建筑一體化（BIPV）低碳設(shè)計(jì)研究
——以甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目為例

住 虎（甘肅省建設(shè)設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

本項(xiàng)目的建設(shè)是貫徹落實(shí)國(guó)家建筑產(chǎn)業(yè)部署的指導(dǎo)意見(jiàn)、全面推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展的必要性舉措，多年來(lái)，黨中央、國(guó)務(wù)院及各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)都高度重視推廣應(yīng)用裝配式建筑，為滿足相關(guān)行業(yè)發(fā)展需求，在組織了多次會(huì)議后，有關(guān)部門(mén)制定了具體政策措施，以確保各項(xiàng)任務(wù)落到實(shí)處[1]。

本次研究的項(xiàng)目為甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目，該項(xiàng)目的建設(shè)符合國(guó)家裝配式建筑發(fā)展的要求，及甘肅省發(fā)展裝配式建筑的戰(zhàn)略決策，是促進(jìn)岷縣產(chǎn)業(yè)融合、產(chǎn)城融合，帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要條件，也有利于加快推進(jìn)甘肅省裝配式建筑的發(fā)展[2]。在深入此項(xiàng)目的研究中發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目場(chǎng)地位于甘肅（岷縣）國(guó)際陸港，東臨蘭海高速公路，西臨迭藏河，北臨防護(hù)綠地，南臨南主三路，周邊為園區(qū)規(guī)劃道路，交通便利，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已相對(duì)完善，整體區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯[3]。為保障此項(xiàng)目的規(guī)范化建設(shè)，甘肅建投公司先后成立了產(chǎn)業(yè)化課題研究團(tuán)隊(duì)和BIM 工作專業(yè)團(tuán)隊(duì)，并引進(jìn)了相關(guān)的技術(shù)和人員予以項(xiàng)目建設(shè)技術(shù)層面的支持、保障[4]。下面將以此項(xiàng)目為例，將其作為試點(diǎn)，從綠色建筑低碳設(shè)計(jì)入手，展開(kāi)研究。

1 項(xiàng)目概況

1.1 基本情況

根據(jù)岷州創(chuàng)新科技產(chǎn)業(yè)園開(kāi)發(fā)建設(shè)的實(shí)際情況，規(guī)劃用地面積為38513.2㎡（合計(jì)57.77 畝）。對(duì)該建筑的總經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，見(jiàn)表1。

對(duì)甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)域位置圖進(jìn)行描述，如圖1所示。

圖1 甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)域位置圖

為保證工程項(xiàng)目的順利實(shí)施，在總體功能建筑結(jié)構(gòu)上，在保證產(chǎn)業(yè)園功能合理布局的前提下，合理安排裝配式PC 預(yù)制構(gòu)件加工車間、配套設(shè)備用房、PC 構(gòu)件成品堆場(chǎng)、混凝土骨料封閉堆場(chǎng)、停車場(chǎng)等功能。

本工程建筑控制線退東側(cè)用地紅線6.5m，退西側(cè)用地紅線6.5m，北側(cè)用地紅線9.0m，南側(cè)用地紅線10.0m。

車行流線主要集中在廠區(qū)北側(cè)混凝土攪拌站，通過(guò)南側(cè)主出入口進(jìn)入廠區(qū)內(nèi)，通過(guò)環(huán)形廠區(qū)內(nèi)路從南側(cè)主出入口出廠，方便交通車輛流線管理[5]?；炷翑嚢枵疚鱾?cè)設(shè)置露天貨車停車位，主出入口西側(cè)設(shè)置小汽車停車位，可滿足園區(qū)一般管理人員的車輛停放及貨車的停放。

1.2 建設(shè)條件

在掌握項(xiàng)目基本情況的基礎(chǔ)上，對(duì)該地區(qū)的氣候條件進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。

表2 項(xiàng)目所在地的氣候條件

如上所述，本項(xiàng)目的環(huán)境條件、施工條件均已具備，基本滿足項(xiàng)目建設(shè)需要。

2 BIPV全生命周期碳排放計(jì)算

在對(duì)建筑一體化BIPV進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)前，需要明確在項(xiàng)目全生命周期當(dāng)中影響碳排放量的因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)其具體數(shù)值的計(jì)算。BIPV是光伏系統(tǒng)與建筑系統(tǒng)的高度集成，其全生命周期的劃分與建筑全生命周期劃分一致，可將其分為材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、運(yùn)行、施工和拆除，共五個(gè)階段[6]。其中，材料生產(chǎn)階段的碳排放量可通過(guò)下述公式計(jì)算得出：

式中Cp代表材料生產(chǎn)階段的碳排放量；Mi代表某一種材料的消耗量；Fi代表主要建筑材料碳排放因子。

材料在運(yùn)輸階段的碳排放量可通過(guò)下述公式計(jì)算得出：

式中Ct代表運(yùn)輸過(guò)程中物料的碳排放量；Di代表材料的平均運(yùn)輸距離；Ti代表單位重量運(yùn)輸距離的碳排放因子。

在BIPV的運(yùn)行階段，可以實(shí)現(xiàn)碳減排效果和節(jié)能效果，碳減排的計(jì)算公式為：

式中Cr代表BIPV 運(yùn)行階段的碳減排量；Ce,a代表BIPV產(chǎn)能造成的年碳減排量；Cs代表BIPV 節(jié)能產(chǎn)生的年碳減排量；y代表BIPV系統(tǒng)的使用年限。

在運(yùn)行階段，BIPV 主要通過(guò)生產(chǎn)無(wú)污染的電力實(shí)現(xiàn)減排效果。隨著時(shí)間的增加，BIPV 系統(tǒng)的發(fā)電量會(huì)出現(xiàn)衰減[7]。因此，BIPV產(chǎn)能所造成的年碳減排量可以利用下述公式計(jì)算得出：

式中Q代表BIPV的初始年發(fā)電量；Xa代表BIPV的衰減率；R1代表電力排放因子。

BIPV 輔助功能常為照明、空調(diào)和熱水等系統(tǒng)帶來(lái)增效作用，在降低建筑運(yùn)營(yíng)能耗的同時(shí)，還可達(dá)到節(jié)能減排的目的[8]。所以，對(duì)于BIPV 附加功能所產(chǎn)生的節(jié)電效果，以及與之對(duì)應(yīng)的減排效果，必須進(jìn)行定量分析。BIPV節(jié)能作用帶來(lái)的碳減排量為：

式中Cs代表BIPV節(jié)能作用帶來(lái)的碳減排量；Ri代表運(yùn)行階段能源年節(jié)約量；FR,i代表能源碳排放因子。

在BIPV 的施工和拆除階段所產(chǎn)生的碳排放量可以通過(guò)下述公式計(jì)算得出：

式中Cc代表在BIPV的施工階段所產(chǎn)生的碳排放量；Ec,i代表施工階段能量總用量；FE,i代表某種能量碳排放因子。

對(duì)于BIPV 的拆除階段，在計(jì)算碳排放量時(shí)，可將其看作是施工的過(guò)程，因此，在拆除階段的能耗可以結(jié)合上述施工階段的計(jì)算方式進(jìn)行估算。

3 建筑能源系統(tǒng)高效配置

建筑能源系統(tǒng)的合理配置，從連接形式、安裝方向、主要設(shè)備選型等三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。BIPV 連接方式的選擇直接關(guān)系到建筑的節(jié)能效果和能源系統(tǒng)的發(fā)電效率。隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及相關(guān)一體化產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，在進(jìn)行建筑一體化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要在屋面上使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，更要在此基礎(chǔ)上，將多種太陽(yáng)能光伏發(fā)電方式有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電方式的靈活選擇與組合，構(gòu)筑出一套高效、節(jié)能的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。所以，需要明確BIPV組合型式的分類、各自的特征與應(yīng)用范圍。對(duì)于BIPV安裝方向的選擇，可通過(guò)朝向和傾斜角度進(jìn)行控制。圖2為BIPV朝向偏差對(duì)光伏組件效率的影響示意圖。

圖2 BIPV朝向偏差對(duì)光伏組件效率的影響示意圖

對(duì)圖2 中的內(nèi)容分析得出，BIPV 的朝向應(yīng)該盡量向南。同時(shí)，還要考慮到遮蔽分析的結(jié)果，以防止遮蔽效應(yīng)對(duì)選取方向的影響。盡管在太陽(yáng)能電池中，南方太陽(yáng)能電池具有較高的效率，但這并不代表其在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用只能局限于南方。由于薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得該太陽(yáng)能電池能夠在光照不足的情況下獲得較好的能量輸出。此外，有關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，在建筑外墻各向異性布置BIPV，可以有效地提高建筑日間能耗。因此，在BIPV 安裝方向的選取上，可以考慮建筑的各種外立面與朝向，以實(shí)現(xiàn)白天能量的分散。傾斜角度是指光伏組件與水平方向形成的夾角，最佳的傾斜角度是光伏組件接受年總輻射量最大時(shí)的角度。傾斜角度可以通過(guò)最佳傾角計(jì)算公式計(jì)算得出，或直接通過(guò)輻射地圖查詢獲得。

4 BIPV圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化

在對(duì)BIPV圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將熱工性能優(yōu)化作為重點(diǎn)，熱工性能主要體現(xiàn)在傳熱系數(shù)和太陽(yáng)得熱系數(shù)上，在進(jìn)行熱工性能優(yōu)化時(shí)，嚴(yán)格控制這兩個(gè)數(shù)據(jù)。表3為項(xiàng)目所在城鎮(zhèn)建筑節(jié)能計(jì)算用氣象參數(shù)。

表3 項(xiàng)目所在城鎮(zhèn)建筑節(jié)能計(jì)算用氣象參數(shù)

表4記錄了圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位的熱工性能極限值，根據(jù)表4 中的嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能（75%）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行控制。

表4 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能（75%）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

BIPV圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的優(yōu)化可以通過(guò)選擇不同的太陽(yáng)能電池材料、玻璃材料等達(dá)到目的，或采用真空玻璃、雙層玻璃、雙層幕墻等構(gòu)造形式，達(dá)到優(yōu)化目的。

5 BIPV低碳設(shè)計(jì)節(jié)能效果檢驗(yàn)

通過(guò)上述設(shè)計(jì)可知，在建筑一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中，其中BIPV遮陽(yáng)板（遮陽(yáng)件），可以在應(yīng)用中通過(guò)對(duì)建筑遮陽(yáng)，減少建筑在投產(chǎn)使用過(guò)程中的制冷負(fù)荷，從而降低建筑中的空調(diào)能耗。為更加直觀地明確BIPV 低碳設(shè)計(jì)為建筑所帶來(lái)的具體節(jié)能效益，使用計(jì)算機(jī)構(gòu)建甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目單元模型，進(jìn)行建筑能耗的仿真，通過(guò)此種方式得到BIPV設(shè)計(jì)所帶來(lái)的具體節(jié)能效益。建模分析方式如圖3所示。

圖3 中BIPV遮陽(yáng)板（遮陽(yáng)件）設(shè)計(jì)帶來(lái)的具體節(jié)能效益

圖3中BIPV遮陽(yáng)板（遮陽(yáng)件）設(shè)計(jì)帶來(lái)的具體節(jié)能效益在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，BIPV 遮陽(yáng)板（遮陽(yáng)件）能夠遮擋建筑所受到的強(qiáng)光照射。普通的中空幕墻在使用中對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)為2.8W/（m2·K），而B(niǎo)IPV 遮陽(yáng)板（遮陽(yáng)件）在使用中對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)為1.8W/（m2·K）。為實(shí)現(xiàn)對(duì)檢驗(yàn)成果的量化，建立此建筑的能耗模型，計(jì)算建筑能耗模擬結(jié)果。對(duì)比BIPV 遮陽(yáng)板（遮陽(yáng)件）在使用中的能耗，模擬能耗計(jì)算公式如下：

式中N代表建筑能耗模擬結(jié)果；χi代表電功率；hi代表運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

按照上述方式，計(jì)算中空玻璃、BIPV 遮陽(yáng)板（遮陽(yáng)件）在使用中的能耗。模擬后的結(jié)果表明，相比常規(guī)的建筑中空玻璃，BIPV 遮陽(yáng)板（遮陽(yáng)件）可以降低建筑的1.07mWh能耗。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以甘肅建投·岷州創(chuàng)新科技產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目為例，開(kāi)展了此次研究，明確了BIPV遮陽(yáng)板（遮陽(yáng)件）在使用中的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)項(xiàng)目在實(shí)施中的社會(huì)效益進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)建設(shè)期內(nèi)會(huì)對(duì)項(xiàng)目周邊地區(qū)生活、生產(chǎn)、環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。就周邊居民而言，雖然在建設(shè)期間其生活和生產(chǎn)可能會(huì)受到一定的影響，但是，隨著項(xiàng)目的建成，將更好地促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，解決當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)等問(wèn)題，最終將贏得民眾的理解和支持。