主被动巧妙结合的多功能光伏幕墙

来源:2017-2018分析报告 查看原文  时间:2018-7-4

本篇文章内容由[中国幕墙网]编辑部整理发布:

  1 研究背景

  太阳能光伏系统作为建筑可再生能源利用最常用的技术措施已基本被建筑设计师、投资者和使用者所接受,大量的建筑披上了光伏的外衣,在数量增幅的同时,质量呢?评价太阳能建筑一体化设计的优劣,最终要以幕墙各项性能、太阳能系统性能、视觉效果的保证程度、经济性、可维修更换等综合性能为标准。

  光伏构件作为幕墙的面板应具有幕墙面板应有的各项安全、节能、美观等性能,幕墙各项性能主要包括风压变形性能、空气渗透性能、雨水渗漏性能、保温性能、隔声性能、平面内变形性能、耐冲击性能、防火性能、防雷性能、防腐性能、节能环保性能、经济合理性等。通过运用幕墙设计原理、构造形式及对其细节进行优化和完善来保证的。

  太阳能系统性能,包括光伏构件可接受的最佳太阳辐射量、与建筑结合的一体化程度、电气安全、最大发电效率等。光伏构件本身就是一个需要专门设计而非定制化的产品,要满足建筑、结构、电气、机械甚至暖通、自动化等多专业的要求。构件应与建筑有机结合,不能东拼西凑,且经济合理;电气系统应安全可靠、合理匹配容量、注重细节。

  视觉效果包括整体效果的完整性和局部细节的品质。完美视觉效果的实现,是在符合原建筑设计的构想与要求的前提下,通过幕墙专业的深化设计来完成,深化设计包括材料的精心选择、局部构造细节的精雕细刻等。

  完美实现以上要求并非易事,它需要多专业的相互配合,反复论证,互相妥协。因此,成功的光伏建筑一体化项目并不多,由于系统设计不科学不规范,造成的光伏组件高温、炸裂、强度不足、甚至短路失火等问题常有发生。更不必谈如何将光伏发电产生的对自身效率有害的热有选择的被建筑暖通利用或者排出室外,如何将光伏构件作为建筑围护结构有用的一部分为建筑节能做出贡献。

  本文为读者展现一栋将主被动技术巧妙结合的多功能幕墙的应用案例,通过一系列的模拟、实验和分析研究,在解决以上各项性能的前提下,将建筑所需要的风、光、热与光伏完美结合。提高光伏发电量的同时降低建筑照明、空调甚至计算机设备能耗。实现在绿色建筑三星级评价基础上的超低能耗目标。

  2 项目概况

  珠海兴业新能源产业园研发楼,灵感源自于自然中充满生机的两片新叶,圆润饱满的曲线赋予建筑萌发向上的力量,命名“GREEN YES”,是兴业太阳能旗下一座综合性办公楼,具有办公、会议、实验室、展示厅、咖啡厅多种功能。

  GREEN YES位于珠海市高新区科技创新海岸金珠路9号,建筑占地面积2302.72m2,地上总建筑面积22148.38m2,建筑层数为17层(包括3层裙楼),建筑高度70.35 m。

  GREEN YES 设计定位为将获得绿色建筑中国三星级认证、美国LEED铂金级认证的一座超低能耗绿色建筑。为满足相关要求,GREEN YES 共采用了38项绿建技术,针对项目本身进行规划设计,充分考虑被动技术的应用环境,结合主动技术提高建筑的适用性。如合理利用地下空间,地下水泵房、空调机房使用导光系统,进一步节能;如首层采用与室外风速风向联动的垂直电动玻璃百叶营造大开敞无空调空间,结合水平通风、垂直通风、商业吊扇、水幕帘降温系统进一步优化室内热舒适度;如采用高效变频冷水机组及优化群控策略;如引进建筑整体调适团队,协调多种节能系统的耦合关系,进一步提高建筑的整体运营效率等等。

  在“被动优先、主动优化”的前提下,GREEN YES身披太阳能外衣,建有5大光伏系统,包含了多功能光伏幕墙、整体升降垂直通风光伏采光顶、园林式光伏屋面遮阳、光伏双玻百叶女儿墙、双层点式光伏雨篷等构造形式,并创造性的运用微电网和局部直流微网为建筑的数据中心提供电源。

  本建筑融合多项专利、前沿技术,为观者打造了一个具有视觉冲击的太阳能绿色建筑应用案例。5大光伏系统每年为这栋超过2万m2的大型办公建筑提供12%以上的光伏能源自给,为建筑提供15万kWh的绿色电力。光伏系统增量成本静态回收期≤10年。

  3 设计理念

  光伏发电,作为可再生能源利用的一种重要方式,如今已经达到大范围的应用推广。光伏建筑一体化,在高密度城区内利用,具有节约土地、原地发电用电、缓解用电高峰矛盾等多种优点。

  在夏热冬冷地区、夏热冬暖地区,合理设计遮阳构件,不但大大降低室内得热,对节能有重要作用,还是改善建筑室内光环境的重要措施。

  自然通风促进空气流通,能显著提高室内热舒适性,通过合理的结构设计,提高局部自然风风速,是一项0能耗的被动式技术。

  遮阳设计目标是遮挡最大化的太阳辐射,光伏组件设计目标是接收最大化的太阳辐射;光伏组件发电有余热,利用热压力的自然通风策略,促进局部通风;通过控制策略,夏季排走热空气,提高光伏发电效率,冬季引进热空气,为室内采暖;太阳能主动技术应用结合遮阳、通风被动技术,三者相辅相成,这对绿色建筑整体技术的建立及缩减运营成本起到很大的作用。

  本案的多功能光伏幕墙是太阳能主动技术应用结合遮阳、通风被动技术,三者相辅相成,是主、被动式技术结合的典范,它对节省绿色建筑的运营成本起到很大的作用。

  多功能光伏幕墙的实施,体现了绿色建筑的设计宗旨。

  1)、节地:利用有良好受光面又不影响人类活动的建筑屋面或者立面使用光伏发电,在高密度的大城市显得尤为重要,同时还节省建设电站、送电网的用地;

  2)节能:光伏系统可原地发电、原地用电,使输电成本和损耗变得最小;对于夏季用电高峰,光伏系统具有削锋的作用,多余电量甚至可以上网;

  3)节材:利用具有发电功能或者具有集热功能的太阳能电池板和平板集热器同时作为建筑外围护结构,节约了常规外围护面板的费用;光伏系统原地发电原地用电,节省了大量的电力输送电缆;

  4)室内环境质量:由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上,吸收太阳能,转化为电能,大大降低了室外综合温度,减少了墙体得热和室内空调冷负荷,既节省了能源,又利于保证室内的空气品质;

  5)环保:使用一般化石燃料发电导致空气污染和废渣污染,光伏系统发电过程中不产生任何污染。

  4 设计方案

  本案设计以可再生能源利用为主线,结合夏季遮阳、自然通风两大被动式技术,利用微电网,搭载UPS技术,为大楼内的数据中心提供持续的电力保障,避免电力忽然中断带来的信息损失。

  本系统安装168W单晶硅光伏组件共计739块,总装机容量124.15kW。该系统为建筑提供南向立面0.7的自遮阳系数。主要以微电网的形式为这座办公建筑的绿色数据中心提供具有UPS功能的持续电源。为了提高能源利用效率,部分标准办公室使用局部直流微网。直流微网是通过直流母线接入直流负载,由光伏阵列、储能系统、能量转化及管理系统组成。

  另外,本系统还安装了11块PVT组件,17块光热组件,共计28块。日产热水量共计820L,总装机容量1.848kW,为骑车上班的员工们提供洗浴热水,以主动节能带动行为节能。

  5 关键节点设计

  根据岭南建筑的设计原理,因地制宜,将光伏发电、深挑檐遮阳、自然通风三者合一的节点设计,是实现上述功能的关键。因本项目位于北回归线以南,地处夏热冬暖地区,夏季遮阳、自然通风两大被动式技术对保持室内热舒适性有重要意义。多功能光伏幕墙所产电能以微电网形式利用,它还具有优异的建筑功能。

  5.1 夏季通风、冬季采暖

  首先,关键节点的上坡处依次设置穿孔铝板、光伏组件,下坡处设置穿孔铝板,上坡穿孔铝板内部设置季节通风控制模块。

  光伏组件以45°倾斜于立面接受更多的阳光,而如何将光伏发电自升温导致的建筑额外热负荷转化有益动力,是本设计的最大亮点。利用计算机求解描述流体流动、传热和传质的各种守恒控制偏微分方程组,并将各种求解的流动或传热现象进行可视化模拟的技术,简称CFD。本案凭借CFD技术,对多功能光伏幕墙的关键节点进行计算机建模,分析光伏组件背部空腔的空气流动规律,对铝板穿孔位置和穿孔率进行优化,实现对自然风的有效利用。

  通过控制季节通风控制模块,多功能光伏幕墙在夏季形成外通道,上下穿孔铝板形成的烟囱效应将光伏组件产生的热量排至室外,提高组件发电效率的同时防止热量传入到室内;在冬季形成的内通道,光伏组件加热的空气被引向室内,在发电的同时,为室内提供采暖和一定的新风量;春秋过渡季节以及夜晚,根据需要自助调节,让建筑自然通风、自由呼吸。

  5.2 深挑檐遮阳

  设置遮阳构件可以达到多个目的:一是避免光线直射入室内而造成眩光,引起视觉不舒适;二是避免夏天阳光直射入室内造成室内温度升高影响室内热舒适,三是丰富建筑立面的表现形式。

  从关键剖面上可知,多功能光伏幕墙的最大外挑尺寸1450mm,深挑檐距离窗户底部2930mm,具有有利的遮阳条件。利用Ecotec软件,分析全年直射阳光的光线,从分析结果可知,深挑檐能有效遮挡3月至9月的正午太阳光进入室内,同时,也不影响10月至次年2月的正午阳光进入室内。

  东、西、南、北朝向的平均外遮阳系数达到:0.645、0.553、0.659、0.649,本案还采用了具有优良遮阳性能的lowE玻璃,故各朝向平均综合遮阳系数可达0.198。

  5.3 快速安装、便捷维护

  幕墙关键节点设计以工业化生产组装为主,即先在工厂组装好几个小单元包括透明玻璃幕墙小单元、单榀层间造型竖向骨架、插接式光伏组件小单元、铝板小单元。多个小单元设计不但提高了工地现场安装效率,缩短工期,还对后期维护提供了很大便利。

  更重要的是光伏组件采用插接式边框安装,易维护更换,缩短更换维护周期,不影响发电。另外,由于组件倾斜布置,可从室内进行清洗,因研发楼30%的通风面积,从开启扇伸出工具进行幕墙清洗,对比一般幕墙使用吊篮清洗的做法,方便安全。

  本工程建筑抗震设防类别为丙类建筑,抗震基本烈度为7度,设计基本地震加速度0.10g, 设计地震分组为第一组,建筑抗震设防烈度7度。按照《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010规定,本工程属二类防雷建筑,防雷连接点采用直径12mm的镀锌圆钢连接龙骨与主体结构的防雷系统,使幕墙防雷系统达到要求。

  5.4高性价比光伏组件

  本案可操作性强,除了具有上述的高效率的安装特点,还应具有适合市场推广的性价比。本案中的光伏组件选用智能透明单玻插接式光伏组件,相较于普通光伏幕墙使用的光伏双玻组件,本设计更具有经济优势。本方案所使用的智能透明单玻插接式光伏组件是176w,折算约127.5W/m2,从下表中可知,相比普通双玻光伏组件,可节约1020元/m2。

  6 光伏微电网

  微型智能配电网络,是由微能源、负荷、储能、控制部件组成,简称微电网。

  微能源:本案中的多功能光伏幕墙的光伏组件就是微电网里的主要微电源,另有三个旁路作为备用电源。当天气晴朗的工况,微电源供电与负载匹配,能源得到有效利用;当辐照特别高的工况,电量存入蓄电池,避免浪费;当阴雨天等辐照条件不足的工况,切入市电旁路,以市电供应数据中心;当阴雨天且市政断电的工况,立即切入蓄电池旁路,由蓄电池供电,待柴油发电机启动并平稳工作后,切入第三个旁路由柴油发电机供电,保证了负载的无间断供电。

  负荷:本案中的负荷是作为办公系统心脏的绿色数据中心。绿色数据中心是微电网的供电对象,具有耗电量稳定、持续、变化极小、必须无间断供电等特点,正好符合微电网的供应特点。

  储能:本着最优化资源配置的原则,本案中的微电网蓄电池是根据有后备电源但后备电源无法极速启动的特点进行配置,故不需要过多的蓄电池,这样就很好的解决了微电网系统不可避免的储能成本高、运维成本高的缺点,尤其适用于城市地区的办公大楼。

  控制部件:多旁路的智能切换、UPS功能搭载、多工况监控的微电网控制策略,完全满足绿色数据中心的各项要求。

  微电网保障电力稳定供应的前提下,储能逆变器利用蓄电池及其他快速充放电系统或设备储存部分光伏发电,减少输送到电网上的电量,增加自发自用的比例,进一步降低建筑对电网电力负荷需求。

  7 GREEN YES的多个光伏系统介绍

  在“被动优先、主动优化”的前提下,GREEN YES身披太阳能外衣,建有5大光伏系统,包含了多功能光伏幕墙、整体升降垂直通风光伏采光顶、园林式光伏屋面遮阳、光伏双玻百叶女儿墙、双层点式光伏雨篷等构造形式,并创造性的运用微电网和局部直流微网为建筑的数据中心提供电源。

  整体升降垂直通风光伏采光顶。裙楼顶部设置了可利用液压装置整体升起的光伏采光顶,与一楼的可开启幕墙形成一个通风通道。此光伏系统装机功率3.465kW,每年发电量2482kWh。

  光伏双玻百叶女儿墙。位于屋面女儿墙南立面,具有遮阳和降低屋面风速的作用,提高休息人员的舒适性。此光伏系统装机功率8.66kW,每年发电量2857kWh。

  园林式光伏屋面遮阳。屋面花园和遮阳光伏电站的双屋面设计,可供员工休息,并为底下楼层遮阳保温隔热。此光伏系统装机功率78.75kW,每年发电量59278kWh。

  双层点式光伏雨篷。位于大楼正门入口,具有遮阳、挡雨、采光的功能。发电一部分直接为大楼的电动汽车充电桩提供电源。此光伏系统装机功率17.472kW,每年发电量14592kWh。

  7 效益分析

  多功能光伏幕墙选用168W单晶硅光伏构件共计739块,总装机容量124.15kW,年发电量126万度,可省燃油32.8升或节省标准煤45.4千克,这也意味着少排放125.6千克的二氧化碳1.5千克的二氧化硫和.5千克氮氧化物。同时减少因火力发电产生的34.3千克粉尘,节约504.0升净水。而发电、通风、遮阳一体化的综合功能为系统的光伏发电效率提高3.71%,冬季提供新风量3895m3/h,系统周围空气温度降低1~2℃。

  8 结论

  随着技术的进步,太阳能发电技术的生产成本在下降,效率在提高,组件的回收利用等相应的产业也开始完备;随着政策的推陈出新,尤其是分布式光伏政策颁布以后,太阳能发电技术在城市的利用有了更有利的政策环境和经济扶持;随着社会的发展,人们越来越认识到,在日渐严峻的化石能源形势下,可再生能源低碳环保的特性,必将在人们生活中扮演着更重要的角色;太阳能光伏建筑一体化,已不再是应用太阳能发电的一种新概念,而是切切实实行之有效的节能方案。

  本案中,除了对太阳能光伏建筑一体化设计进行了一次创新,探讨了光伏组件在兼顾立面外观效果和较佳接收辐射量斜面两者之间的可行性。


专家介绍

罗多
铝门窗幕墙委员会专家组
工作单位:珠海兴业绿色建筑科技有限公司
技术职称:高级工程师
专业:幕墙结构设计
专长:各类新型幕墙结构设计、光伏建筑一体化的应用研究

  作者:罗多
来源:2017-2018分析报告
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