曾几何时，城市里的建筑越来越喜欢采用玻璃幕墙，虽然建筑外观看起来大气美观、闪闪发光，但越来越多的玻璃幕墙带来了一个大问题：光污染。如今，曾经困扰城市的建筑玻璃幕墙，正在发生着改变。在城市的中心，越来越多的大厦开始采用能发电的玻璃幕墙，将大厦改造成为光伏一体化绿色建筑。

其中，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。

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光伏玻璃幕墙与零能耗建筑的关系

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。

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。

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，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。

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光伏玻璃幕墙一体化设计

1、光伏幕墙一体化原理

光伏幕墙一般包括玻璃幕墙系统、铝板幕墙系统以及不锈钢幕墙系统等，其种类非常多，施工企业需要根据实际情况选择科学合理的幕墙系统进行设计与实施，本文将选用玻璃幕墙系统进行详细的讲解，以此为光伏幕墙类似建筑工程项目的发展积累宝贵经验。光伏玻璃幕墙的主要材料需要应用到玻璃面材、光伏玻璃、光伏玻璃板块以及中空夹胶玻璃等，在实际运用过程中可以将不可见的部分阳光进行良好的氧化处理。光伏玻璃幕墙具有良好的光伏发电功能，它的主要构成包括了玻璃幕墙、光伏组件、并网点、逆变器、监测系统以及防雷系统等，在实际应用过程中，其主要利用光伏玻璃幕墙组件以及电气设备等吸收太阳能，然后通过转换处理变成电能，进而达到能源节约、节能环保的目的。

2、光伏幕墙电气设计

在光伏玻璃幕墙打造过程中，电气设计是不必可少的一个重要环节，它是光伏组件以及其他电气设备能够正常安全运行的基础条件，因此施工企业及设计单位需要充分了解与掌握零碳建筑的实际要求，在电气设计过程中最大程度降低能源损耗。在光伏玻璃幕墙建筑建设过程中，电气设计中的并网点需要设置在建筑物的中间层光伏发电机房中的母线位置上，并采用高质量的并网柜以及低压电器设备，采用电缆将两者紧密对接在一起，其中并网柜所采用的主断路器需要设计必要的短路瞬时保护以及长延时保护等。在低压并网柜内部，设计人员需要在合理的位置上预留计量表位置，以便在实际施工过程中配置一台计量表。另外，设计人员需要采用8进1出直流汇流盒，并且在每一条直流支路中配置科学有效的防反二极管。采用10KW左右的组串逆变器设备，同时在逆变器的直流侧负极位置上配置必要的接地模块装置，并配置好必要的2路MPPT设备。光伏玻璃幕墙工程项目的电气设计如图1所示

3、光伏幕墙细部设计

1.防雷设计

在通常情况下，光伏玻璃幕墙系统主要应用在高层建筑物中，所以根据高层建筑物防雷要求，需要应用三类防雷措施，具体需要防范直击雷以及雷电波，以此才能更好起到相应保护作用。光伏玻璃幕墙工程项目主要结构形式采用了钢筋混凝土结构，应用的防雷手段在很大程度上可以有效疏导雷击电流，以此来达到保护光伏幕墙建筑的目的。光伏玻璃幕墙建筑的防雷设计基本原理主要是利用光伏组件以及光伏方阵等金属边框作为科学有效的接闪器，再利用建筑物的柱内钢筋或是钢构架等金属物作为自然引下线，最后利用建筑物的基础内钢筋作为自然接地体，这样的防雷设计既达到了良好的防雷效果，还有效降低了资源损耗，为业主创造了较大的经济效益。在具体的设计过程中，设计人员需要将光伏组件的金属边框与光伏金属支架电气紧密连接成一个整体，同时还需要在建筑物屋面安装必要的雷电防护装置，然后将光伏组件金属边框、光伏金属支架电气、屋面雷电防护装置、墙面内钢筋以及建筑物金属护栏等全部做好必要的电气连接，其中需要特别注意的是屋面电气连接需要间隔15米左右连接一次、墙面电气连接需要间隔4米左右连接一次。最后，电气设计需要采用浪涌保护器对直流、交流、单相以及多相等进行必要的保护，使得高速能量得到良好释放。

2.门窗设计

在光伏玻璃幕墙工程项目建设过程中，门窗设计是一种有效实现零碳建筑的项目之一，其中节能门窗可以设置在土建结构位置上，也可以设置在全玻璃幕墙位置上。在选用门窗材料的时候，设计人员可以根据门的实际效果选用TP6+20A+TP6中空玻璃材料，窗户可以选用TP6+12A+TP5+12A+TP6双银LOW-E中空玻璃，该类型的材料具有众多的优势，比如良好的隔热性能、隔音性能、实用性能以及美观性能等。它的主要构成就是采用三片左右的特殊玻璃，利用高强度的高气密性复合粘结剂将每一片玻璃与内含干燥剂的铝合金框架粘接在一起，制作而成的中空玻璃具有高效的隔热、隔音等效果。在实际应用过程中，中空玻璃的铝合金型材在建筑物外部以及室内等可见部分需要进行必要的氟碳喷涂处理，另外的不可见部分需要进行必要的阳极氧化处理。除此之外，门窗结构还需要设计保温作用，保温材料需要采用良好的玻璃纤维板材料以及中空玻璃微珠保温隔热材料，以此来达到最大化的绿色节能效果。外立面的玻璃幕墙保温层厚度需要合理控制在10厘米左右，并且在门窗与玻璃幕墙的交接位置上采用先预埋门窗埋件、后实施保温层的施工模式进行操作，以此达到建筑物保温、节能、环保等设计要求。

3.监测系统

在光伏玻璃幕墙工程项目建设过程中，需要采用科学有效的光伏幕墙监测系统，使其能够进行24小时动态化的监测，促使光伏玻璃幕墙系统一体化建筑物能够始终处在一个安全的环境中。光伏幕墙监测系统的主要构成包括数据采集系统以及数据传输系统等两个大部件，在具体实施过程中，监测系统内部需要合理设置数据管理中心，在本质上也相当于操作员站，主要是方便工作人员能够充分了解与掌握光伏玻璃幕墙系统的正常安全运行情况。数据管理中心主要包括监控操作主机、通讯管理设备、环境监测仪器以及数据传输设备等关键部件。其中环境监测仪器主要对整个光伏幕墙建筑进行动态化的监测，一旦监测到异常情况，该仪器就会自动对其进行检测，然后将获取到的数据信息以及画面等通过数据传输功能实时传输到数据管理中心，工作人员就可以在界面上实时查看信息，了解问题出现的原因以及具体位置，然后通过通讯管理设备对相应的检修人员发出通知，促使检修人员能够根据检测结果对相应的设备以及环境进行查看，以此来确保光伏幕墙系统建筑物的安全与稳定。

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应用案例

2019年7月，汉能公司将位于南昌市高新区的南昌国家医药国际创新园联合研究院的玻璃幕墙，改造为6000多平方米的太阳能发电幕墙，将薄膜太阳能技术与玻璃相结合，让玻璃幕墙转化光能为电能。

该项目采用规格为1200mm X 1130mm的汉能汉墙欧瑞康组件单元板块，单片功率为100w，项目立面总共4600个发电单元，总装机容量为460千瓦。发出的电主要应用于建筑室内照明、新风系统、空调系统，大大减少了建筑对外部能源的损耗。

2021年，由英利建设的北京市首座“光伏一体化绿色建筑”建成，该建筑采用轻型一体化装配式光伏墙体，墙体总共安装了1155块薄膜光伏组件。经测算，年发电量达7.5万度，可满足该建筑约30%-40%的用电需求，能显著地降低建筑的能耗。

我国的绿色建筑在飞速发展，截至2019年底，全国累计建设绿色建筑面积超过50亿平方米，城镇绿色建筑占新建建筑的比重，从2012年的2%大幅提升至2019年的65%，全国获得绿色建筑标识的项目累计达到2万个，建筑面积超过22亿平方米。

据央视报道，安徽蚌埠的这个世界单体规模最大薄膜光伏一体化应用示范项目，充分利用自主研发的铜铟镓硒和碲化镉发电玻璃，取代了大部分外墙材料和屋顶材料。特别值得一提的是，即使是在多云或阴天等弱光情况下，该薄膜光伏依然可以有效进行光电转换，可以说是“有光就有电”！

仅这一栋建筑，每年可发电将超过1100万度电，节约燃煤约4700吨，减少二氧化碳排放约1.06万吨。该项目采用“自发自用、余电上网”的模式，大幅降低了工业能耗指标，使夏季厂房内工作环境温度下降约4-6度，同时还显著降低了建筑屋顶的维修费用和用电成本、延长了防水层寿命，实现了从“高能耗向低能耗、正能耗”的转变。

光伏一体化建筑的最大优势，就是将光伏元件直接作为屋顶或玻璃幕墙材料，因此在建筑物的设计和使用过程中可以节约材料和节省成本，使用效果也得到了提升。

另外太阳能组件在发电过程中会产生一部分热量，因此可以给建筑物带来一定的保温效果，同时在夏季还具有很好的隔热作用。

目前，光伏建筑一体化的应用主要是在光伏幕墙上。在玻璃幕墙上既使用单晶硅太阳能板用来发电，也可以使用双玻璃光伏组件来代替原有组件以提高发电的转化效率，组合后的玻璃幕墙不仅具有发电功能，还同时具有隔热、隔音等功效， 而且提高了太阳能的利用率，实现了绿色循环。

中国《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》指出，到2025年，全国需新增建筑太阳能光伏装机容量0.5亿千瓦以上。

据测算，我国建筑屋顶面积约300亿平米，而2021年底我国光伏装机存量为306GW，因此太阳能光伏一体化建筑的市场潜力非常巨大。

能发电的玻璃幕墙和屋顶光伏一样，都将是未来分布式太阳能的重点发展方向。未来，光伏一体化绿色建筑一定会越来越多！

文章来源： 洞察新能源，城镇建设，中国幕墙网