论文 | 固德威智慧能源研发大楼项目超低能耗建筑综合应用实施方案技术解析
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2024-12-30 11:05
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作者：珠海兴业绿色建筑科技有限公司 张冉、曾伟清、张志刚 超低能耗要求建筑通过使用可再生能源，达到综合节能率50%，绿色建筑要求由可再生能源提供电量比例Re＞4.0%，固德威智慧能源研发大楼项目积极响应国家“双碳”政策，结合地方标准要求以及当地地理环境、气象环境、自然资源情况，从太阳能光伏技术与玻璃幕墙系统进行结合的构造特点，利用可再生能源应用优势促进项目实现绿色超低能耗建筑绿色低碳目标。 超低能耗建筑、玻璃幕墙、建筑光伏一体化（BIPV）设计
“双碳”背景下，光伏行业近年正昂首迈上新一轮黄金赛道，在地面电站及优质大型屋顶资源逐渐稀缺的情况下，伴随着光伏成本的进一步下降，将太阳能发电设备—太阳电池板设计成为各种形式的建筑装饰材料，取代玻璃幕墙、外墙装饰石材、屋顶瓦等传统建筑材料，同时作为太阳能光伏发电系统，为用电负载提供绿色、环保、清洁的电力，这种太阳能发电系统与城市建筑相结合的应用形式开始有了巨大市场。 2020年9月22日，中国在第75届联合国大会上正式提出2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标。碳达峰是我国承诺，2030年之前，二氧化碳排放量不再增加，达到峰值后再缓慢减少。到2060年，所有的二氧化碳排放将通过植树、节能减排来抵消，这就是所谓的碳中和。碳达峰意味着在某个时间点，二氧化碳的排放量不再增加，达到峰值，然后逐渐回落。中国承诺，在2030年之前，二氧化碳的排放量不会增加，达到峰值后会慢慢减少。碳排放与经济发展密切相关，经济发展需要能源消耗。“双碳”目标对我国绿色低碳发展具有引领性、系统性，可以带来环境质量改善和产业发展的多重效应。 苏州位于夏热冬冷地区，其气候特征表现为夏季闷热冬季湿冷。建筑能耗既包括夏季制冷能耗也包括冬季取能耗。因此该地区的建筑节能措施应考虑保温、隔热、除湿及自然通风等内容。固德威智慧能源研发大楼是一座集办公、会议、研发及配套功能为一体的综合性甲级写字楼，位于苏州高新区塔园路西、横山路北，占地16429.20㎡，总建筑面积约72156.56㎡，绿地率为25%。该项目建设单位为苏州固德威技术股份有限公司，旨在率先把智慧能源、光伏幕墙、储能等新产品和技术应用起来，并按照最高等级的绿色建筑三星标准建造，打造绿色低碳建筑的示范。未来，这幢大楼将容纳3500名研发工程师，汇聚人才的力量不断探索智慧能源数字化技术，并围绕园区级的智慧能源微网研发全场景的一站式解决方案，希望在苏州、在高新区带动整个数字产业集群的蓬勃发展，推动新一代技术和产品快速落地，最终形成千亿级的产业集群，为高新区的经济做出重要贡献。 在国家“碳达峰和碳中和”政策的指引下，该项目定位为绿色超低能耗建筑的智慧能源研发大楼建筑。为实现以上目标，建筑中运用多种建筑光伏一体化（BIPV）产品及太阳能光伏板，特别是在建筑光伏一体化（BIPV）应用上，项目真正做到将BIPV产品高度融入到建筑中，配合固德威自产的GT系列工商业100-125kW光伏逆变器，采用大吨位一体化压铸技术，实现超高功率密度，与同功率段产品相比，体积减小20%，重量减轻15%，并且拥有超高转换效率、21A超大单串电流、极智安全、运维简单、最优LCOE等特点，完美适配大尺寸大功率组件，满足高容配比的设计需求，最大程度降低度电成本，能够为工厂园区、商场楼宇等工商业场景提供最优的光伏电站解决方案，注入绿色超能力，成就零碳先锋，该项目建成后全年累计光伏发电量将达到约49万KW•h（综合节能率≥50%），为大体量建筑物群体实现近零碳排放打下基础。实现将光伏组件建材化，最终实现“让每一栋建筑发电”的愿景。 （1）BIPV设计以兼顾建筑立面设计、美学和能源高效利用为原则。 建筑本身应该具有美学形式，而BIPV系统与建筑的整合使建筑外观更加具有魅力。BIPV系统的设计以不影响建筑外观设计为原则，本项目BIPV系统以兼顾建筑立面设计、美学和能源高效利用为原则。将光伏和垂直遮阳、水平百叶遮阳、屋顶瓦片、汽车坡道采光顶、自行车停车棚、透明幕墙相结合。光伏组件都是建筑物外部结构的一部分，既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能。立面效果更加丰富，富有变化，更具科技感。施工前技术性能示范样品的颜色、光泽及结构、表面处理的最终颜色都提交给建筑师和业主审核，确保达到建筑立面设计效果。 （2）BIPV设计以不影响建筑结构安全、功能和使用寿命为基本原则。 BIPV设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，任何对建筑本身产生损害和不良影响的BIPV设计都是不合格的设计。本项目大部分光伏组件都是建筑物外部结构的一部分，应用在幕墙、遮阳、采光顶的光伏产品均应达到建筑原本耐久性、结构安全等使用要求，符合所有国家标准要求。 本项目光伏设计在建筑初步设计阶段同步进行设计，将传统建筑构造与现代光伏工程技术和理念融合，引入建筑整合设计方法，发展太阳能与建筑集成技术。将太阳能应用技术纳入建筑设计全过程，以达到建筑设计美观、实用、经济的要求。BIPV首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果。建筑应该从设计一开始，就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以设计，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中一体化设计，使太阳能系统成为建筑组成不可分割的一部分，达到与建筑物的完美结合。 （4）围护结构保温隔热技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合。 光伏组件吸收太阳光线会导致组件温度上升影响光伏效率，与幕墙结合，对于夏季室内散热不利，可能增加建筑空调负荷，所以进行光伏建筑一体化必须关注保温隔热。 塔楼立面竖向装饰铝板外侧光伏面板，每块板用4套不锈钢夹具，安装在竖向装饰条内部主体钢结构上。光伏玻璃面板之间留空不打胶，可以保证光伏幕墙通风散热，外观整洁。 大楼以五层裙房及20层塔楼的形式满足研发、办公、接待等各种要求。建筑塔楼布置于基地南侧，避免了对北侧住宅区的日照影响，裙房沿主干道一字展开，三四层最大10m悬挑，悬挑部分采用碲化镉光电幕墙，对直射阳光处理的同时，利用光能发电。将光伏和垂直遮阳、水平百叶遮阳、屋顶瓦片、机动/非机动车坡道采光顶、自行车停车棚、透明幕墙相结合，为建筑、场地披上光伏外衣。 本工程光伏幕墙系统类型主要有：折线型外部光伏幕墙系统、双层热通道外循环幕墙系统、双层遮阳百叶幕墙系统、地面及屋顶采光顶BIPV光伏系统，双层通风幕墙系统按循环形式可分为两种：一种为封闭式内通风幕墙，也称作双层内呼吸式玻璃幕墙。封闭式内通风幕墙从室内的下通道吸入空气，在热通道内上升至上部排风口，从吊顶内的风管排出，这一循环在室内进行，外幕墙完全封闭。另一种为开敝式外通风幕墙，也称作双层外呼吸式玻璃幕墙。与内通风幕墙相反，开敝式外通风幕墙是内层封闭的，采用中空玻璃；外幕墙采用单层玻璃，设有进风口和排风口，利用室外空气进入热通道，并带走热量，从上部排风口排出，减少太阳辐射热的影响，节约能源，它无须专用机械设备，完全靠自然通风，维护和运行费用低，这是目前国内应用最广泛的双层幕墙形式，本工程项目也是采用此形式双层幕墙系统 -- 双层热通道外循环幕墙系统。由于考虑本工程位于高新工业区，周边环境噪音比较大，且根据立面的需要，将裙楼东西南立面三层以上设计为双层幕墙系统。采用的是开敞式外通风幕墙系统，外层为竖隐横明玻璃幕墙或外挑遮阳百叶，内层竖明横隐玻璃幕墙，中间形成 1000mm 热通道，外层玻璃采用光伏玻璃，内层玻璃采用满足绿色建筑规范的钢化中空超白玻璃。 为了提高建筑的立面效果，工程中大面积采用铝板装饰线造型，且竖向装饰线向外挑 700mm，装饰线最大宽度为 145mm。该装饰线拟合光照最佳角度，在侧面安装晶硅光伏幕墙面板。光伏面板位于竖向装饰铝板外侧，每块光伏板用不锈钢夹具，安装在竖向装饰条内部主体钢结构上。光伏玻璃面板之间留空不打胶，可以保证光伏幕墙通风散热，外观整洁。通过对光伏组件的外观处理，拟合出金属板的材质效果，充分做到将光伏组件建材化的设计。 裙楼南立面、东立面3层至5层外立面，安装碲化镉光伏玻璃。 光电幕墙采用了双层幕墙形式，内层为标准竖明横隐框架玻璃幕墙，面板选用6双银LOW-E+12Ar+6mm（暖边）中空钢化玻璃；在层间结构梁位置悬挑1.3米钢梁作为外层光电板幕墙连接支点，外层面板采用规格为2.1米宽，1.4米高的8+1.52PVB+3.2碲化镉（光电玻璃）+1.52PVB+8全超白钢化夹胶玻璃，内外层幕墙间每层设置检修马道方便维修。光电板接线盒放置在光电板上侧，隐藏在铝合金扣盖与横梁之间，光伏线缆从层间悬挑钢梁腔体汇入室内。 在裙楼西立面、东立面2层至5层光伏百叶。晶硅光伏组件以百叶形式安装，安装方式采用铝合金副框固定光伏玻璃，再把铝合金副框固定在竖向立柱上，美观简洁。遮阳百叶光电板幕墙内层为竖明横隐框架玻璃幕墙，面板采用12双银LOW-E+12Ar+12mm（暖边）中空钢化玻璃，发电部分遮阳构件采用铝合金型材托接5+1.14PVB+PV+1.14PVB+5mm全超白钢化夹层玻璃，与地面成150°夹角。 为支持国家低碳减排、节能环保政策，响应国建建设绿色、生态、低碳城市的要求，本项目按照绿色建筑设计概念，不仅仅考虑了热工性能绝佳的双层热通道外循环幕墙系统、竖向外遮阳系统用以减低建筑空调能耗，还设计了场地光伏发电系统，用以补充建筑自身电力消耗，在夏季，建筑处于强日照环境时，由于大量制冷设备的使用形成电网用电高峰，而这时也是光伏阵列发电最多的时候。因此，在公共办公大楼中使用太阳能光伏发电可以有效地削减建筑高峰用电，从而缓解高峰电力需求，起到削峰填谷的作用。 裙楼及塔楼顶部的非活动区域也被利用起来布置光伏组件，这里也将成为固德威光伏产品的户外展示区。室外停车场将配备模块化灵活组合的光伏充电一体化车棚，不仅能为车辆遮阳避雨，还可为电动车、新能源汽车、厂区、企业供给电能。 在塔楼屋顶安装屋顶钢架平台，铺装标准M10光伏组件，组件功率365W，总装机容量52.56kWp，中庭屋面采用标准M6光伏瓦，组件功率92W，总装机容量2.76kWp。塔楼总光伏面积为292.97㎡，年发电量约为5.8万度。 2）裙楼屋顶+南北两个机动车地下车库通道+非机动车地下车库通道： 项目中在地下车库通道及裙楼屋顶采用晶硅光伏产品，可实现柔和透光和遮阳，发电的同时兼具观赏功能。裙楼屋面安装M10采光顶组件，组件功率275W，年发电量约为15.2万度；南北两个机动车地下车库通道+非机动车地下车库通道安装M10采光顶组件，组件功率275W，年发电量约为6.43万度。裙楼屋顶采光顶光伏板考虑到观赏性，用挑高3.5米的钢梁作为支架，支架底部做15公分的结构柱墩起到结构防水功能，光伏板规格为1.4米x1.4米的定制晶硅光伏产品，有别传统的条形基础屋面光伏系统，更加大气美观，功能性更强。 车棚安装M10光伏系列组件，组件功率365W，年发电量约为2.76万度，实现发电防水安全一体化等功能。 本工程采用现时技术成熟的多晶硅组件，具有质量稳定，效率较高的特点，逆变器选用固德威组串型逆变器，包含多个独立的MPPT电路能更有效的利用光伏组件发电功率；满足光伏分布式电站模块化设计,保证光伏电站长期、可靠、安全的发电。整个项目光伏直流侧装机容量为673.141kWp，预估发电量49 万 KW·h（综合节能率≥50%)、使用固德威3.6kW单相逆变器1台、5kW单相逆变器3台、17kW逆变器1台、20kW逆变器1台、25kW逆变器3台、30kW逆变器1台、40kW逆变器4台、50kW逆变器2台、60kW逆变器2台、110kW逆变器1台。光伏组件安装面积6000平方米，系统所发电自发自用，余电上网。 建筑设计为南北走向，充分利用过渡季主导风向，强化室内的自然通风；优化体形系数，减少建筑外表面与空气接触面积，利于建筑节能；优化窗墙比，在考虑充分利用自然采光和自然通风的同时，考虑对建筑供暖空调能耗的影响，实现最大化建筑节能；对围护结构热工性能进行优化，实现比国家节能标准提高20%以上，很大程度降低了建筑的能耗；建筑进行隔热优化，采用屋顶绿化与屋顶架空光伏、光热系统相结合，起到屋面隔热目的；进行外遮阳设计，建筑立面设置外遮阳与光伏构件相结合，起到遮阳作用的同时实现建筑可再生能源的充分应用。结合当地气候特征、自然环境和项目特点，综合运用多项绿色低碳技术，旨在将项目打造为一个健康舒适、环境宜居、智慧能源、可在夏热冬冷地区可复制可推广的绿色超低能耗建筑。 本工程石材幕墙工程量约2850㎡，主要位于裙楼，幕墙类型采用背栓式石材幕墙，面板采用30mm厚石材，该项目石材做法为10mm打密封胶，由于苏州地区室外年季节温差较大，该胶缝位置易因胶老化导致结构内层漏水。 解决方法一：建议该位置采用后补1.5mm镀锌钢板披水板做法，做法如下图： 解决方法二：建议在石材断面进行切口处理，再打密封胶进行填充，做法如下图： 该项目光伏板运用的位置多，布板形式多样，光伏板的走线、防水、组串、并网、监控及光伏设备的匹配选购等均需重点考虑。 1、 光电幕墙布线施工方案：碲化镉光电玻璃通过引线槽将电线连接到室内电缆线走桥架内。 2）屋顶布线示意图 通过合理串线，减少电缆接头用量和电缆长度，降低电缆线损，提高系统效率。 3）对组件不同区域分别编号并组串 对各区域、各位置的相同条件的组件合理分类并组串，避免不同条件的组件联结，可有效提高系统效率。 对于立面、屋顶不同位置或不同朝向的组件不可组串，避免连接后效率损失，降低系统效率，但同样条件相近时进行组串。 4）对于屋顶组件必须保证建筑功能 光伏构件仍是建筑一部分，也必须满足建筑功能，从产品设计到施工全过程，保证其功能年限。 5）光伏监控 光伏监控系统实现对光伏电站内的光伏阵列、逆变器、汇流箱、环境监测等系统的全面实时的监测和控制，并能展现丰富的界面，提供强大的分析处理功能和完善的监测报警机制。通过各种样式的图表及数据及时有效地掌握电站的运行情况，确保光伏发电系统的可靠和稳定运行。 3.双层幕墙施工措施 本工程均为框架式幕墙系统。内侧为横隐竖明玻璃幕墙、外侧为光电幕墙；两个系统相互制约影响，且施工措施上难度都非常大，因此，施工工序及施工措施的选择尤其重要。并且在安装过程中，可行性、安全性、精密性等都要步步落实，保证外立面效果以及结构安全性。 双层幕墙采取搭设四排脚手架，首先安装钢龙骨→再装格栅马道→然后完善内层的玻璃幕墙安装→最后安装外层光电幕墙。 4.大板块玻璃的安装 经过测算，塔楼常规玻璃尺寸为2.1*2.6m， 12+1.52pvb+12mm玻璃超大超重（重量约为350KG），仅靠人工难以进行安装，而且吊篮施工存在一定的安全隐患。 项目团队计划在屋顶结构上增加一圈吊装轨道梁，用于玻璃的垂直运输及吊装作业。 玻璃吊装时在轨道下设置一个吊装卷扬机，并配合电动吸盘进行玻璃安装，既保证安装速度，又保证了安装的可靠性与精准度。为保证安装进度，拟在四个面各布设一台电动卷扬机及电动吸盘配合安装。 建筑领域是全球碳排放的主要来源之一，国家大力发展节能低碳建筑的政策，持续提高新建建筑节能标准，推进近零能耗建筑发展，在项目建设上，广泛应用绿色低碳建材，推动建筑材料循环利用。另外，在建筑用能上，设计优化建筑用能结构，深化可再生能源建筑应用，推动建筑用能电气化和低碳化，在建筑的全寿命周期内，从阳光的利用，能源的转换以及生态绿色空间的营建，实现整个建筑的碳中和。规模化推广近零能耗建筑，进一步提升建筑中可再生能源应用比例。现代社会，人们的生活越发注重环保，自然，绿色，健康，相对常规节能建筑，应用被动式建筑设计以及主动式高性能能源系统的超低能耗建筑降低建筑物在使用过程中能源消耗低，间接减少了污染物和温室气体排放，对实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。 BIPV作为建筑光伏的新方案，在安全性、观赏性、便捷性和经济性等方面都具备一定的优势： 1）BIPV不需要额外装置来固定光伏设备，其光伏组件也不像BAPV一样暴露在外面，不易受到外力侵蚀，更具有安全性； 2）BIPV将光伏组件融入建材，使得建筑更具有整体性，可以通过改变组件的颜色、形状和透明度等进行定制化设计，使其更具有观赏性； 3）光伏组件与建筑的深度融合提高了BIPV的稳定性，使其使用寿命远高于其他分布式光伏； 4）维护时减少了对已有建筑的毁损，降低了维护成本。 超低能耗建筑设计是要真正从BAPV和BIPV双重视角出发，充分考虑到了防火、保温、抗风揭等建材属性，实现光伏跟建筑结合的一体化集成，是对传统分布式光伏的升级。应对过度碳排危机实现碳达峰、碳中和，建筑领域减碳首当其冲，在“双碳”目标下，大力发展建筑光伏一体化，将是规模化推广近零能耗建筑应用最有效的抓手，也是解决建筑碳排问题的必由之路。
