特别策划 4 基于光伏建筑一体化（BIPV）的智慧化产能建筑设计研究 张宏 1，Manfred Norbert FISCH2，胡心怡 1，Elisabeth ENDRES3，罗申 4 （1．东南大学建筑学院，江苏 南京 210096；2．SIZ energie+，Niedersachsen Braunschweig D-38106；3．TU Braunschweig，Niedersachsen Braunschweig D-38106；4．东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏 南京 210096） 摘  要：建筑通过对太阳能等可再生能源的利用，从传统的能源消耗方转变为产能—用能结合体，产能建筑通 过满足自身能耗需求和富余电量上网，可以进一步转化为小型能源共享站。以SDC2018太阳能十项全能竞赛参 赛项目“C-House”为例，探索基于光伏建筑一体化的智慧化产能房屋设计方法，将降低能耗与提高产能相结 合，在保证达到产能目标的同时，兼顾建筑美观性要求；研究智慧化产能用能方式，利用智慧化储能系统和房 屋控制系统，提高自用电比例。仿真模拟结果和实地建造后的测试结果证明了C-House能够实现产能目标。 关键词：光伏建筑一体化；产能建筑；智慧建筑；性能设计；国际太阳能十项全能竞赛 中图分类号：TM71 文献标志码：A DOI：10.19421/j.cnki.1006-6357.2020.08.004 光伏板温度和发电效率变化。文献［8］研究了BIPV 0 引言 建筑中光伏板与建筑墙体构成的双层立面表皮（double 随着生活水平的提高，人们对舒适环境的需求导致 skin facades，DSF），在机械通风和自然通风两种情况下 建筑用能不断增长，该需求与应对环境剧变和资源短缺 空腔内部的空气流动情况。文献［9］从系统工程应用 ［1］ 。2017年，中 的角度出发，从技术、设计、实施3个方面研究了BIPV 国建筑能耗为9.5×10 t标准煤，占全国能源消费总量 建筑中光伏系统的设计流程。文献［10］针对光伏电池 而提出的节能要求之间的矛盾日益凸显 8 2 的21.1％。全国建筑面积共643亿m ，其中居住建筑占 储能系统优化设计，提出了一种考虑电池循环老化、电 71％，其能耗占全国建筑能耗总量的62％ 。将可再生 网缓解和当地使用时间定价的新型能源管理策略。文献 能源技术与建筑相结合，可以将建筑物从纯粹的能源使 ［11］从建筑设计结合的角度，介绍了以近零能耗为目 ［2］ ［3］ 。光伏建筑一体化（building 标的光伏建筑一体化设计新方法，并从整体设计、部品 integrated photovoltaic，BIPV）是指将光伏板与建筑外 设计和能源利用3个层面与传统的光伏建筑一体化进行 围护构件组结合，使之成为建筑立面设计的一部分，而 了对比。 用者转变为能源生产者 非简单直接地将光伏板附着于现有建筑表面（building 本文以2018国际太阳能十项全能竞赛（简称 applied photovoltaic，BAPV） 。许多国家建立了促进 SDC2018）参赛作品“C-House”为例，主要阐述了以 BIPV系统应用和发展的激励机制［5］，全球BIPV市场当前 产能建筑为导向的BIPV建筑方案设计阶段的性能设计要 规模约为2.3 GW（约占全球光伏市场的1％) 点，以及设备系统和光伏系统的产能用能方式，并且从 ［4］ ［6］ 。国内外 针对BIPV的研究主要有光伏产品研究、系统工程应用、 智慧储能系统和智能房屋控制系统两个方面实现了智慧 建筑设计结合3个方面。文献［7］从光伏产品研究出 化能源调控。基于光伏建筑一体化的智慧化产能房屋设 发，建立BIPV系统热力学模型时考虑太阳辐射的周期性 计研究，为减少建筑能耗，提高光伏能源利用效率，实 和光伏板的最佳倾角，并计算室内达最高温度情况下， 现建筑行业和能源行业的可持续发展提供了新的思路。 基金项目：国家自然科学基金项目（51778119）. Supported by National Natural Science Foundation of China （51778119）. 1 项目概况 “C-House”产能房屋项目位于山东省德州市太阳 能小镇内，为二层框式轻型钢结构住宅，占地共625㎡， ［引文信息］张宏，FISCH M N，胡心怡，等．基于光伏建筑一体化（BIPV）的智慧化产能建筑设计研究［J］．供用电，2020， 37（8）：21-27． ZHANG Hong，Manfred Norbert FISCH ，HU Xinyi，et al．Research on £design strategies of intelligent energy-plus house based on BIPV［J］．Distribution & Utilization，2020，37（8）：21-27． DISTRIBUTION & UTILIZATION 供用电 2020.08 21 4 特别策划 建筑面积183㎡。该项目由东南大学—布伦瑞克工业大 体构件和围护结构构件围绕核芯筒布置，对空间进行限 学联队（TUBSEU团队）共同设计、研发和建造，采用 定组合，形成平面灵活可变的通用空间和简洁的立方体 主动式的能源核芯筒（Core）与被动节能的建筑外壳 外形。规则的建筑形体具有较低的体形系数，保障了建 （Cube）结合的能源策略，打造出一套完整的智慧产能 筑保温隔热性能。室内空间除核芯筒外没有实体隔墙， 用能系统，使C-House成为一个纯电力的光伏建筑一体 采用可变家具和帘幕进行隔断，能够有效减少采暖制冷 化智慧产能房屋，见图1。该项目参加了2018国际太阳 能耗，见图4。在进行形体设计的同时，考虑到对建筑 能十项全能竞赛，最终获得了并列综合第三名和建筑第 整体性能的优化。 三名的成绩。 筒 筒 图1 C-House建成实景 Fig.1 The completed C-House real scene 图2 建筑平面示意 Fig.2 2 建筑方案设计阶段的性能设计 Building layout BIPV建筑要实现产能，首先要通过各类被动式节 能措施降低建筑本身能耗，再利用光伏发电满足能耗需 求，盈余发电量输入电网 水管、电缆和通风管道 ［12］ 。国际能源署(International Energy Agency)的ANNEX-30号研究表明，早期方案设 计会对建筑物的性能产生重大影响，节能潜力的40％以 毛细管网 上来自于前期调研和方案设计阶段 ［13］。随着设计流程 的进步，建筑性能改善的作用越来越弱，但相应的成本 却逐渐攀升，特别是建筑建成后附加的节能设备改造和 维护费用巨大，却收效甚小 ［14］。在方案设计阶段，建 筑师需要做出建筑形式、朝向、开窗方式等大量基本决 技术设备 通风机组 蓄电池 光伏逆变器 策，不同的建筑设计方案之间的能耗差别巨大，如果能 够在此阶段运用能耗定量计算，对建筑设计提出节能方 面的有利建议，供建筑师参考，将大大增强建筑设计的 可控性，避免返工带来的大量修改工作，节省后期细化 技术设备 冰蓄冷装置 卤水-水型热泵 设计阶段的人力、物力与时间成本 ［15］。因此，在构件 法建筑设计方法的指导下，以产能为导向的BIPV建筑在 图3 核芯筒设备布置示意 Fig.3 Equipment layout diagram of the core tube 方案阶段就应该利用结构体构件、围护结构构件和性能 构件进行形体和性能方面的协同设计，利用这些构件初 步限定空间、形成性能、实现功能［16］。 2.1 形体设计 C-House以简洁的立方体（Cube）与集成核芯筒 （Core）的组合为核心设计理念（见图2），其中Core是 C-House的心脏，包含厨房、浴室、厕所、楼梯间、设 备间（包括卤水-水型热泵、2 000 L储热器、2 m3储冰器、 通风机组等所有电气设备）和所有管道（见图3）。结构 22 供用电 2020.08 图4 可变家具作室内隔断示意 Fig.4 Variable furniture as indoor partition DISTRIBUTION & UTILIZATION 特别策划 4 2.2 围护结构性能优化 2.2.1 墙体构造设计 通常情况下，建筑总能耗的50%是通过外围护结构 散失的 ［17］，因此在确定形体后，要首先考虑外围护构 件的性能优化，其中具有最大面积比和节能量的外墙是 性能优化的重点，其次是外窗［18］。 C-House东西立面采用整体预制装配式高性能复 合外墙板，其成型、定位、连接采用三级构件装配技 术。标准构件在工厂进行整体制作，运输到预组装场 地后实施限位件安装、构件封缝和局部防水加强等工 序，最后运抵施工现场进行吊装施工 ［19］，施工现场 情况见图5。复合外墙板厚度为249.2 mm，其中包含 易加工的耐候铝合金板材、轻质C型钢龙骨、保温岩 棉填充层、反辐射构造、空气间层等共9层材料，见 图6。墙体传热系数为0.19 W/(m 2 ·K)，符合中国《被 动式超低能耗绿色建筑导则（试行）（居住建筑）》对 寒冷地区建筑外墙的热工要求。外墙板构件的连接采 用发泡聚氨酯填充的内侧150 mm宽缝和外侧20 mm窄 缝组合设计，提高内侧填充速度和填充质量的同时， 能够保证墙体保温层的连续性和密封性，减少外墙热 损失，见图7。 图7 外墙板间内宽缝设计 Fig.7 Wide joint on the inside of the external wall panel 2.2.2 幕墙设计 C-House南北立面采用视线通透的大幕墙设计，为 室内带来充足的自然光照，减少白天人工补充照明能 耗，同时能够与东西墙面形成虚实对比，呈现极简主 义风格。南立面幕墙采用能够根据温度高低和光照强 弱调节玻璃颜色的STG气候控制调光膜，与3层中空玻 璃、高性能断热框架构成复合幕墙结构。夏季温度高 光照强，玻璃颜色深，起到遮阳效果，降低制冷所需 能耗；冬季温度低光照强度小，玻璃不变色，增加南 向大面积玻璃幕墙的太阳能辐射的热量，使通高的起 居室成为阳光房，辅助采暖。南北幕墙安装智能化控 制外遮阳系统，根据光照强度控制百叶倾角，调整阳 光入射量，起到隔热作用。C-House新颖的幕墙设计为 房屋使用者带来了开阔的视野和充足的日照，在提升 建筑外观整体性和通透性的同时满足德州地区建筑热 工设计要求，见图8。 运用Energyplus软件对建筑能耗进