主动式 BIPV 玻璃幕墙:当前的创新趋势



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随着建筑表皮的多功能性,今天的 BIPV 涉及当代建筑的新美学。

在实现近零能耗建筑的道路上,正如欧盟委员会所说,光伏技术在建筑中的集成 (BIPV) 已被证明是非常有趣的,以实现能源目标。具体而言,玻璃 BIPV 组件的使用正在不断改进,因为它们几乎可以替代建筑围护结构的所有传统材料,并且可以积极促进建筑能量平衡。

但是,光伏在建筑中的转移仅仅是能源问题吗?当然不是。随着建筑表皮的多功能性,今天的 BIPV 涉及当代建筑的新美学。由于 BIPV 解决方案在玻璃开发和定制方面的创新可能性,当前应用中出现了广泛的建筑语言,从太阳能电池的可见语义到技术模仿。

本文的目的是通过讨论瑞士 BIPV 能力中心 (www.bipv.ch) 在框架内收集的一些试点案例研究,描述建筑外墙使用 BIPV 玻璃的当前研究和创新趋势不同的项目。此外,这项研究将为初步讨论创建一个平台,旨在描述有关建筑环境中光伏玻璃元件技术转让的创新因素。

简介 – BIPV 和玻璃

建筑材料的使用,在建筑历史的进程中,一直都在丰富着一些不同于简单的技术创新的东西,包括象征性的精神,表达自己的语言价值、变化和设计力量。

例如,在常见的想象中,玻璃是一种可以表达建设性和感性轻盈感的材料,这种特殊性导致建筑对象的物理非物质化,并获得感性和心理上的透明度。

然而,当我们听到光伏发电时,我们脑海中浮现的形象是蓝色或黑色元素,通常似乎“超载”了建筑物的美学形象。尽管光伏元件具有生产可再生能源的基本作用,但这并不是“建筑创新”的主要方面。

玻璃和光伏的结合,尽管它们的外观和材料不同,但在建筑表皮的美学和功能方面似乎很匹配,预计“BIPV 玻璃”市场将在未来几年内增长[1]。

此外,从建筑和研究的角度来看,有许多产品、旗舰建筑、研究项目和一些新兴的创新趋势代表着 BIPV 玻璃成功转移到实际建筑环境中的驱动力。由于一个高质量的建筑项目越来越需要满足具有挑战性的能量水平的要求,这些“创新趋势”可以解释为不同领域之间的“交汇点”:建筑、建筑产品、玻璃幕墙和活力。根据这一观点,作者将调查并展示瑞士灯塔项目产生的一些创新驱动因素。

创新趋势和实际建筑中的一些实施

BIPV 的起源是 1978-82 年在建筑领域进行的一项开创性实验:由 Thomas Herzog 与 Fraunhofer ISE 合作设计的慕尼黑住宅单元的玻璃表面,至今仍是光伏技术和集成设计方法的未讨论参考。自 1990 年代以来,在改进 BIPV 产品/工艺和建筑应用的研究和工业项目方面,BIPV 的趋势在全球范围内有所增加。

例如,第一个 BIPV 玻璃幕墙于 1991 年在亚琛(德国)的公用事业大楼中实现,其中光伏电池已包含在绝缘玻璃面板中,用于取代现有的 20 年历史的南部正面。

光伏电池和玻璃的组合在技术方面还可以提供多项优势,例如比传统光伏组件更低的潜在诱导退化 (PID)、更高的机械阻力和更好的可靠性 [2]

例如,光伏组件正面和背面均采用玻璃,可降低湿度和水分渗透,从而减少 PID 机制。然而,BIPV 玻璃不仅具有技术优势,而且现在出现了一些新的概念和解决方案,以实现主动式 BIPV 玻璃幕墙。

为了对其中一些概念和解决方案提供清晰但并非详尽的愿景,BIPV 玻璃的创新趋势被呈现为不同学科/领域之间“交汇点”的结果。具体而言,作者确定了四大创新趋势:美学和效率的优化(能源和建筑);将想法转化为实际产品(建筑和施工)、技术 BIPV 解决方案(建筑产品和玻璃幕墙)的开发以及主动 BIPV 幕墙(玻璃幕墙和能源)的开发。

能源与建筑:美学与效率

正如欧洲指令 (REF) 所定义的,人们对近零能耗建筑的兴趣日益浓厚,这促使人们关注建筑围护结构作为多功能和自适应界面,需要适当设计,一方面减少建筑能耗(更多有效的解决方案)与室外条件相互作用,例如风、湿度和太阳辐射,另一方面产生当地的可再生能源。

此外,对太阳能建筑的日益关注也引起了人们对 BIPV 外墙作为建筑表皮的活性元素的新作用的兴趣。为了让建筑师为光伏美学语言创造新的设计机会,研究人员和组件制造商正在开发性能和视觉外观方面的定制 BIPV 玻璃组件。

例如,通过这种方式,PV 电池可以隐藏在完全掩盖 PV 电池原始材料的彩色图案后面。然而,这涉及对 PV 电池的“遮蔽”和随之而来的能量产生的减少,需要仔细优化以获得 BIPV 模块的节能定制。

即,在美学质量与能源和电力效率、可靠性和安全性之间取得最佳平衡的挑战是创新的驱动力之一。在当前的发展中可以确定不同的定制技术:

玻璃表面技术:

ConstructPV 模块——UNSTUDIO 设计

  • 喷砂:技术包括在前玻璃表面高速喷砂,创建乳白色图案和草图。在欧盟的 ConstructPV 项目 [3] 中,不同的 BIPV 玻璃组件已经用这种技术设计和实现,注重成本、能量输出和视觉效果之间的平衡(图 1)。通过喷砂实现的 BIPV 玻璃模块的其他示例是由 SolarGlasLabor [4] 设计的模块,其中使用了额外的着色技术(图 2)。
  • 丝网印刷:允许在玻璃表面印刷特殊墨水以获得图纸的工艺。Ertex 开发了一个有趣的丝网印刷示例,该示例开发了一种获得外观均质的 BIPV 玻璃模块的工艺 [5]。在欧盟项目 SmartFlex [6] 的框架内,开发了一种新型的基于数字陶瓷的打印技术,能够在玻璃上打印高清图片(高达 720 dpi)(图 3)。在这种情况下,还研究了美学和能量输出的优化,以提供高效的 BIPV 玻璃解决方案。卢塞恩应用科学大学开发了另一个在 BIPV 玻璃上进行多色陶瓷数字印刷的例子(图 4),其中一种专门开发的方法确保,尽管使用不同的颜色,

SolarGlasLabor 模块

  • 缎面和玻璃印刷:玻璃外表面的缎面与内侧的丝印相结合。因此,玻璃透明度会降低,并且会产生有色无光泽表面。然而,该处理经过精心开发,以允许光辐射照射到 PV 电池上,即使它们不可见。

使用特殊的太阳能过滤器:

  • 散射和反射过滤器:该技术由 CSEM [8] 开发。在玻璃板上应用了前部选择性过滤器。这能够反射和漫射可见光谱,提供白色外观,而红外线部分则被透射并转化为电能。这样,与传统模块相比,效率降低了约 40%。

SmartFlex 模块

  • 光谱选择性镀膜:得益于特殊的溅射工艺,SwissINSO SA 获得了彩色 BIPV 玻璃模块。例如,这些带有白色涂层的组件的转换效率为 11.4%,而不是标准组件的 19.1% [9]。彩色涂层是通过化学蚀刻沉积在前表面的薄膜,它可以实现不同的颜色,如灰色、赤土色、蓝色、蓝绿色、绿色和黄色。

所有这些技术都经过精心使用,以优化视觉效果和光伏生产效率,因为 PV 电池上的入射光减少了。

HSLU 模块

评论一种双重方法很有趣:一方面,高科技的发展创造了新的技术和材料(主要是从材料科学或物理和光学等高科技研究领域转移过来),另一方面是技术的转移已经在建筑行业使用的已经被采用来定制前玻璃。

还需要考虑的是,在某些情况下,设计/生产灵活性、建筑性能和成本效益等某些方面仍然是需要实现的挑战,以确保可行的市场渗透。需要强调的是,上述一些可定制的 BIPV 眼镜已经在实际建筑中实施。

在某些情况下,这些是灯塔项目,但也有一些私人项目正在兴起,这证明了可定制 BIPV 玻璃的新兴市场以具有成本效益和负担得起的方式供建筑市场使用。表1简要说明了一些采用创新BIPV玻璃概念的瑞士建筑,包括定制玻璃技术、能源性能、整体外墙成本和模块制造商。

建筑与建造:从创意到建造皮肤元素

今天,我们可以想象一个在城市环境中完全可识别的太阳能模块,表达其自身的物质性和语言,而不是完全用另一种外观伪装。在任何情况下,设想和设计这种新颖和定制的 BIPV 玻璃模块时,下一步都是表征和测试以评估其性能、行为和可靠性。

对于 BIPV,模块应符合 IEC 框架中设定的电工标准以及欧洲建筑产品法规 CPR 305/2011[10] 和当地建筑当局制定的相关建筑标准。这意味着 BIPV 系统应该能够作为传统的建筑表皮元素运行,并在其预期寿命内产生足够的电力输出。

为了促进这一概念,2016 年制定并发布了两项欧洲标准,即 EN 50583:2016“建筑光伏”第 1 部分和第 2 部分 [11]。关于 BIPV 玻璃组件,还有另一个国际标准提案——ISO/DIS 18178:2014“建筑玻璃。

层压太阳能光伏玻璃”[12],此外,太阳能玻璃代表了欧洲玻璃组件结构设计指南 [13] 中的一个主题。这主要是因为 BIPV 玻璃模块具有一些特殊性(例如电池、电线、操作条件……),应与传统玻璃面板不同地加以考虑。

具体而言,对于以上述定制技术为特征的定制化BIPV玻璃组件,保证玻璃处理的耐久性是根本。

事实上,BIPV 玻璃模块会承受双重应力:由于光伏电池发电(夏季工作条件下高达 60°C)导致温度升高导致密封剂内的内部热应力和室外天气导致的外部应力雨、温度变化、湿度和冰雹等条件,因此有必要通过专门的老化测试来确保组件在预期寿命或预期外墙寿命(作为更好的选择)期间保持外观。

这意味着 BIPV 模块由于其作为多功能元件的特性,应根据特定的多学科方法进行表征、测试和评估,该方法在性能、美学、费用等。

具有创新“美学和能源”概念的瑞士建筑。

喷砂

自给自足的 MFH,Brutte

自给自足的多户住宅 – Brutten [14]

BIPV 玻璃组件是薄膜组件,外表面经过喷砂处理后获得哑光,并且具有不同的尺寸以适应建筑围护结构的形状
该模块通过 SSG 粘在垂直的后轮廓上,然后悬挂在后背通风立面子结构上
外墙成本 = 约 600 CHF/m2

MFH Chrüzmatte,Aesch

丝网印刷

多户住宅 Chrüzmatte – Aesch [15]

BIPV 玻璃模块为 2,04x3.32m,它们通过预安装的背轨悬挂在立面上(通常已用于玻璃立面)
模块经过丝网印刷,以保持木质立面元素的连续性并提供均匀的视觉效果
组件制造商:Ertex Solar

PEB 改造,苏黎世

缎面和玻璃印刷

Plus-Energy 建筑改造 – 苏黎世 [16]

18 种不同格式的无框 BIPV 玻璃模块已被用于安装整个建筑围护结构,作为铝制后通风外墙结构的面板,使用背轨(玻璃模块上的 SSG 粘合)
玻璃板已经过处理以获得抗反射和哑光表面。颜色范围从灰色到无烟煤色,性能值为 109.2 W/m2
外墙成本 = 800 至 900 瑞士法郎/平方米
组件制造商:PVP Photovoltaik GmbH

太阳能筒仓,巴塞尔

选择性涂层

太阳能筒仓 – 巴塞尔 [17]

水晶框标准尺寸 BIPV 玻璃模块集成为瓦屋顶,2 种不同格式的无框 BIPV 玻璃模块用作后通风外墙的覆层板
效率降低取决于颜色:-4.6% 灰色、-6.2% 蓝色、-5.4% 绿色、-10.8% 金色,与没有彩色太阳能过滤器的传统光伏模块相比
外墙成本 = 780CHF/m2
组件制造商:Antec/Kromatix Solarglas

建筑和玻璃:技术 BIPV 解决方案

在 BIPV 玻璃创新领域,一个驱动因素可以表现为开发新的太阳能玻璃,作为建筑围护结构的功能元素,即建筑产品。事实上,根据 EN 50583-2,BIPV 系统还应该能够“形成一种建筑产品,提供欧洲建筑产品法规 CPR 305/2011 中定义的功能”。

因此,不仅要设计 BIPV 玻璃组件,还应设计构成建筑围护结构工程的整个建筑表皮系统(组件和子结构)。多学科方法是关键挑战。在此框架中,BIPV 玻璃“领域”(如某些制造商)应参考玻璃幕墙领域的知识和专业知识,以正确开发和制造用作建筑表皮一部分的组件——例如,一些与玻璃幕墙相关的基本设计原则机械安全,例如避免与沿边缘的连续支撑相对应的超载或避免受约束的支撑,例如刚性夹具。

另一方面,BIPV 玻璃“域”也可以为玻璃幕墙“域”提供一些输入,因为在玻璃/幕墙设计中应该考虑一些特殊性,以确保可靠和最佳的能源/电力行为,例如由于 PV 电池互连器的存在而提高的残余电阻 [18] 或通过密封剂粘合到玻璃板上的接线盒的刚度效应。

此外,BIPV 玻璃元件的使用——尤其是用于玻璃不透明外墙——也引起了人们对带有背轨和粘合剂元件的紧固系统的开发和测试的关注,以使安装子结构不可见,并提供玻璃幕墙的均匀视图(例如结构密封胶玻璃),必须保证在操作条件下的机械稳定性和抵抗力。

BIPV 玻璃性能与建筑表皮技术解决方案之间严格关联的重要性也源于 SmartFlex 项目 [6] 内开发的机械测试活动,其中评估夹层 BIPV 玻璃机械性能的“综合方法”具有提出[19]。

此外,SUPSI 还针对为 Chiasso 的 Plus-Energy 多户住宅重新覆面而开发的真实 BIPV 外墙系统进行了另一项有关机械测试的经验(表 2)。事实上,在第一个设计选项中,即使模块通过安全夹紧系统安装到金属子结构上,覆层光伏模块也会由于其与子结构的高挠度而失败。

然后,由于更高的刚度和与 BIPV 玻璃元件的正确连接,第二个设计选项——包括使用安全夹和将覆层板粘合到后金属型材上——成功了 [20]。

因此,前面的一些例子表明,创新解决方案通常可以通过对将 BIPV 玻璃模块集成到建筑围护结构的传统技术系统中的最可靠和最佳解决方案的研究,以及在特定案例研究中产生。

具有创新理念的瑞士建筑

玻璃和能源:活跃的外墙

由于玻璃在过去的两个世纪中被用作建筑围护结构材料,它提供了建筑围护结构的非物质化和建筑的轻盈感。在 1960 年代,节能理念首先导致了绝缘玻璃单元的开发以减少热扩散,最近又开发了特殊的自适应和复杂系统,例如用于反射部分光的高性能过滤器能够阻挡部分太阳辐射的光谱或热致变色元件。

还要感谢 2010 年发布的《建筑能源性能指令》,建筑围护结构被确定为室内和室外环境之间的智能接口,可以承担附加功能:由于集成太阳能系统(光伏和/或太阳能热)。在这个框架中,可以确定一些创新的立面概念,例如自适应太阳能立面和“双面”立面。

ETH 团队 [21] 开发了前一个概念的一个示例,以实现由气动执行器移动的 BIPV 遮阳板,以控制后立面的可见性和透明度(表 2)。

后一种概念利用了双面光伏玻璃模块的最新发展,由于正面的直接太阳辐射和背面的反射辐射可以产生太阳能。以这种方式,第二个双面光伏屏幕可以集成在建筑围护结构中,以便也利用由内立面(例如在双层外墙中)反射的光。

位于纳沙泰尔的 CSEM 大楼是瑞士的参考范例,于 2015 年设计,总面积为 633 平方米,预计年发电量约为 50 - 60 MWh(表 2)。

结论

考虑到光伏技术在欧洲和国际当前能源政策中的相关作用,反思影响建筑领域的创新过程至关重要。本研究旨在展示建筑外墙使用建筑 BIPV 玻璃的一些主要创新趋势。已经讨论了许多制造技术和实际案例研究方面的方法和发展。

综上所述,从最近的参考资料和产品来看,这些要求进一步发展的要求来自:

  • 新的BIPV玻璃产品支持近零能耗建筑领域的高质量建筑项目的需求;
  • 根据电气和建筑领域对此类产品的可靠性要求;
  • 将完整的功能/性能集成到建筑围护系统中,
  • 建筑能源概念与幕墙工程领域的结合。

当然,虽然我们试图为一些创新的驱动原则和趋势提供证据,但无疑还有许多方面仍有待研究,需要进一步研究。值得注意的是,一些创新趋势已经在瑞士建筑中得以实施。

这也是因为与传统玻璃幕墙相比,BIPV 玻璃幕墙今天在成本方面已经具有竞争力 [23],因此“BIPV 幕墙”今天也可以代表传统建筑围护结构的替代品。太阳能可为玻璃行业带来机遇,不仅适用于半透明部件,也适用于不透明外墙。

总而言之,近年来,玻璃幕墙开发的努力导致了壮观的建筑玻璃围护结构,这些玻璃围护结构能够代表抵抗力,但同时又失重,尽管这似乎是矛盾的。今天,建筑玻璃围护结构有机会实现一个更广泛的目标,即其在可持续发展领域的积极贡献,同时又不失玻璃的建筑优雅。

参考

[1] N 技术研究。(2015)。2015-2022 年 BIPV 玻璃市场

[2] Wei, Q., Wu, C., Liu, X., Zhang, S., Qian, F., Lu, J., Lian, W., Ni, P. (2016) 玻璃-玻璃模块使用具有 PE​​RT 结构的 n 型双面太阳能电池及其性能,Energy Procedia,第 92 卷,2016 年,第 750-754 页,ISSN 1876-6102,http://dx.doi。org/10.1016/j.egypro.2016.07.054

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[4] Geissler, A.、Fornaro, P.、Bianco, A.(2016 年)。PV 模块的视觉设计——外观应用验收的关键因素。第 32 届欧洲光伏太阳能会议暨展览会论文集,第 2470 - 2475 页,ISBN:3-936338-41-8,doi:10.4229/EUPVSEC20162016-6DO.7.2

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[6] 欧盟项目 SMART-FleX,见:http://www.smartflex-solarfacades.eu/

[7] Gebäudehülle - 技术与趋势。(2016)。Schön viel Strom Produzieren。

[8] Escarré, J., Li, H.-Y., Sansonnens, L., Galliano, F., Cattaneo, G., Heinstein, P., Nicolay, S., Bailat, J., Eberhard, S. , Ballif, C., Perret-Aebi, L.-E. (2015) 当光伏组件成为真正的建筑元素时:白色太阳能组件,BIPV 的一场革命。2015 年 IEEE 第 42 届光伏专家会议 (PVSC),新奥尔良,洛杉矶,2015 年,第 1-2 页。doi: 10.1109/ PVSC.2015.7355630

[9] Mertin, S.、Hody-Le Caër, V.、Joly, M.、Scartezzini, J.-L.、Schüler, A. (2011) 通过反应磁控溅射为活性太阳能热立面上釉的彩色涂层。2011 年 CISBAT 会议记录,瑞士洛桑。

[10] 欧洲议会和欧洲理事会的第 305/2011 号法规 – 建筑产品法规

[11] EN 50583-1:2016,建筑光伏——模块;EN 50583-2:2016,建筑光伏 - 系统

[12] ISO/DIS 18178:2014,建筑玻璃 – 层压太阳能光伏玻璃

[13] Feldmann, M.、Kasper, R.、Abeln, B.、Cruz, P.、Belis, J.、Beyer, J.、Colvin, J. 等。(编辑)。(2014)。欧洲玻璃部件结构设计指南:支持欧洲规范的实施、协调和进一步发展。欧元。卢森堡:欧盟

[14] “Autarkes Mehrfamilienhaus Brütten:Einmal ohne Netzanschluss bitte!”,可在:http://www.ee-news.ch/de/article/33698/autarkesmehrfamilienhaus-brutten-einmal-ohnenetzanschluss-bitte

[15] “Ernst Schweizer:Symbiose von Holz- und Photovoltaikfassade”,可在:http://www. ee-news.ch/de/erneuerbare/article/32992/ernst-schweizer-symbiose-von-holz-undphotovoltaikfassade

[16] Bundesamt für Energie BFE。(2016) Leuchtturm Photovoltaik Fassade an PlusEnergieBau Sanierung Zürich

[17] Steike, G., Menn, C., Geissler, A. (2016)。转型是 Kohlesilos zum Solarkraftwerk mit farbigen PV-Modulen 和 Second-Life Speicher。19. 状态研讨会“Forschen für den Bau im context von Energie und Umwelt”。苏黎世

[18] Hemmerle, C. (2017)。太阳能光伏建筑表皮:结构要求和环境效益。立面设计与工程杂志,5(1),93-105。doi:http://dx.doi.org/10.7480/jfde.2017.1.1528

[19] Saretta, E., Bonomo, P., Frontini, F. (2016)。夹层 BIPV 玻璃:融入建筑表皮的方法。在 Jens Schneider 和 Bernhard Weller(编辑),工程透明度 2016:建筑和结构工程中的玻璃 (363-372)。安永公司。打印 ISBN:978-3-433-03187-2

[20] Frontini, F., Friesen, T., von Ballmoos, C., Di Gregorio, S. (2014)。Palazzo Positivo:翻新瑞士一栋带有 BIPV 外墙的住宅楼。在:第 29 届欧洲 PVSEC,2014 年,阿姆斯特丹。(在新闻)

[21] ETH Adaptive Solar Facade,见:http://www.systems.arch.ethz.ch/research/activeand-adaptive-components/asf-adaptive-solarfacade.html

[22] Nagy, Z., Svetozarevic, B., Jayathissa, P., Begle, M., Hofer, J., Lydon, G., Willmann, A., Schlueter, A. (2016) 自适应太阳能幕墙:从概念到原型,建筑研究前沿,第 5 卷,第 2 期,2016 年 6 月,第 143-156 页,ISSN 2095-2635,http://dx.doi.org/10.1016/j。2016.03.002

[23] Frontini, F., Bonomo, P., Chatzipanagi, A., Van den Donker, M., Verbene, G., Sinapis, K., Folkerts, W. (2015) Building Integrated Photovoltaics。2015年报告. 技术报告

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