基于光伏一体化的模块化装配式集成建筑设计

文／武威 沈阳建筑大学 辽宁沈阳 110168

1、研究背景

箱体装配式建筑是一种基于预制生产技术和模块单元装配技术相结合的特殊类型建筑，主要由钢结构或混凝土等装配式构件连接形成独立的模块箱体，再经过组合设计为满足相应使用功能的建筑。在因城市人口激增导致环境资源压力的现代世界，能源短缺、用地紧张、环境恶化等不确定因素持续影响着建筑业的发展走向，箱体装配式建筑也经历了数十年的创新与变革。箱体装配式建筑的产生源于预制建筑，尽管在上世纪出现的勒·柯布西耶的居住机器理论、建筑电讯学派（Archigram）提出的“插件城市”概念以及黑川纪章的“新陈代谢”理论，都未能真正地大规模实现，但他们对预制建筑所构想的“像造汽车一样精准地制造房子”、“可打包的插件城市”、“生命细胞似的居住舱体”等核心思想和设计实践仍为箱体装配式建筑的未来打下了坚实的基础。伴随着技术更迭和时代精神的进步，箱体装配式建筑凭借着在建造方式层面所特有的可复制性、适应性和可移动性，使其相对于传统建筑具有快速安装、易于拆卸、绿色可持续等诸多明显的优势，又重新回归了建筑师们的视野。孟建民院士近期指出：“装配式建筑具有设计标准化、构件生产工厂化、施工装配化、装修一体化以及运维智慧化等优势。尤其面对重大灾害或疫情，装配式建筑的实施是有效手段之一。”[1]最为成功且典型的案例是在2020年初新冠疫情爆发期间建设的武汉雷神山医院。超过七万平方米的医疗建筑由模数化的单元组合而成，仅在在十天内即完成建设投入使用，充分体现了箱体装配式建筑在标准生产、装配建造、快速安装和智慧管理所具有的巨大优势，同时也验证了无论是小型的居住类建筑还是大型的公共建设项目，箱体装配式建筑都可以提供新的选择。

2、设计与实践

如今，为了使箱体装配式建筑具有更广泛的适应性，借助新技术、新材料的出现，可以通过光伏建筑一体化（BIPV）技术将光伏材料与装配式箱体建筑结合，将建筑的屋面和立面作为重要的资源开发利用，使建筑由能源的消耗者转变为能源的供给者，实现光伏建筑一体化。其模块化组合、快速装配，不占用土地、不破坏环境，能源自给自足，可离网运行，广泛适用于城乡区域、风景区、自然保护区、边塞海岛等临时建设用地和电网无法接入区域。

本文以一个小型的光伏一体化装配式箱体建筑为例，通过对光伏箱体建筑所应用技术的阐述与总结，旨在探讨该类型建筑技术的应用潜力，实现加速产品产业化落地。

该箱体总建筑面积为54平方米，包括会议区、工作区、休息区、厨房餐厅、卫生间等功能。（图1）在设计和建设过程中应用了模块化快速装配、光伏建筑一体化、光电光热协同利用、主动式空气循环净化与被动式通风结合、能源智慧管理与远程监控共五种创新技术：

图1 光伏一体化模块化装配式集成建筑实景图

2.1 模块化快速装配技术

箱体建筑的核心优势是建筑的可移动再建，利用模块化设计灵活组合，实现异地快速组装重建。试验建筑由4个长3m、宽6m、面积为18㎡的箱体单元组成，包括入口区A单元、工作区B单元和会议区C单元共3个平屋顶单元以及1个坡屋顶D单元。（图2）

图2 模块轴测图

在模块组合方面，入口区A单元设计成具有餐厨、接待、展示、卫生间和空调和光伏设备间的高度集合功能的模块化单元，将空间利用最大化。该单元集成了整个建筑的供暖、制冷和给排水系统，独立于其他核心使用空间，保证了后期的维护、再拆装和相关的功能拓展。工作区B单元与坡屋顶D单元在垂直方向连接，通过精心设计的钢木家具形成夹层空间，在二层布置了可眺望室外景观的茶歇区，与下层的工位区域互不影响，增添了空间的多样性。会议区C单元空间完整，与其他单元开敞连接，各单元功能独立，互相连通，有机接合，保持了空间的流动性，在建筑内部去除了传统模块化建筑的重复单调感。

在结构与构造方面，建筑单元主体采用框架钢结构形式，单元底部和顶部均为钢性焊接的整体板式结构，四个柱子与顶、底部的角点以螺栓连接。顶板、底板和结构柱的形态与尺寸都经过标准化的设计加工，在运输、节材和快速安装方面都有巨大优势。围护墙体采用了高标准的金属夹芯板，两侧0.6mm+0.7mm毫米厚的压型钢板墙体之间通过企口的连接方式保证墙体的强度和气密性。160厚100kg/m³容重的岩棉芯可以满足严寒(C)区热工性能的要求，同时符合防火要求。独立的屋、地面同样使用岩棉填充，在矩形结构框架内部以C型钢檩条作为支撑骨架，上下两侧使用镀锌钢板焊接保证强度和防水性能。箱体整体组合采用了创新的结合式防水、密封和保温细部构造技术，保证了建筑的水密性和气密性，增强了建筑的节能性、耐久性和耐候性。设计过程中利用BIM技术建立了模块族库，对箱体构件的类型、尺寸和造价等参数进行了精细化把控与管理。

在模块化装配方面，建筑单元在工厂内完成近90%的标准化加工，根据不同使用功能布置相应的配置，主要包括主体钢结构、屋顶、门窗、地面、光伏墙体、集成式内装修、电气线路、暖通设备、给排水设施、可移动家具等。所有的装修材料、家具、设备均做可拆换考虑，可随时快速更换搬运。在实际安装过程中，运输以单个箱体为单位，简单便捷，现场快速吊装组合，整个吊装过程1天完成，收边整理工作3天完成，总计只用4天即可完成建筑现场建造和家具布置，投入使用。运用模块化单元的意义在于不仅可以通过组合设计实现更大规模装配工程，而且可完全标准化、工厂化加工，施工周期最短，节地节材，降低现场成本和环境污染程度。

2.2 光伏建筑一体化技术

箱体建筑在墙体、坡屋面和雨棚三个部位使用了三种不同的先进的光伏建筑一体化技术。设计的原则是将光伏技术融入建筑系统，与建筑部分表面和构件紧密结合，使之成为建筑的一部分，而不是单纯地作为独立的工程设备附着与其上。

墙面采用了铜铟镓硒（CIGS）（铜铟镓硒薄膜是由铜、铟、硒等金属元素组成的直接带隙化合物半导体材料，属于第三代多结太阳能电池。本项目墙体上使用的组件为国家能源集团研发生产的铜铟镓硒BIPV光伏组件，其覆板和基板都为玻璃。）光伏幕墙技术。建筑在受光良好的南侧、西侧外立面墙体安装功率100瓦、600mmX1200mm尺寸的CIGS光伏组件总计32块，总装机容量3200瓦。光伏幕墙采用了独创的小边框构造技术，避免边框阴影遮挡的同时，可快速安装和拆卸，维修维护十分方便，强度和耐久性优于传统玻璃幕墙体系。CIGS玻璃组件为黑色，且相较于晶硅组件颜色均匀，具有细腻的电池线纹理，呈现出较高级的幕墙外观装饰效果。（图3）

图3 CIGS光伏幕墙

坡屋顶采用了柔性铜铟镓硒光伏技术。屋面金属板材与柔性铜铟镓硒光伏组件通过产线标准化加工结合，复合成单元式一体化发电屋顶构件，并以直立锁边方式安装。坡屋顶设计为35度最佳倾角，以保证获得当地最大光照，共安装功率130瓦柔性CIGS构件16片，装总机量5280瓦。附着在金属板之上的柔性光伏组件宽30厘米，长2米，以树脂材料封装，重量仅为5公斤，与传统玻璃基的组件相比，具有能弯曲、重量轻的优势，不仅降低了屋面荷载，而且易于安装和运输，与轻质屋面系统十分契合。（图4）

图4 屋面柔性光伏组件

雨棚选用了碲化镉（碲化镉薄膜太阳能电池简称CdTe电池，它是一种以p型CdTe和n型CdS的异质结为基础的薄膜太阳能电池。高转换效率、低成本和高稳定性是碲化镉组件的主要特征。）半透明彩色玻璃组件。碲化镉组件弱光性好，项目选用的是通过加大电池布置间距形成的透光组件，并利用镀膜技术改变组件颜色，使建筑呈现出了多样化的艺术效果。

一体化的墙体、屋面光伏平均每天发电15-20千瓦时，即使在严寒地区，建筑24小时不间断运行，能耗包括采暖能耗、照明能耗和日常生活办公能耗等。试验数据显示，该建筑的光伏系统产能仍可承担38%的能耗。如按全年考虑，可完全满足全年日常建筑照明、制冷、制热需求，达到零能耗建筑标准。

2.3 光电光热协同利用技术

在光伏发电的同时，利用呼吸式幕墙系统，收集随之伴生的热能，光热协同为试验建筑提供能源。根据实验检测，光伏组件在发热过程中，会产生大量余热，表面最高温度可接近70度。余热不仅弃之可惜，高温亦会导致组件的发电性能降低。为此，在受光照最强的南侧和西侧外墙设计了呼吸式光伏墙体。主要原理是依靠光伏组件和结构墙体围合的部分，形成空腔，空腔顶部和底部设置可调节通风阀，通过控制阀门开闭，以应对不同季节工况，形成建筑仿生皮肤体系。空腔内部和建筑室内安装了温度监测模块，用以监测冬、夏两季墙体对室内温度的影响。

夏季全部通风阀开启，墙体空腔内热量通过“烟囱效应”快速上升散热，外层光伏组件在发电吸收太阳能量的同时也起到了遮阳隔热作用，监测结果显示可平均降低内墙表面温度约10度，减少近75%的墙体得热，效果十分可观。以沈阳市夏季典型的一天为例，监测数据显示出正南方向受日照辐射状态的光伏组件的最高温度达到了58°，平均温度为43°，而空腔内部的最高温度只有42°，平均温度下降到了36°，降温效果十分显著。

而冬季通风阀关闭，空腔内部封闭，经日照加热的空气保存在空腔内，且停止流动，形成光伏“暖墙”，增加建筑围护体系保温性能，节能可达20%以上。同样以处于严寒地区的沈阳市冬季典型的一天为例，数据显示在早8时至下午16时之间，室外的平均温度达到了-16.8°，建筑的南侧幕墙空腔内平均温度为-1.8°，最高温度达到了10.9°。在室外温度接近-15°的前提下，约5个小时的时间维持了0°以上的温度，可见光伏墙体对建筑的保温节能起到重要作用。

2.4 主动式空气循环净化与被动式通风结合技术

考虑到室内环境舒适性和通风节能，尝试将主动式空气循环净化技术与被动式通风结合设计。

优先选择自然通风模式，通过对临时场地的风环境进行了实测和模拟分析，确定了风向和风速，西侧和南侧气流相对活跃，而在北侧和东侧气流流动性差。充分考虑保证南侧和西侧的光伏组件数量所占用的面积，开窗位置遵循在向风侧西侧和南侧进风，背风侧出风的原则。同时在坡屋面的南北两侧开设了通风窗口，可以在通风时同时带走一层和夹层空间内的热空气，达到被动式降低能耗的目的。

同时采用主动式空气循环净化方式，将新风净化装置与光伏墙体空腔结合，进入智能温度控制模式，冬季工况下，当空腔温度被日照加热达到30℃后，新风净化装置启动，将密闭空腔内的热空气净化后导入室内，为建筑供热并输送新风，可实现建筑节能40%以上。冬季建筑封闭情况下的室内空气质量得到显著改善，PM2.5浓度检测低于10μg/m3，可以达到优秀等级。

2.5 能源智慧管理与远程监控技术

建筑能源系统采用低压用户侧单点并网形式。光伏产生的直流电，直接通过并网逆变器，转化为与电网同频率同相位的交流电能，日发电量约16度，为建筑的照明、电脑、空调、热水器等提供绿色电力供应。在未来，也可直接将光伏直流电用于专门的直流用电设备，降低损耗。

通过能源智慧管理系统实现了光伏电能和市网电能的无缝切换，系统优先使用光伏电能，当光伏电能不足时，自动切换到市网电能。

同时，智慧管理系统通过GPRS远程监控程序，实现了手机客户端管理服务，直观显示建筑产能和用能关键数据，包括光伏发电量、建筑用电量、室内温度、环境参数等，实现了运用数字孪生技术远程监控和管理建筑运行情况，为建筑的全信息智能化提供了基础支持。

结语：

光伏一体化箱体装配式建筑是光伏新材料建材化技术、新能源建筑集成技术、装配式技术、多能互补建筑节能技术、能源智慧管理与协同利用技术的综合应用，是推进以“标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理”为特征的建筑工业化、数字化、智能化的关键升级，必将在我国的生态文明建设、绿色低碳发展、快速城镇化进程中，发挥巨大作用。