基于光伏一體化的模塊化裝配式集成建筑設(shè)計(jì)

文／武威 沈陽建筑大學(xué) 遼寧沈陽 110168

1、研究背景

箱體裝配式建筑是一種基于預(yù)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(dú)立的模塊箱體，再經(jīng)過組合設(shè)計(jì)為滿足相應(yīng)使用功能的建筑。在因城市人口激增導(dǎo)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(yù)制建筑，盡管在上世紀(jì)出現(xiàn)的勒·柯布西耶的居住機(jī)器理論、建筑電訊學(xué)派（Archigram）提出的“插件城市”概念以及黑川紀(jì)章的“新陳代謝”理論，都未能真正地大規(guī)模實(shí)現(xiàn)，但他們對預(yù)制建筑所構(gòu)想的“像造汽車一樣精準(zhǔn)地制造房子”、“可打包的插件城市”、“生命細(xì)胞似的居住艙體”等核心思想和設(shè)計(jì)實(shí)踐仍為箱體裝配式建筑的未來打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。伴隨著技術(shù)更迭和時(shí)代精神的進(jìn)步，箱體裝配式建筑憑借著在建造方式層面所特有的可復(fù)制性、適應(yīng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件生產(chǎn)工廠化、施工裝配化、裝修一體化以及運(yùn)維智慧化等優(yōu)勢。尤其面對重大災(zāi)害或疫情，裝配式建筑的實(shí)施是有效手段之一?！盵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(shè)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(shè)投入使用，充分體現(xiàn)了箱體裝配式建筑在標(biāo)準(zhǔn)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(shí)也驗(yàn)證了無論是小型的居住類建筑還是大型的公共建設(shè)項(xiàng)目，箱體裝配式建筑都可以提供新的選擇。

2、設(shè)計(jì)與實(shí)踐

如今，為了使箱體裝配式建筑具有更廣泛的適應(yīng)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(shí)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(yùn)行，廣泛適用于城鄉(xiāng)區(qū)域、風(fēng)景區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、邊塞海島等臨時(shí)建設(shè)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(yīng)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(yīng)用潛力，實(shí)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(shè)計(jì)和建設(shè)過程中應(yīng)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(fēng)結(jié)合、能源智慧管理與遠(yuǎn)程監(jiān)控共五種創(chuàng)新技術(shù)：

圖1 光伏一體化模塊化裝配式集成建筑實(shí)景圖

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(shè)計(jì)靈活組合，實(shí)現(xiàn)異地快速組裝重建。試驗(yàn)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）

圖2 模塊軸測圖

在模塊組合方面，入口區(qū)A單元設(shè)計(jì)成具有餐廚、接待、展示、衛(wèi)生間和空調(diào)和光伏設(shè)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(dú)立于其他核心使用空間，保證了后期的維護(hù)、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(shè)計(jì)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(dú)立，互相連通，有機(jī)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(fù)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)加工，在運(yùn)輸、節(jié)材和快速安裝方面都有巨大優(yōu)勢。圍護(hù)墻體采用了高標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度和氣密性。160厚100kg/m3容重的巖棉芯可以滿足嚴(yán)寒(C)區(qū)熱工性能的要求，同時(shí)符合防火要求。獨(dú)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(qiáng)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(xì)部構(gòu)造技術(shù)，保證了建筑的水密性和氣密性，增強(qiáng)了建筑的節(jié)能性、耐久性和耐候性。設(shè)計(jì)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(jià)等參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)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(biāo)準(zhǔn)化加工，根據(jù)不同使用功能布置相應(yīng)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(shè)備、給排水設(shè)施、可移動家具等。所有的裝修材料、家具、設(shè)備均做可拆換考慮，可隨時(shí)快速更換搬運(yùn)。在實(shí)際安裝過程中，運(yùn)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(jì)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(yùn)用模塊化單元的意義在于不僅可以通過組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模裝配工程，而且可完全標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)的光伏建筑一體化技術(shù)。設(shè)計(jì)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(dú)立的工程設(shè)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(dǎo)體材料，屬于第三代多結(jié)太陽能電池。本項(xiàng)目墻體上使用的組件為國家能源集團(tuán)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(jì)32塊，總裝機(jī)容量3200瓦。光伏幕墻采用了獨(dú)創(chuàng)的小邊框構(gòu)造技術(shù)，避免邊框陰影遮擋的同時(shí)，可快速安裝和拆卸，維修維護(hù)十分方便，強(qiáng)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(xì)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）

圖3 CIGS光伏幕墻

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(biāo)準(zhǔn)化加工結(jié)合，復(fù)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(shè)計(jì)為35度最佳傾角，以保證獲得當(dāng)?shù)刈畲蠊庹?，共安裝功率130瓦柔性CIGS構(gòu)件16片，裝總機(jī)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(yùn)輸，與輕質(zhì)屋面系統(tǒng)十分契合。（圖4）

圖4 屋面柔性光伏組件

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(chǔ)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(xiàng)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(shí)，即使在嚴(yán)寒地區(qū)，建筑24小時(shí)不間斷運(yùn)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(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該建筑的光伏系統(tǒng)產(chǎn)能仍可承擔(dān)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(dá)到零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 光電光熱協(xié)同利用技術(shù)

在光伏發(fā)電的同時(shí)，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(yàn)建筑提供能源。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致組件的發(fā)電性能降低。為此，在受光照最強(qiáng)的南側(cè)和西側(cè)外墻設(shè)計(jì)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(shè)置可調(diào)節(jié)通風(fēng)閥，通過控制閥門開閉，以應(yīng)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(fēng)閥開啟，墻體空腔內(nèi)熱量通過“煙囪效應(yīng)”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(shí)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(dá)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(fēng)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(hù)體系保溫性能，節(jié)能可達(dá)20%以上。同樣以處于嚴(yán)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(shí)至下午16時(shí)之間，室外的平均溫度達(dá)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(dá)到了10.9°。在室外溫度接近-15°的前提下，約5個小時(shí)的時(shí)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(fēng)結(jié)合技術(shù)

考慮到室內(nèi)環(huán)境舒適性和通風(fēng)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(fēng)結(jié)合設(shè)計(jì)。

優(yōu)先選擇自然通風(fēng)模式，通過對臨時(shí)場地的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測和模擬分析，確定了風(fēng)向和風(fēng)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(fēng)側(cè)西側(cè)和南側(cè)進(jìn)風(fēng)，背風(fēng)側(cè)出風(fēng)的原則。同時(shí)在坡屋面的南北兩側(cè)開設(shè)了通風(fēng)窗口，可以在通風(fēng)時(shí)同時(shí)帶走一層和夾層空間內(nèi)的熱空氣，達(dá)到被動式降低能耗的目的。

同時(shí)采用主動式空氣循環(huán)凈化方式，將新風(fēng)凈化裝置與光伏墻體空腔結(jié)合，進(jìn)入智能溫度控制模式，冬季工況下，當(dāng)空腔溫度被日照加熱達(dá)到30℃后，新風(fēng)凈化裝置啟動，將密閉空腔內(nèi)的熱空氣凈化后導(dǎo)入室內(nèi)，為建筑供熱并輸送新風(fēng)，可實(shí)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(dá)到優(yōu)秀等級。

2.5 能源智慧管理與遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

建筑能源系統(tǒng)采用低壓用戶側(cè)單點(diǎn)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(yīng)。在未來，也可直接將光伏直流電用于專門的直流用電設(shè)備，降低損耗。

通過能源智慧管理系統(tǒng)實(shí)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(dāng)光伏電能不足時(shí)，自動切換到市網(wǎng)電能。

同時(shí)，智慧管理系統(tǒng)通過GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)客戶端管理服務(wù)，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(shí)現(xiàn)了運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理建筑運(yùn)行情況，為建筑的全信息智能化提供了基礎(chǔ)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(bǔ)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(yīng)用，是推進(jìn)以“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、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(shè)、綠色低碳發(fā)展、快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，發(fā)揮巨大作用。