建筑光伏围护结构应用设计现状及发展分析

郑秀春，张浩波，杨科

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.建科环能科技有限公司，北京 100013）

0 引言

在世界各国大力发展清洁能源，中国宣布2030 碳达峰，2060 碳中和的时代背景下，光伏发电是最重要的可再生能源获取手段之一。随着光伏技术的飞速发展，分布式光伏发电度电成本从最初的8 元降到约1.2 元。根据《建筑节能气象参数标准》（JGJ/T 346-2014）的数据[1]，我国不同地区水平方向的平均太阳总辐射照度在75 ～255W/m2左右，南立面平均太阳总辐射照度在74 ～191W/m2左右，东西立面平均太阳总辐射照度在40 ～136W/m2左右，北立面平均太阳总辐射照度在24 ～74W/m2左右，经计算，理想条件下15%的光电转化率、平均辐射照度100W/m2时每平方米年发电131°左右。而我国建筑体量巨大，据有关资料统计[2]，我国建筑面积约400 亿m2，折算屋顶面积约40 亿m2，南立面约50 亿m2，利用光伏发电具备广阔的应用前景。政策方面，全国多地相继出台光伏新能源应用相关的补贴政策。

建筑围护结构中可再生能源的利用目前以光伏为主，按安装位置不同分为屋面光伏与立面光伏，按与围护结构的复合方式可以分为BIPV（Building Integrated Photovoltaic）和BAPV（Building Attached Photovoltaic）。BIPV 光伏组件产品的类型、应用形式均越来越受关注，相较BAPV 更具优势。光伏与围护结构的结合应兼具两者的功能和性能。尽管BIPV 在建筑围护结构中的应用前景诱人，但实际应用过程中仍存在一定的挑战：第一，前期投资高，发电收益低，投资回收周期较长；第二，供应链尚不成熟，还没有形成成熟、低成本的产业链；第三，光伏面板加装在幕墙上不够美观；第四，市场上很多的光伏面板结构强度不够；第五，运维复杂，成本高，需专人维护；第六，光伏面板破损率较高，更换成本高。

边萌萌，张昕宇等[3]通过对光伏组件作为建筑墙体材料和外窗材料的研究现状进行总结，提出现阶段光伏组件在建筑立面应用的相关标准所有欠缺。徐伟等[4]得出现有光电建筑相关标准侧重于建筑用光伏组件/光伏发电系统等产品，光电建筑工程的相关标准较少。边萌萌，李博佳等[5]通过开展多类型建筑光伏一体化技术综合实验，实践建筑光伏深度融合的零碳建筑路径，为我国光电建筑发展提供技术参考。

本文在此基础上，分析了当前光伏围护结构设计中存在的主要问题，提出了应建立围护结构与光伏组件一体化设计、规范化的系统构造设计和施工方法体系，制定设计标准图集以规范项目设计、施工及验收，保障行业健康可持续发展。

1 建筑光伏围护结构应用设计中存在的问题概述

伴随着建筑围护结构中光伏应用项目越来越多，设计中性能及安全不满足、设计不合理、外观效果不理想、发电效率不高、设计不规范等各种问题日益突出。

1.1 材料混淆使用不满足性能及安全要求

有的设计将光伏电站用的光伏组件混同于光电建材，虽满足光伏组件的性能要求，但并不一定满足建筑幕墙等围护结构的性能要求和结构、电气及消防安全要求。以某厂家光伏面板产品为例，它的面板构造为3.2mm 光面玻璃（或压花超白）+EVA 胶+电池+POE 胶+3.2mm 钢化玻璃。以其标准层压机最高效的生产效率来进行生产，外层玻璃最厚只能做到3.2mm，与幕墙的最小6mm 厚度标准要求有冲突，会导致抗风压能力不足。

1.2 耦合性设计发电效率低

为满足建筑外观需求，很多情况需要在色彩、纹理、形状、尺寸等方面做改变，这种改变会使光伏面板发电效率变低。除此之外，位于立面的光伏板难以满足最佳倾角要求，导致发电量更低。这种未经统筹的设计也导致了前期投资高，但发电收益低，投资回收周期较长。

1.3 设计不规范忽略标准支撑作用

有的项目建筑立面层间设计光伏幕墙，其面板与保温构造多遵循经验设计，忽略标准支撑，设计不规范，虽按幕墙性能要求，但无法落实其构造设计是否满足抗风压性能、保温隔热性、防排水性、耐久性、防火性能、散热等要求。

1.4 缺少针对性标准支撑

建筑外围护结构相关标准主要多为外围护结构相关设计、功能和性能要求、施工、验收内容，如《建筑幕墙》GB/T21086-2007、《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003、《采光顶与金属屋面技术规程》JGJ255-2012 等，并没有涉及光伏方面内容；而光伏相关标准则侧重光伏发电系统、设备或光伏组件，如《建筑光伏系统应用技术标准》GB/T51368-2019，对建筑外围护结构的功能和性能要求涉及极少。目前的各种标准对于建筑光伏围护结构的应用不够详尽，表达不够直观。故导致建筑光伏外围护结构应用设计无切实的标准可依可参照。且规范体系虽庞大，图集标准极少。仅有的《建筑太阳能光伏系统设计与安装》（16J908-5），其相关外围护的详图也仅为表达示意，无法直接应用。且随着《工程结构通用规范》（GB55001-2021）、《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB55015-2021）等新规范标准的实施，建筑光伏围护结构应用的构造及性能要求也随之提高。缺少相应的设计标准支撑。另如光伏组件与建筑幕墙或屋面的连接、运维更换等节点构造仍有待进一步研究和补充完善。

综上，建筑光伏围护结构应用设计的各种问题，除了管理方面，归根结底为设计不规范或无标准支撑导致。相关规范为推动行业发展奠定了坚实的基础，但是建筑光伏围护结构应用设计标准图集亟须补充。需尽快弥补设计标准图集的缺失，以规范设计工作，提高设计质量，更好地响应建筑设计创作，使光电建材完美融入建筑设计理念，更好地推动其发展应用。

2 光伏组件及建筑光伏围护结构应用技术的发展

2.1 光伏组件类型及应用

光伏组件（PV）指具有封装及内部联结，能单独提供直流电输出的最小不可分割的光伏电池组合装置[6]。其技术发展直接影响围护结构应用技术。按其发展阶段光伏组件大致可分为三代[7-8]，如表1 所示。

表1 光伏组件按发展阶段分类及特点

根据有效工作面的不同，光伏组件有单面光伏组件和双面光伏组件。目前应用多为单面光伏组件，双面光伏组件应用在光照及面层条件良好的情况下。项目合理设计选用双面或单面光伏组件，目的为提高光伏组件综合发电效率。

随着技术发展进步，光伏组件由硅基类发展到薄膜类，到钙钛矿、染料敏化等新型组件，从单面光伏组件到双面光伏组件，新型组件发电效率不断提高，其成本有较大下降空间，具备巨大的降碳潜力。故，光伏围护结构成为建筑围护结构低碳发展的重要方向。

2.2 封装材料的应用

光伏组件的发电效率及使用年限与电池封装材料直接相关。封装材料的选择，应保证良好的防水密封和绝缘性，满足机械强度和耐老化、耐腐蚀性能，具有极好的透光性、粘结可靠性、可加工工艺性，同时应考虑其经济性。目前可采用的封装材料有EVA 胶膜、PVB 膜、POE 膜等。各封装材料都因其独有的材料特性而有一定局限性，如幕墙玻璃应用中行业经验仍多为PVB 膜，而EVA 膜多为室内应用。但在项目应用中各使用方大多据发电效率择优选择，而忽略了强度等其他方面的要求。目前各厂家在不断积极研究探索新型材料应用。

2.3 光伏在建筑围护结构中的应用形式

随着光电转化效率不断提升，与建筑结合的分布式光伏发电项目也逐年增多，其应用形式也在不断更新。除了BIPV 与BAPV、屋面光伏与立面光伏的区分。按照透明度不同还可以分为透明光伏幕墙和不透明光伏幕墙。不同类型、颜色、位置、组合的应用，使得业内不断涌现崭新的项目应用形式。

2.4 交叉学科综合一体化设计

建筑光伏围护结构是交叉学科，光伏与建筑围护结构设计缺一不可。两个行业存在很大差别，普遍存在建筑不懂光伏、光伏不懂建筑的问题，导致具体设计实施比较模糊。加之当前建筑光伏围护结构的应用中存在初期成本高、结构强度不足、不够美观、尺寸版面受限等问题，阻碍了光伏技术在建筑中的有效推广。建筑光伏围护结构应从建筑本体设计出发，注重建筑、结构、围护、光伏、电气各科综合优化设计，提高系统运行效率，实现建筑节能降耗目标和全生命期的降碳。

3 建筑光伏围护结构应用发展趋势分析

建筑光伏技术在节能降碳、提升建筑美学等方面具有突出优势，且高度契合双碳目标，符合全球绿色发展趋势。

3.1 政策方面

光电属性贴合节能减排大趋势，因此我国明确“碳达峰、碳中和”目标后，相关鼓励补贴政策密集落地。且各地政策不断出新，呈利好趋势。

3.2 成本方面

当前光伏发电的成本已有大幅度下降，发电效率持续提高，投资分布式建筑光伏取得效益已成为合理的商业模式。BIPV 项目应用面积较小时，运维的投入产出比高，故大中型项目更具投资价值。而随着光伏技术的发展，BIPV 成本仍有较大的下降空间，包括组件价格下降、BIPV 项目设计经验增加、规模化后单平造价增量降低等。随着光伏产业的快速发展，运用高效组件来降低度电成本已成为行业共识。新型高效光伏组件也在不断涌现。在经济性方面，已具备一定发展基础。

3.3 技术方面

光伏建材产品及建筑围护结构的相关构造技术是关键。安全是基本底线。光电建材不同于日常光伏电站上使用的光伏组件，不仅要达到光伏组件的各项性能要求，同时要满足建筑幕墙的三性或五性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有比普通光伏组件更好的力学性能和不同的结构方式。消防安全性方面，有防火要求的应同时满足防火安全要求。传统的光伏面板存在的发热和起火等安全问题已基本得到解决。新的产品和技术发展，使得色彩、肌理、尺寸规格、形状等方面也有了一定的选择空间。在满足需求的前提下，可实现理念、形式与功能的有机平衡。随着行业发展需求及标准化的推广，技术标准体系必将不断完善。

以保障围护、采光、遮阳、防水、隔热等功能。建筑应用中光伏组件的抗风压性能、防排水、耐久性、防火性能，以及光伏组件与建筑幕墙或屋面的连接、光电光热综合利用等关键技术性能和节点构造方面仍有待深入研究和补充完善。

4 结论

本文通过对建筑光伏围护结构应用设计的现状问题及发展趋势进行研究分析，得出以下结论：

（1）为对建筑光伏围护结构技术应用提供有力支撑，实现围护结构的主动降碳，需对相关技术要点进行分析整理，制定相关应用设计标准图集用于指导实际工程应用，从而推动整个行业的健康发展。

（2）通过多学科综合性能化设计，将建筑与产品、透光性、色彩肌理、设备支撑等因素有机结合，才能成就完美的项目实践。

（3）在降碳背景下，光伏建筑一体化的应用作为建筑产能和碳补偿的重要技术，已成为行业的共识。建筑光伏一体化整合设计应从建筑本体设计出发，利用设计手段的优先介入，结合现有不断提升的技术，实现全生命期的减碳设计。

（4）为实现围护结构的主动降碳，还需要不断创新研究新的光伏围护结构系统。新技术、新材料与新产品的出现，也为新能源主导下的建筑减碳设计及行业绿色发展创造无限的可能。