈忠华陈致远王仁顺等.光伏幕墙建筑能效评估与提升策略.科学技术与工程():杨平张洋徐书峰等.光伏幕墙的工程实践与零碳建筑的初步探索.建设科技():姜文化.太阳能光伏建筑一体化中光伏幕墙的设计要点分析.工程建设与设计():崔静恩彭明强李锐等.光伏幕墙在建筑工程中的应用研究.城市建筑():朱旺.光伏幕墙在光伏建筑一体化中的应用与发展.建筑施工():赵伟俞天琦.光伏建筑一体化设计研究及应用.建筑与文化():(上接第 页)结 论本研究选取内蒙古西部额济纳旗某一草原民居作为研究对象 运用 软件进行能耗模拟对围护结构保温厚度、附加阳光间玻璃类型、外窗类型所产生的节能量风光互补发电系统的发电量进行计算 对这些影响因素进行全寿命周期增量成本与增量效益分析得出了内蒙古西部草原民居的技术经济性特征 得出以下结论)附加阳光间采用 中空玻璃、中空玻璃和 玻璃三种玻璃费用效益比均大于 且差别不大投资者可依据自身经济状况选择玻璃类型当考虑较小的初投资时可以选择 中空玻璃或 中空玻璃当考虑长远经济效益时可选择 玻璃)在内蒙古西部草原民居外墙设置 厚保温可以显著降低建筑能耗在该地采取外墙保温有很好的经济、社会效益 综合考虑下 保温费用效益比最大而且初投资最低适合在内蒙古西部草原民居推广应用)在内蒙古西部草原民居附加阳光间采用 玻璃、外墙设置 厚 保温、外窗选用双层 玻璃以及选择 光伏板面积和 风力发电机为主的风光互补发电系统有最好的经济性:参 考 文 献:中国建筑能耗研究报告.建筑节能():周丹丹胡生荣.内蒙古风能资源及其开发利用现状分析.干旱区资源与环境():朱昭李艳蓉陈辰.绿色建筑全生命周期节能增量成本与增量效益分析评价.建筑经济():高彩凤陈梦源于震等.寒冷气候区近零能耗公共建筑技术经济性分析.建筑科学():付嘉衡宋梦宇田晓亮.青岛某办公建筑供热改造工程技术经济分析.热科学与技术():