建筑节能 | 近零能耗目标引导下的夏热冬暖地区超高层公共建筑（BIPV 技术应用研究）

光伏发电技术是将太阳辐射能转化为电能的清洁、稳定、高效的绿色能源形式 。将光伏与建筑结合是我国解决建筑用能、实现建筑零能耗运行的重要手段。    

建筑分布式光伏系统可分为建筑附加光伏 (BAPV)和光伏建筑一体化 (BIPV)。前者为传统的建筑光伏应用方式，将光伏产品附加在建筑屋顶，主要为后期增设，系统造型与建筑外观不协调，安装方式对建筑安全性带来较大隐患。光伏建筑一体化 (BIPV) 要求光伏系统与建筑同步设计、施工，光伏与建筑完美融合，在充分发挥建筑结构、功能特性的同时，实现绿色产能，为建筑使用或接入市政电网，从而提高太阳能在建筑中的利用率 。

图 1 建筑效果图

 考虑建筑与周边建筑群空间关系，应用 Revit 软件对建筑及周边建筑群

进行建模，并开展建筑表皮太阳总辐射年辐照量仿真计算，结果如图 3 所示。

由图 3 所示，建筑塔楼屋面及裙楼屋面年辐照量优于建筑立面，其中塔楼屋顶不受周边建筑遮挡影响，最宜应用光伏发电系统。裙楼屋面因周边建筑及自身塔楼遮挡影响，呈现南侧屋面年辐照量优于西侧屋面的特点，综合太阳总辐射年辐照量仅次于塔楼屋面。

建筑塔楼屋面及裙楼屋面为接收太阳辐照最优点位，宜选用技术成熟、光电转换效率高的标准单晶硅光伏组件实现有限铺设空间下的最大光伏产能（见图 4）。此外，案例建筑裙楼及塔楼设有屋顶花园，对于有采光、展示等功能需求的空间，可选用透光类单晶硅光伏组件打造光伏采光顶，兼顾采光、发电功能。

图 4 单晶硅光伏采光顶实景图

图 5 建筑立面遮阳及点位

  多层遮阳板之间存在相互遮挡情况，需结合辐照量分析、应用形式等方面开展综合分析，以确定遮阳板间距、光伏组件类型，实现安全、经济、美观等使用要求。     采用 Revit 软件对建筑塔楼标准层遮阳设施进行精细化建模仿真，测算遮阳构件纵向间距在 700mm、800mm、 900mm、 1000mm 以及 1100mm 情况下接收的太阳总辐射年辐照量，结果如图 6、图7 所示。

图 6 遮阳板太阳总辐射年辐照量云图

图 7 遮阳板不同纵向间距下综合太阳总辐射年辐照量

根据上述结果，建筑遮阳接收太阳总辐射年辐照量随遮阳板纵向间距增加而增大，但效果逐渐弱化。综合考虑建筑采光、空间视觉、辐照量水平等因素，遮阳纵向间距设置为 1100mm。
     考虑遮阳板之间的相互遮挡情况，宜选用受遮挡影响小、弱光发电性能更优的碲化镉薄膜光伏产品。特别地，案例建筑采用集成遮阳的单元式幕墙系统，要求光伏组件在集成应用过程中与幕墙分隔模数一致。根据不同光伏组件生产工艺区别，在光伏组件模数定制化应用过程中，碲化镉薄膜光伏组件光电转换效率受组件模数影响更小。因此，对于建筑立面多层遮阳结构集成光伏应用以碲化镉薄膜光伏产品为宜。

图 8 建筑塔楼屋顶光伏组件布置图

图 9 建筑裙楼屋顶光伏组件布置图

表 1 单晶硅光伏组件参数表

图10 建筑横向装饰翼光伏组件应用效果图

同时，考虑超高层建筑应用及地区自然环境特点，选用钢化玻璃表面的 BIPV 光伏产品 (TP6+1.52PVB+CdTe3.2mm +1.52PVB+TP6)，提高组件结构强度，避免因台风、冰雹等自然灾害引发组件碎裂的问题。此外，在光伏组件下方设置穿孔铝板，作为光伏组件防脱落措施，保障行人安全。穿孔铝板也可为光伏组件提供良好通风条件，避免组件背板温度过高而引发的火灾风险。
基于以上措施，保证建筑遮阳光伏系统安全、稳定运行，见图 11。

图 11 建筑幕墙横向装饰翼光伏组件布置节点图

组件参数信息如表 2 所示。

3.4 建筑光伏系统减碳效果评估
     根据广州市全年太阳辐照与环境温度，综合考虑建筑立面不同朝向的遮挡、幕墙横向装饰翼间相互遮挡、逆变器的功率损耗、线缆功率损耗等因素，计算建筑光伏系统首年发电量为 65.34 万 kWh，单位建筑面积发电量 7.52kWh/m²，其中建筑幕墙横向装饰翼光伏系统发电量占比 69.31%、塔楼屋顶非透光光伏系统发电量占比 17.22%、裙楼屋顶非透光光伏系统发电量占比7.02%、塔楼屋顶透光光伏系统发电量占比 6.46%，如图 12 所示。

图 12 建筑光伏系统发电量占比

考虑光伏组件的生命周期为 25 年，以首年衰减率2%，第 2~25 年逐年衰减率 0.45% 为测算依据，计算建筑光伏系统全生命周期发电量为 1525.17 万 kWh，年平均发电量为 61.01 万 kWh，见图 13。     结合建筑本体节能、主动能效提升、可再生能源应用等专项设计，实现了建筑能耗综合值 29.36 kWh/m2·a，建筑本体节能率 51.0%，综合节能率61.0%，可再生能源利用率 25.4%，达到国家标准《近零能耗建筑技术标准》中对近零能耗建筑的指标要求。

4 结论
     大型公共建筑体量大、能耗高，具备较高的节能潜力。大力推广超低、近零甚至零能耗建筑将是践行我国建筑领域双碳战略的重要途径。其中建筑光伏一体化 (BIPV) 技术是实现建筑产能、助力光伏在建筑中高质量应用、支撑建筑满足近零能耗目标的必要手段之一。本文结合夏热冬暖地区某超高层公共建筑，深入挖掘光伏建筑一体化 (BIPV) 技术的应用潜力，梳理总结同气候区、同类型建筑中 BIPV 技术应用路径总结如下：

（ 1）宜充分利用塔楼及裙楼屋面等水平面太阳辐照资源，优先选用效率更高的晶硅类光伏组件结合屋顶花园等场景打造光伏采光棚等场景，提高建筑光伏系统发电量。

（ 2）超高层建筑立面空间是提升建筑光伏系统产能的重要潜力资源，同时建筑遮阳作为夏热冬暖地区建筑被动式节能的必要措施，固定外遮阳已然成为 BIPV 技术应用的最佳场景。

（ 3）超高层建筑遮阳 BIPV 系统，宜优先应用钢化玻璃表面的光伏产品，最大限度降低组件受自然条件下产生的动荷载的影响，同时在组件下方设置穿孔铝板，保障建筑光伏系统运行安全。