基于光伏一體化的模塊化裝配式集成建筑設計

武威

【摘要】本文以光伏一體化箱體裝配式建筑應用實踐為例，闡述了其模塊化快速裝配、光伏建筑一體化、光電光熱協(xié)同利用、主動式空氣循環(huán)凈化與被動式通風結(jié)合利用、能源智慧管理與遠程監(jiān)控5種創(chuàng)新技術(shù)的協(xié)同應用，探討了該類型建筑應用的意義和潛力，助力實現(xiàn)加速產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化落地。

【關(guān)鍵詞】光伏建筑一體化;模塊化箱體;多技術(shù)協(xié)同利用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.13.055

1、研究背景

箱體裝配式建筑是一種基于預制生產(chǎn)技術(shù)和模塊單元裝配技術(shù)相結(jié)合的特殊類型建筑，主要由鋼結(jié)構(gòu)或混凝土等裝配式構(gòu)件連接形成獨立的模塊箱體，再經(jīng)過組合設計為滿足相應使用功能的建筑。在因城市人口激增導致環(huán)境資源壓力的現(xiàn)代世界，能源短缺、用地緊張、環(huán)境惡化等不確定因素持續(xù)影響著建筑業(yè)的發(fā)展走向，箱體裝配式建筑也經(jīng)歷了數(shù)十年的創(chuàng)新與變革。箱體裝配式建筑的產(chǎn)生源于預制建筑，盡管在上世紀出現(xiàn)的勒·柯布西耶的居住機器理論、建筑電訊學派（Archigram）提出的“插件城市”概念以及黑川紀章的“新陳代謝”理論，都未能真正地大規(guī)模實現(xiàn)，但他們對預制建筑所構(gòu)想的“像造汽車一樣精準地制造房子”、“可打包的插件城市”、“生命細胞似的居住艙體”等核心思想和設計實踐仍為箱體裝配式建筑的未來打下了堅實的基礎。伴隨著技術(shù)更迭和時代精神的進步，箱體裝配式建筑憑借著在建造方式層面所特有的可復制性、適應性和可移動性，使其相對于傳統(tǒng)建筑具有快速安裝、易于拆卸、綠色可持續(xù)等諸多明顯的優(yōu)勢，又重新回歸了建筑師們的視野。孟建民院士近期指出：“裝配式建筑具有設計標準化、構(gòu)件生產(chǎn)工廠化、施工裝配化、裝修一體化以及運維智慧化等優(yōu)勢。尤其面對重大災害或疫情，裝配式建筑的實施是有效手段之一。”[1]最為成功且典型的案例是在2020年初新冠疫情爆發(fā)期間建設的武漢雷神山醫(yī)院。超過七萬平方米的醫(yī)療建筑由模數(shù)化的單元組合而成，僅在在十天內(nèi)即完成建設投入使用，充分體現(xiàn)了箱體裝配式建筑在標準生產(chǎn)、裝配建造、快速安裝和智慧管理所具有的巨大優(yōu)勢，同時也驗證了無論是小型的居住類建筑還是大型的公共建設項目，箱體裝配式建筑都可以提供新的選擇。

2、設計與實踐

如今，為了使箱體裝配式建筑具有更廣泛的適應性，借助新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，可以通過光伏建筑一體化（BIPV）技術(shù)將光伏材料與裝配式箱體建筑結(jié)合，將建筑的屋面和立面作為重要的資源開發(fā)利用，使建筑由能源的消耗者轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉吹墓┙o者，實現(xiàn)光伏建筑一體化。其模塊化組合、快速裝配，不占用土地、不破壞環(huán)境，能源自給自足，可離網(wǎng)運行，廣泛適用于城鄉(xiāng)區(qū)域、風景區(qū)、自然保護區(qū)、邊塞海島等臨時建設用地和電網(wǎng)無法接入?yún)^(qū)域。

本文以一個小型的光伏一體化裝配式箱體建筑為例，通過對光伏箱體建筑所應用技術(shù)的闡述與總結(jié)，旨在探討該類型建筑技術(shù)的應用潛力，實現(xiàn)加速產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化落地。

該箱體總建筑面積為54平方米，包括會議區(qū)、工作區(qū)、休息區(qū)、廚房餐廳、衛(wèi)生間等功能。（圖1）在設計和建設過程中應用了模塊化快速裝配、光伏建筑一體化、光電光熱協(xié)同利用、主動式空氣循環(huán)凈化與被動式通風結(jié)合、能源智慧管理與遠程監(jiān)控共五種創(chuàng)新技術(shù)：

2.1模塊化快速裝配技術(shù)

箱體建筑的核心優(yōu)勢是建筑的可移動再建，利用模塊化設計靈活組合，實現(xiàn)異地快速組裝重建。試驗建筑由4個長3m、寬6m、面積為18㎡的箱體單元組成，包括入口區(qū)A單元、工作區(qū)B單元和會議區(qū)C單元共3個平屋頂單元以及1個坡屋頂D單元。（圖2）

在模塊組合方面，入口區(qū)A單元設計成具有餐廚、接待、展示、衛(wèi)生間和空調(diào)和光伏設備間的高度集合功能的模塊化單元，將空間利用最大化。該單元集成了整個建筑的供暖、制冷和給排水系統(tǒng)，獨立于其他核心使用空間，保證了后期的維護、再拆裝和相關(guān)的功能拓展。工作區(qū)B單元與坡屋頂D單元在垂直方向連接，通過精心設計的鋼木家具形成夾層空間，在二層布置了可眺望室外景觀的茶歇區(qū)，與下層的工位區(qū)域互不影響，增添了空間的多樣性。會議區(qū)C單元空間完整，與其他單元開敞連接，各單元功能獨立，互相連通，有機接合，保持了空間的流動性，在建筑內(nèi)部去除了傳統(tǒng)模塊化建筑的重復單調(diào)感。

在結(jié)構(gòu)與構(gòu)造方面，建筑單元主體采用框架鋼結(jié)構(gòu)形式，單元底部和頂部均為鋼性焊接的整體板式結(jié)構(gòu)，四個柱子與頂、底部的角點以螺栓連接。頂板、底板和結(jié)構(gòu)柱的形態(tài)與尺寸都經(jīng)過標準化的設計加工，在運輸、節(jié)材和快速安裝方面都有巨大優(yōu)勢。圍護墻體采用了高標準的金屬夾芯板，兩側(cè)0.6mm+0.7mm毫米厚的壓型鋼板墻體之間通過企口的連接方式保證墻體的強度和氣密性。160厚100kg/m3容重的巖棉芯可以滿足嚴寒（C）區(qū)熱工性能的要求，同時符合防火要求。獨立的屋、地面同樣使用巖棉填充，在矩形結(jié)構(gòu)框架內(nèi)部以C型鋼檁條作為支撐骨架，上下兩側(cè)使用鍍鋅鋼板焊接保證強度和防水性能。箱體整體組合采用了創(chuàng)新的結(jié)合式防水、密封和保溫細部構(gòu)造技術(shù)，保證了建筑的水密性和氣密性，增強了建筑的節(jié)能性、耐久性和耐候性。設計過程中利用BIM技術(shù)建立了模塊族庫，對箱體構(gòu)件的類型、尺寸和造價等參數(shù)進行了精細化把控與管理。

在模塊化裝配方面，建筑單元在工廠內(nèi)完成近90%的標準化加工，根據(jù)不同使用功能布置相應的配置，主要包括主體鋼結(jié)構(gòu)、屋頂、門窗、地面、光伏墻體、集成式內(nèi)裝修、電氣線路、暖通設備、給排水設施、可移動家具等。所有的裝修材料、家具、設備均做可拆換考慮，可隨時快速更換搬運。在實際安裝過程中，運輸以單個箱體為單位，簡單便捷，現(xiàn)場快速吊裝組合，整個吊裝過程1天完成，收邊整理工作3天完成，總計只用4天即可完成建筑現(xiàn)場建造和家具布置，投入使用。運用模塊化單元的意義在于不僅可以通過組合設計實現(xiàn)更大規(guī)模裝配工程，而且可完全標準化、工廠化加工，施工周期最短，節(jié)地節(jié)材，降低現(xiàn)場成本和環(huán)境污染程度。

2.2光伏建筑一體化技術(shù)

箱體建筑在墻體、坡屋面和雨棚三個部位使用了三種不同的先進的光伏建筑一體化技術(shù)。設計的原則是將光伏技術(shù)融入建筑系統(tǒng)，與建筑部分表面和構(gòu)件緊密結(jié)合，使之成為建筑的一部分，而不是單純地作為獨立的工程設備附著與其上。

墻面采用了銅銦鎵硒（CIGS）（銅銦鎵硒薄膜是由銅、銦、硒等金屬元素組成的直接帶隙化合物半導體材料，屬于第三代多結(jié)太陽能電池。本項目墻體上使用的組件為國家能源集團研發(fā)生產(chǎn)的銅銦鎵硒BIPV光伏組件，其覆板和基板都為玻璃。）光伏幕墻技術(shù)。建筑在受光良好的南側(cè)、西側(cè)外立面墻體安裝功率100瓦、600mmX1200mm尺寸的CIGS光伏組件總計32塊，總裝機容量3200瓦。光伏幕墻采用了獨創(chuàng)的小邊框構(gòu)造技術(shù)，避免邊框陰影遮擋的同時，可快速安裝和拆卸，維修維護十分方便，強度和耐久性優(yōu)于傳統(tǒng)玻璃幕墻體系。CIGS玻璃組件為黑色，且相較于晶硅組件顏色均勻，具有細膩的電池線紋理，呈現(xiàn)出較高級的幕墻外觀裝飾效果。（圖3）

坡屋頂采用了柔性銅銦鎵硒光伏技術(shù)。屋面金屬板材與柔性銅銦鎵硒光伏組件通過產(chǎn)線標準化加工結(jié)合，復合成單元式一體化發(fā)電屋頂構(gòu)件，并以直立鎖邊方式安裝。坡屋頂設計為35度最佳傾角，以保證獲得當?shù)刈畲蠊庹?，共安裝功率130瓦柔性CIGS構(gòu)件16片，裝總機量5280瓦。附著在金屬板之上的柔性光伏組件寬30厘米，長2米，以樹脂材料封裝，重量僅為5公斤，與傳統(tǒng)玻璃基的組件相比，具有能彎曲、重量輕的優(yōu)勢，不僅降低了屋面荷載，而且易于安裝和運輸，與輕質(zhì)屋面系統(tǒng)十分契合。（圖4）

雨棚選用了碲化鎘（碲化鎘薄膜太陽能電池簡稱CdTe電池，它是一種以p型CdTe和n型CdS的異質(zhì)結(jié)為基礎的薄膜太陽能電池。高轉(zhuǎn)換效率、低成本和高穩(wěn)定性是碲化鎘組件的主要特征。）半透明彩色玻璃組件。碲化鎘組件弱光性好，項目選用的是通過加大電池布置間距形成的透光組件，并利用鍍膜技術(shù)改變組件顏色，使建筑呈現(xiàn)出了多樣化的藝術(shù)效果。

一體化的墻體、屋面光伏平均每天發(fā)電15-20千瓦時，即使在嚴寒地區(qū)，建筑24小時不間斷運行，能耗包括采暖能耗、照明能耗和日常生活辦公能耗等。試驗數(shù)據(jù)顯示，該建筑的光伏系統(tǒng)產(chǎn)能仍可承擔38%的能耗。如按全年考慮，可完全滿足全年日常建筑照明、制冷、制熱需求，達到零能耗建筑標準。

2.3光電光熱協(xié)同利用技術(shù)

在光伏發(fā)電的同時，利用呼吸式幕墻系統(tǒng)，收集隨之伴生的熱能，光熱協(xié)同為試驗建筑提供能源。根據(jù)實驗檢測，光伏組件在發(fā)熱過程中，會產(chǎn)生大量余熱，表面最高溫度可接近70度。余熱不僅棄之可惜，高溫亦會導致組件的發(fā)電性能降低。為此，在受光照最強的南側(cè)和西側(cè)外墻設計了呼吸式光伏墻體。主要原理是依靠光伏組件和結(jié)構(gòu)墻體圍合的部分，形成空腔，空腔頂部和底部設置可調(diào)節(jié)通風閥，通過控制閥門開閉，以應對不同季節(jié)工況，形成建筑仿生皮膚體系?？涨粌?nèi)部和建筑室內(nèi)安裝了溫度監(jiān)測模塊，用以監(jiān)測冬、夏兩季墻體對室內(nèi)溫度的影響。

夏季全部通風閥開啟，墻體空腔內(nèi)熱量通過“煙囪效應”快速上升散熱，外層光伏組件在發(fā)電吸收太陽能量的同時也起到了遮陽隔熱作用，監(jiān)測結(jié)果顯示可平均降低內(nèi)墻表面溫度約10度，減少近75%的墻體得熱，效果十分可觀。以沈陽市夏季典型的一天為例，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示出正南方向受日照輻射狀態(tài)的光伏組件的最高溫度達到了58°，平均溫度為43°，而空腔內(nèi)部的最高溫度只有42°，平均溫度下降到了36°，降溫效果十分顯著。

而冬季通風閥關(guān)閉，空腔內(nèi)部封閉，經(jīng)日照加熱的空氣保存在空腔內(nèi)，且停止流動，形成光伏“暖墻”，增加建筑圍護體系保溫性能，節(jié)能可達20%以上。同樣以處于嚴寒地區(qū)的沈陽市冬季典型的一天為例，數(shù)據(jù)顯示在早8時至下午16時之間，室外的平均溫度達到了-16.8°，建筑的南側(cè)幕墻空腔內(nèi)平均溫度為-1.8°，最高溫度達到了10.9°。在室外溫度接近-15°的前提下，約5個小時的時間維持了0°以上的溫度，可見光伏墻體對建筑的保溫節(jié)能起到重要作用。

2.4主動式空氣循環(huán)凈化與被動式通風結(jié)合技術(shù)

考慮到室內(nèi)環(huán)境舒適性和通風節(jié)能，嘗試將主動式空氣循環(huán)凈化技術(shù)與被動式通風結(jié)合設計。

優(yōu)先選擇自然通風模式，通過對臨時場地的風環(huán)境進行了實測和模擬分析，確定了風向和風速，西側(cè)和南側(cè)氣流相對活躍，而在北側(cè)和東側(cè)氣流流動性差。充分考慮保證南側(cè)和西側(cè)的光伏組件數(shù)量所占用的面積，開窗位置遵循在向風側(cè)西側(cè)和南側(cè)進風，背風側(cè)出風的原則。同時在坡屋面的南北兩側(cè)開設了通風窗口，可以在通風時同時帶走一層和夾層空間內(nèi)的熱空氣，達到被動式降低能耗的目的。

同時采用主動式空氣循環(huán)凈化方式，將新風凈化裝置與光伏墻體空腔結(jié)合，進入智能溫度控制模式，冬季工況下，當空腔溫度被日照加熱達到30℃后，新風凈化裝置啟動，將密閉空腔內(nèi)的熱空氣凈化后導入室內(nèi)，為建筑供熱并輸送新風，可實現(xiàn)建筑節(jié)能40%以上。冬季建筑封閉情況下的室內(nèi)空氣質(zhì)量得到顯著改善，PM2.5濃度檢測低于10μg/m3，可以達到優(yōu)秀等級。

2.5能源智慧管理與遠程監(jiān)控技術(shù)

建筑能源系統(tǒng)采用低壓用戶側(cè)單點并網(wǎng)形式。光伏產(chǎn)生的直流電，直接通過并網(wǎng)逆變器，轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率同相位的交流電能，日發(fā)電量約16度，為建筑的照明、電腦、空調(diào)、熱水器等提供綠色電力供應。在未來，也可直接將光伏直流電用于專門的直流用電設備，降低損耗。

通過能源智慧管理系統(tǒng)實現(xiàn)了光伏電能和市網(wǎng)電能的無縫切換，系統(tǒng)優(yōu)先使用光伏電能，當光伏電能不足時，自動切換到市網(wǎng)電能。

同時，智慧管理系統(tǒng)通過GPRS遠程監(jiān)控程序，實現(xiàn)了手機客戶端管理服務，直觀顯示建筑產(chǎn)能和用能關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括光伏發(fā)電量、建筑用電量、室內(nèi)溫度、環(huán)境參數(shù)等，實現(xiàn)了運用數(shù)字孿生技術(shù)遠程監(jiān)控和管理建筑運行情況，為建筑的全信息智能化提供了基礎支持。

結(jié)語：

光伏一體化箱體裝配式建筑是光伏新材料建材化技術(shù)、新能源建筑集成技術(shù)、裝配式技術(shù)、多能互補建筑節(jié)能技術(shù)、能源智慧管理與協(xié)同利用技術(shù)的綜合應用，是推進以“標準化設計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理”為特征的建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化的關(guān)鍵升級，必將在我國的生態(tài)文明建設、綠色低碳發(fā)展、快速城鎮(zhèn)化進程中，發(fā)揮巨大作用。

參考文獻：

[1]王建國，莊惟敏，孟建民，等.群論：當代城市·新型人居·建筑設計[J].建筑學報，2020（3）：2-27.