基于BIM技术的装配式住宅光伏一体化设计探讨

■ 崔艳秋 刘晓玥 刘 伊 蔡洪彬

0 引言

随着我国“3060”双碳政策的深入，新型储能作为能源领域碳达峰的关键支撑，也立下2030年实现全面市场化发展的新目标；而光伏发电凭借其不消耗燃料且对环境无污染的优势，成为实现这一目标的重要措施。[1-2]在技术进步的推动下，我国光伏技术飞速发展，光电转化率不断提高，带动了光伏系统成本的下降（图1），光伏装机容量达到世界第一（图2）。

图1 光伏累计装机增长带动成本下降

图2 各国新增光伏需求变化（2013—2020年）

在全球现有能源结构中，城市住宅能源需求占比 67%以上，产生的CO2排放量超出全球排放量70%[3]。我国2020年发布的《绿色建筑创建行动方案》（建标〔2020〕65 号）中，提出要加强装配式住宅设计要求，规范构件选型，提高装配式建筑构配件标准化水平[4]。推进光伏一体化等新型储能手段在住宅建设领域的应用，是解决建筑行业能耗问题的有效措施之一，响应了国家改善生态环境质量、提高能源利用效率，推进供给侧结构性改革的号召，具有较高的实际应用价值。

近年来，国内一些学者针对装配式住宅太阳能一体化设计展开了研究。张先勇等[5]将PVsyst 光伏系统设计软件和eQUEST 能耗计算软件与BIM 技术结合，确定光伏组件及逆变器的选型及安装等关键参数，模拟光伏发电量，并通过建立住宅的信息模型进行建筑能耗分析，给出能耗优化建议；郭娟利等[6]提出装配式建筑太阳能“族”库建立的原则与方法，并基于 BIM 平台，对建筑立面太阳能组件安装方式、太阳能组件安装倾角进行对比分析；董玉宽等[7]通过“配套零件-光伏组件-构造系统”模式，建立CIGS 光伏建筑构件族库，并在实际项目中验证该设计方法的可行性。这些研究对光伏系统与建筑设计的结合多从普适性理论角度入手，而没有将定量分析和BIM 技术与光伏一体化设计方案结合，缺乏光伏模块库建立的标准与经验。本文通过构建光伏组件与建筑构件相结合的光伏BIM 族库，将光伏一体化技术融入装配式住宅前期设计和模拟分析过程中，实现节能与美观的双目标，并结合实际案例，验证这一设计方法的可行性。

1 BIM 与装配式住宅光伏一体化

光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV) 是指将光伏构件集成到建筑上，使其成为建筑整体的有机组成部分，通过光伏发电降低建筑能耗，达到节能目的的技术[5]。BIPV 技术的关键是集成化设计，因此BIPV 项目需要建筑设计者与光伏发电等部门深入配合，不仅要保证光伏发电（PV）的效率，还要保持建筑的美观性。但目前装配式住宅设计与光伏系统设计过程往往相互割裂[8]，建筑师难以理解光伏系统的形态与构成，工程师则需要根据建筑设计在PVsyst、TRNSYS、Design Builder 和IDA-ICE 等软件中重新建模，用来评估太阳辐射并优化BIPV系统。这种重复建模过程会导致大量信息丢失，并消耗大量时间和人力成本。Shahryar Habibi[9]的研究表明，建筑设计和能源模拟工具之间仍存在一定的限制，多数建筑设计工具更注重整体美观性而不是整个系统组成的性能。

建筑信息模型（BIM）技术是由20世纪末的美国科学家提出的一种基于计算机的建筑模拟系统[10]。BIM 技术的核心价值在于以三维信息模型作为集成平台，实现各专业的协同工作[11]。将BIM 技术引入建筑设计前期，使光伏系统介入建筑正向设计，具有以下5 个方面优势：①BIM信息模型可包含光伏系统组件所有的数据信息，包括太阳能组件的性能指标、尺寸信息、厂家、型号、成本等，数据完备性高；②BIM 平台可以实现项目在多个专业间的资源整合和信息共享，提高工作效率，提高装配式住宅施工准确性；③建筑信息模型可视化可以在设计过程中进行组件变化和即时表达，反复调整优化设计方案，达到美观性与功能性的双目标；④利用科学可靠的建筑信息模型获取准确的工程数据与信息，将工程模型数据细分至构件、材料，进行结构管线计算及光伏系统造价估算，提高建筑施工图设计阶段和预制构件深化设计阶段的准确性和质量[12]；⑤实现与建筑产品信息库对接，将光伏系统部件作为标准化产品生产，提高施工装配效率，促进光伏一体化的产业化进程。

影响装配式住宅光伏发电效率的因素除了光伏板参数，还有光伏模块安装位置、安装倾角、系统产热量、管线设计等。在住宅方案设计阶段，通过在Revit 软件中建立基础模型，可准确描述项目中的光伏族图元组功能和属性集，对不同方案进行量化分析。光伏建筑构件族库可根据不同设计阶段建立不同精度等级的族文件，以满足每个设计阶段对模型的精度要求，适应光伏一体化项目 BIM 模型全过程设计；其通过接口接入性能分析软件中，可以实现对太阳辐射分布、光伏发电量的分析，同时保证构件管线的合理排布。在BIM 软件中，可对光伏组件的安装位置、安装倾角、安装面积等参数进行实时修改，快速对接PVsyst、Design Builder 等量化分析软件，实现可视化的建筑技术集成方案设计。

2 装配式住宅光伏族库的创建

装配式住宅采用工业化生产方式，由预制部品部件在工地装配式集成建造而成[13]。这与 BIM 建筑信息模型不同构件“族”具有很高的契合度，大量“族”构件的真实属性可以反映出装配式建筑部件的材料属性与构造方式，提高建筑信息的集成度与可视化。

在 Revit 软件中，基于建筑构造技术和光伏系统尺寸及构成特点，将光伏面板与建筑屋顶、墙体、阳台及一些立面遮阳功能构件相结合，构建、完善包含光伏发电系统“族”的建筑构造单元“族”，上传到云协作平台上进行存储。光伏建筑构件族库可以根据建筑设计不同阶段的需要，导出不同精度的模型文件供不同模拟分析软件使用。通过软件分析，可以合理安排光电板的布设位置和数量，确定光伏设备的最佳倾角，估算光伏系统的年发电量。构建完备的光伏族库可以作为一个完整的构造单元在建筑设计前期被调用，并根据实际项目情况灵活调整各项参数。

2.1 屋顶光伏模块

光伏构件与屋顶结合是最常见的结合方式，有利于光伏构件的安装和围护，减少能源回收时间；但由于城镇住宅屋顶面积有限，难以满足中高层住宅的需求，常与立面太阳能模块结合使用。在屋顶布设光伏组件时，需要预留应急疏散场地，以满足消防疏散要求。

住宅屋面形式主要分为平屋面和坡屋面。由于平屋面需要额外安装具有一定坡度的光伏支架以保证太阳能的利用效率，因此光伏系统与坡屋面结合一体化程度更高。光伏系统与住宅屋顶的结合形式主要有附件式和整合式。其中，附件式的光伏组件相对独立，在平屋面可以通过支架布置为倾角阵列（图3），在坡屋面可以结合屋面坡度布置（图4），但都要避免光伏组件之间的自遮挡[14]；整合式的光伏组件是将光伏系统与屋面组成一个有机整体，如：以光伏瓦组件替代传统屋面瓦等（图5）。

图3 平屋面光伏模块

图4 坡屋面光伏模块

图5 光伏瓦模块

2.2 墙体光伏模块

光伏系统与屋面结合虽在朝向选择、结合方式、技术成熟度等方面有一定优势，但我国城市住宅类型大多为多层或高层，屋顶面积占比有限，因此，增加立面太阳能模块更有利于提高中高层住宅的太阳能利用效率，并且可以减少能源输送距离，降低成本。光伏组件与住宅墙体的结合通常也有两种方式：一种是通过螺栓或框架梁安装在住宅外墙表面的组合式光伏墙面（图6）；另一种是采用以光伏幕墙取代外围护结构的取代式（图7）。光伏系统与墙体一体化设计时，光伏板的材料颜色、肌理、形状都会对建筑立面效果产生影响，更需要考虑整体的协调性、美观性。

图6 组合式光伏墙面模块

图7 光伏幕墙模块

2.3 阳台光伏模块

阳台作为住宅立面不可或缺的组成部分，具有一定独立性和模块性，与光伏组件进行一体化设计的程度较高。①光伏组件可与开敞式阳台顶部结合，实现光伏发电和阳台遮阳的目的（图8）；②光伏组件可与阳台围护构件结合，在通过倾斜实现更大的发电效率的同时，也可以给住宅立面增加多样性与美观性（图9）；③光伏组件可与阳台栏杆构件进行一体化设计，通过具有可透光性的薄膜电池组件营造轻盈感（图10）。

图8 封闭式光伏阳台模块

图9 开放式光伏阳台模块

图10 光伏栏杆模块

2.4 遮阳光伏模块

将光伏组件与具有遮阳功能的建筑立面构件相结合，主要是与窗口遮阳板、窗口遮阳百叶和遮阳雨篷等遮阳构件进行一体化处理[15]，可以在利用太阳能的同时起到调节室内光环境的效果。窗口遮阳光伏板和遮阳光伏雨篷中的光伏组件可以附加在遮阳构件上（图11），也可以直接将光伏板作为遮阳构件（图12）；窗口遮阳光伏百叶可以根据使用者在不同时段的需求，通过手动或自动追踪的方式对百叶角度进行灵活调整，控制进入室内的光线量（图13）。

图11 光伏雨篷模块

图12 光伏窗户遮阳板模块

图13 光伏百叶模块

3 案例分析

3.1 案例概况

某装配式高层公寓楼项目基地位于山东省济南市（图14），属于寒冷地区，气候特征为冬季寒冷干燥，夏季较长且炎热湿润。根据我国太阳能资源分布情况，该地区的年均太阳辐射总量约在1 450～1 660 kWh/ m2，属于较为适合太阳能建筑一体化利用的二类地区。项目总用地面积为46 617.0 m2，总建筑面积为74 881.6 m2，建筑高度为87.5 m，建筑面积为37 440.8 m2，规划户数为867 户。

图14 项目设计方案效果图

3.2 基于BIM 的光伏一体化设计

3.2.1 Ecotect 辅助下的太阳辐射分析

对于光伏系统来说，安装在建筑屋顶及立面上会受到不同程度的阴影遮挡，导致其实际输出功率低于预期值。在该项目设计方案中，首先在Ecotect 软件中建立公寓楼单体及周围建筑的分析模型，导入项目所在城市（济南市）的气象数据；然后对公寓楼屋顶及各个立面根据参数化细粒度划分成若干小块，对每个小块的全年太阳辐射强度进行模拟分析并得出强弱分布（图15），得到适合设置光伏发电设备的部分作为基础进行下一步设计，可在最大程度上减少输出能量损耗，降低阴影遮挡概率。

图15 建筑立面太阳辐射分析

由表1围护结构太阳辐射分析结果可知：建筑屋顶的太阳辐射量最大，适于完整布设光伏发电装置；建筑南侧墙面的下部因受到部分遮挡，不适于布设光伏设备，应将光伏板布设于南侧墙面上部及东西角部；建筑西立面和东立面由于受到遮挡影响，太阳辐射量较小，布设光伏板的经济效益较低；而建筑东侧山墙面的太阳辐射峰值量虽然较高，但由于建筑遮挡作用，只有上部少数部分可以有光伏利用潜力；建筑北侧虽遮挡较少，但受到的太阳辐射峰值仅为243.8 kWh/m2，光伏利用价值也较低。

表1 围护结构太阳辐射分析结果

3.2.2 光伏系统配置

本方案出于对建筑形体及光伏发电量的考虑，综合考虑光电转换效率、使用寿命、经济性、透光性、供应链等因素，选择转换效率最高、制造技术最成熟、特性较稳定、使用时间长的成型单晶硅电池板产品作为光伏建筑族库的电池组件（表2）。电池组件与建筑部品相结合，可组合为光伏屋顶矩阵、光伏阳台族库构件。项目采用分布式发电系统，总光伏装机容量为419.9 kWp。

表2 光伏电池特性比较

根据Ecotect 对屋顶及各立面太阳辐射量的模拟分析结果，在公寓楼屋顶布设559 个平屋面支架式光伏模块（图16），并在其南立面设置186个封闭式光伏阳台模块（图17），具体光伏系统布设参数见表3。

表3 光伏系统主要参数

图16 屋顶光伏模块布置图

图17 南立面光伏模块布置图

3.2.3 PVsyst 辅助下BIPV 系统设计

PVsyst 光伏设计软件可根据输入的气象文件、光伏阵列面积、容量等进行计算，为电气设计提供建议。软件数据库包括美国NASA 等300 多个气象网站的数据、上千种光伏组件和逆变器信息，能满足用户自定义的要求。本文利用其辅助设计功能对光伏组件的朝向、间距进行优化，并模拟BIPV 发电系统的发电量。光伏组件的朝向与项目所在地理位置有关。由于该楼坐北朝南，其屋面与阳台雨篷的光伏组件均朝正南安装 (即方位角为 0°)，以便接收到最理想的太阳辐射。

对屋面族库构件进行设计时，使用PVsyst 中的MeteoNorm7.2 插件，将济南市的气象数据导入工程文件，设置为固定角安装（Single Fixed Plane）。PVsyst 显示组件中，当倾角为32°时，斜面辐射与水平辐射的比值为最高值，相对于最优化的损失比为0，此时接收到的太阳辐射量为1 488 kWh/m2，即为倾角最优值。因此，将屋顶光伏板设置为南向墙角32°时，可以最大程度地接收太阳辐射。在设置立面光伏构件时，倾角过大会影响到构件美观性，综合考虑功能和发电效率后，将阳台光伏族库构件中的光伏板的倾斜角度设置为45°。此时的斜面辐射与水平辐射比值为1.09，接收到的太阳辐射量为1 456 kWh/m2，相对于最优化的太阳辐射损失比为2.2%，损失值较小。将立面墙体光伏构件的倾斜角度设置为90°，与外墙板平齐。此时斜面辐射与水平辐射比值为0.73，接收到的太阳辐射量为973 kWh/m2，相对最优化的太阳辐射损失比为34.6%（图18）。

图18 不同倾斜角度辐射量对比图

将光伏组件及其他光伏系统构件的参数输入PVsyst 后，得到发电量仿真结果。公寓楼屋面光伏组件年发电量为139 956 kWh、阳台光伏构件年发电量为48 550 kWh，光伏系统全年总发电量约为188 506 kWh（表4）。

表4 光伏构件年发电量统计表 单位：kWh

3.2.4 基于Design Builder 的建筑能耗分析

Design Builder 是由英国公司基于建筑能耗动态模拟程序EnergyPlus开发的一款综合用户图形界面模拟软件，在建筑采暖制冷、通风、采光等方面的能耗模拟分析和经济分析的可信度较高。为计算光伏系统对本方案的节能贡献，在Design Builder 中建立公寓楼的简化模型，在不考虑光伏系统存在的条件下进行模拟。将济南市的气象数据文件导入模型，并参考相关规范要求设置模型的人员活动性、围护结构、照明控制和暖通空调等参数（表5、6），得到该建筑的全年能耗逐日模拟结果（图19）。

图19 公寓楼全年温度、得热量及能耗逐日模拟结果

表5 围护结构参数设置

通过模拟，可测算出该公寓楼的全年能耗为1 765 053.82 kWh，由此可计算出 BIPV 技术对本方案的节能率。其计算公式为：

式中，ηco为节能率；Eph为光伏系统发电量；Ebu为建筑原能耗（188 506 kWh）。

相比非光伏一体化设计方案，本项目的BIPV 设计方案可节能10.68%。按照济南市居民用电平均电价0.547 元/kWh 计，相当于每年约节省电费103 075 元、节省76 156.1 kg 标准煤，同时减少排放污染性碳灰尘51 273.5 kg、减少碳排放187 940.24 kg。由此可见，基于BIM 族库的光伏一体化设计对项目的节能减排具有积极有效的作用。

表6 人员活动及系统运行时间表

4 结语

据有关部门统计，截止到2020年，我国城镇居住建筑运行阶段能耗占全社会能源消耗总量的38%[16]；而目前我国大部分住宅都是高能耗建筑，城镇居住建筑的节能减排对实现我国“3060”双碳战略目标至关重要。随着光伏系统装机成本的下降、转换效率的提高和生产施工技术的不断进步，光伏一体化已具备在我国大部分建筑中推广的使用价值。本文采用基于BIM 技术的设计与分析方法，对住宅建筑方案前期进行光伏一体化设计。运用Revit 软件，创建适用于住宅建筑的光伏建筑族库；在建筑屋顶和立面设计的过程中，结合Ecotect 软件、PVsyst 软件，在综合考虑建筑美观和能耗影响各项因素的基础上，优选光伏板布设位置，并对光伏板倾角进行优化。经验证，该设计方法可以有效节省建筑能耗，简化设计和施工流程，充分发挥出装配式建筑的优势和BIM 技术高度集成的特点，在装配式住宅和光伏一体化设计方面具有广阔的应用前景。