建筑幕墙未来发展的新方向(太阳能幕墙)

建筑幕墙未来发展的新方向

——太阳能幕墙

王常霖山东津单幕墙有限公司

吴珍志山东大学土木水利学院

摘要：本文从太阳能技术与建筑幕墙相结合的角度提出了太阳能幕墙的概念，并从其发展方向上加以论述。

关键词：太阳能幕墙光电光热光亮

笔者于2010年9月16至19日有幸参加了在山东德州召开的第四届世界太阳城大会。会议聚焦国际视野，融汇各方观点，凝聚全球智慧，从推进太阳能战略的角度，探求多边共赢之路，展示了新能源、新产业、新生活的美好前景。与会期间通过参加一系列论坛、展览和大型活动，笔者倾听了各国专家先进的节能理念以及节能技术的介绍，并实地参观了太阳能与建筑一体化的示范场馆，收获颇丰，对太阳能技术与建筑幕墙的结合及其应用方向有了新的想法和更深层次的认识，并由此提出了太阳能幕墙（Solar Curtain Wall ——简称“SCW”）的概念。借此次机会，与广大同行讨论，共同学习、进步。

一、目前我国传统能源利用现状

能源是一个国家发展的动力，决定着国家命运的兴衰。17世纪煤炭的大量发掘和蒸汽机的使用，奠定了英国200年“日不落帝国”的基础。19世纪石油资源的开采和应用造就

了当今美国的繁荣，能源对于一个国家的重要意义由此可见一斑。

外界看来，我国地大物博，是堂堂资源大国，但实际上，我国的传统能源（煤、石油、天然气等）储量虽然比较丰富，但按人均计算，煤炭资源拥有量却只相当于世界平均水平的50％，石油、天然气资源拥有量更是仅为世界平均水平的十五分之一左右。根据目前国内探明的传统能源储量来看，按照目前我国的发展态势（GDP10%）：煤炭，仅供54-81年使用；石油，仅供15-20年使用；天然气，仅供28-58年使用……，因此对我国来说，人均能源资源的短缺，环境容量的有限，能源消耗的急骤增加，已经极大的制约了我国的可持续发展以及生存空间。因此，节约传统能源，开发新能源势在必行。

二、我国新能源发展现状与太阳能

我国新能源利用可以追溯到20世纪50年代末的沼气利用，但新能源产业在我国规模化的发展却是在近几年的时间。相对于发达国家，我国新能源产业化发展起步较晚，技术也相对落后，总体产业化程度不高。但同时，我们也应该认识到，我国具备丰富的天然资源优势和巨大的市场需求空间，在国家相关政策引导扶持下，技术水平正逐步提高。因此，新能源的开发和利用具有很大空间。

目前，我国新能源发展较快，其中利用比较广泛的新能

源包括太阳能、风能和生物质能，而太阳能利用更是其中的重中之重。太阳能取之不尽，用之不竭，分布也相对均衡，是真正意义上的环保能源。目前，美国、日本等国在开发太阳能上已经取得了显著的成效。我国是耗能大国，但同时太阳能资源也很丰富，绝大多数地区年平均日辐射量在4 kWh/㎡以上，西藏西部更是高达7 kWh/㎡，太阳能辐射总量居世界第一位，太阳能利用前景十分广阔。所以我国更应重视开发这种经济、环保的能源，广纳各国先进的太阳能技术，进一步开发和利用好太阳能。

三、建筑幕墙发展现状及存在问题

随着建筑业新技术、新材料、新工艺的发展和应用，建筑幕墙现已成为建筑外围护结构和建筑外立面的主要装饰手段，各式建筑幕墙的应用，以其独特的艺术魅力，夺目的装饰效果和丰富的使用功能，装点着城市面貌。

但我们也应该清醒的认识到，建筑幕墙尤其是玻璃幕墙也给我们带来了负面影响，如高能耗、光污染和温室效应等,给节能带来了巨大的挑战。据统计，建筑耗能①已达全社会能源消费量的27.6%，而建筑能耗的50%与门窗幕墙有关。虽然在人们的努力下，幕墙建筑的耗能已经有了大幅度的降低，但仍未达到理想的效果，建筑幕墙节能工作任重而道远。

随着幕墙建筑在我国的普及，建筑幕墙技术在我国也得到了长足的发展，其中玻璃幕墙技术含量最高，更是涉及了

多领域、多学科，其面板材料——玻璃的特殊性（通透、易加工等）也促使它易于与太阳能技术相结合。由此看来，太阳能幕墙的开发具有可行性，也符合国家节能减排、开发新能源的战略性方针，下一步发展的空间很大。

四、太阳能幕墙的发展方向

笔者认为，太阳能幕墙的发展应主要从以下几个方向考虑：

1、光电利用方向

目前主要指光伏幕墙的应用，以本次世界太阳城大会的主会场——太阳谷〃微排大厦为例，它的部分玻璃幕墙（图1）就采用了光伏幕墙技术，它是太阳能光伏与建筑一体化(Building Integrated PV——简称“BIPV”)的一种高端产品。一方面它是建筑物的外围护结构，需要达到建筑美学的要求，同时应具有普通幕墙遮风、避雨、抗风与抗震的能力；另一方面它又具有发电的功能，可以在经历各种复杂气候环境变化后仍能正常工作。

（图1）

为追求最好的光电转换效果，微排大厦的光电单元安装在建筑物的南立面，采光顶及遮阳棚等受阳光照射时间较长的部位，利用建筑造型的自然倾斜达到了最佳的光照角度。根据建筑及功能的要求，光电单元的尺寸和样式各不相同，光电单元中的光伏电池组件很薄（薄膜电池），容易与建筑结合，不会对景观造成较大影响，甚至其本身的不规则纹理还增加了建筑物的外立面效果。而针对室内装饰来说，光电板的背面可以衬以设计师喜欢的颜色，从而达到了意想不到

的装饰效果，从而代替了传统的装饰材料（例如目前较多使用的抛光类建材）。但需要指出的是，光电幕墙的生产、使用直至报废却可以实现对环境的无污染，因此它在环保②方面具有不可比拟的优势。所以光伏幕墙是一种洁净、安全的太阳能利用方式。

光伏幕墙是一种新型建筑幕墙，在我国的出现只有六、七年的时间。从建筑技术与应用来讲，目前在我国仍处于起步阶段，大多也只是在示范项目上作技术研究与展示。但从长远来看，随着技术的不断成熟，成本的不断降低，大规模的推广应用是必然的趋势。

2、光热利用方向

光热利用的基本原理是通过太阳能收集装置将太阳的辐射能收集起来，收集的辐射能再与传热介质相互作用转换成热能，并加以利用。光热技术的核心组成部分是它的太阳能收集装置——集热器。

对于太阳能光热技术与幕墙的结合，太阳谷低碳建筑之一的太阳能“光立方”馆（以下简称“光立方”）给了笔者很大的启发。“光立方”（图2）的外型结构与水立方异曲同工，但不同的是它在建筑物的外墙面自上而下上安装了大量的太阳能集热器，采用这样的安装形式后，集热器真空管紫灰色的外表面形成间隔交错的各个区域，整体上不但没有影响建筑物整体外观，还起到了令人震撼的效果，透露出简洁

时尚的现代化气息，极具未来感。而且在功能上它还赋予了建筑物采暖、制冷、提供热水等附加功能，达到了节能减排的目的。

（图2）

“光立方”所用的集热管的安装形式，笔者认为它可以被认作是幕墙的应用变形，但是更侧重于其装饰和附加功能方面，准确的说还不是幕墙而是建筑物的外装饰附加构件。但利用以上作为基础，笔者提出了一种新型幕墙的概念——光热幕墙（Photo-thermal Curtain Wall——简称“PCW”），

这种新型幕墙除具备常规幕墙的功能外，同时还具备了相应的附加功能：如为建筑物提供采暖、制冷及热水等。

要实现上述目的可以通过以下形式：

利用室内、外两层玻璃结构之间的空隙，将太阳能集热器夹装在其中，集热器的进水管和出水管均布置在玻璃间并通过幕墙横梁或立柱构件封修层引出。但须注意的是，将太阳能集热器与幕墙合二为一作为房屋外围护结构时，应将外装饰造型和建筑功能的进行一体化设计，还需要在设计房屋时就将水路和电路、气管等线路一起考虑，只有这样才有利于解决外观凌乱、管程长和漏水等一系列问题。

我国人多地少，城市里楼房越盖越高，可以占用的屋顶面积却越来越少，因此无论是住宅建筑还是办公建筑，利用墙面都应该是太阳能光热一个很好的发展方向。通过与幕墙的结合，可以说是在功能和装饰上更好地深化了两者的优势，发展前景良好。但也应理性的认识，从与建筑结合的技术难度来说，光热的难度更大一些。光伏发电仅仅是转换效率的问题，而光热则有转化介质（水或其它介质）的因素，例如要求光热产品不仅要有良好的承压性，体积还要小而薄，这也是限制光热与建筑结合的难点之一，因此它的硬件的设备跟建筑的恰当匹配也还需要投入更多的努力。

3、光亮（光电深化）利用方向

光亮利用实际上是光电在功能上的深化，它的基本原理就是光电技术和LED亮化技术。至于光电转换的（光生伏特）原理③这里不再赘述，后面仅对LED技术做一下简单说明。

LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件（发光二极管）。LED利用固体半导体芯片作为发光材料，可以直接发出各种颜色的可见光，尤其是采用LED显示屏控制技术后更是实现了色彩和图案的多变性，因此它是一种可随意控制的"动态光源"。与传统光源相比，LED为固体冷光源，工作电压低，直流驱动，低功耗（电光功率达90%以上，同样照明效果比传统光源节能80%以上），寿命更长，因此使调节明暗，频繁开关成为可能，更有利于在夜晚建筑美化中的应用。也正是因为LED技术是一种我们可以随意控制的"动态光源"。所以我们将其与幕墙相结合，产生了多媒体动态幕墙（图3），丰富了建筑幕墙在夜晚的表现力。

（图3）

多媒体动态幕墙实现了能源循环自给，大幅度的节约了能源和运营成本。白天，每块玻璃板后面的光伏电池将太阳

能吸收储存起来。晚间，则将储存的电能供应给动态幕墙的LED显示屏，利用电脑控制LED灯光装置，在幕墙上表现出各种图像，播放、演示固定或活动的图案，提供了一种具艺术特色的与城市环境进行交流形式，凸显了建筑的艺术风格，营造了时尚的城市气氛，将建筑物的玻璃幕墙转变为一种互动娱乐和公众活动环境。

LED与幕墙的结合，采用以下两种形式均可，但在设计时应注意LED的防水、可拆换性及布线的可操作性：

⑴LED亮化组件与幕墙构件（主要是立柱、横梁、胶缝等）结合（非动态幕墙，属于建筑外轮廓亮化的范畴）；

⑵LED亮化组件与幕墙玻璃面板提前加工形成LED玻璃面板（多媒体动态幕墙）：采用新型镀膜装饰玻璃，利用其导电性能加工成透明电路并配以LED、专用浆料等，再用激光技术合成。远看玻璃是整块亮，实际是分布均匀的点状LED 冷光源，不发光时和常见的普通镀膜玻璃一样。

回首城市和建筑发展的历史进程，我们可以清楚地看到光技术和光文化同城市和建筑同步发展的前进足迹，也看到了采光照明的技术进步对城市和建筑面貌及现代城市生活所产生的巨大作用。为响应国家节能减排政策号召，真正做到节能、环保并重，实用性、观赏性并举，采用先进的多媒体动态幕墙，未尝不是一种更好的尝试，因此推广动态幕墙大有可为，市场潜力巨大。

4、综合利用方向

以上利用方向的几种或全方位组合的模式。

五、结语：

近年来，城市中涌现出了一大批高层、超高层建筑，这些建筑出于彰显城市形象、体现建筑形态美感等原因，纷纷采用了建筑幕墙尤其是玻璃幕墙的设计，而传统的玻璃幕墙给我们的印象是高耗能。虽然新型玻璃的应用和施工技术的进步已经降低了建筑物的能耗，但还是无法从根本上解决问题。21世纪末，太阳能将成为人类的主要能源。太阳能在建筑中的大规模利用，无论在光热还是光电方面，都必须实现与建筑的良好结合，只有这样才能展现它无穷的潜力，而太阳能幕墙的出现符合了这一历史趋势。相信，通过设计师和工程师们大胆创新和不懈地努力，太阳能幕墙一定会迸发出更加强大的生命力。

提示：

①（注：以玻璃幕墙建筑为例，处于直射或当阳的玻璃楼，其耗能是普通建筑的4倍以上。）

②（注：实验证明，光伏电池在发电过程中，不会排放二氧化碳及二氧化硫等有害温室气体，对环境没有污染，也不会产生噪音，光电板的成分中也没有有毒物质，不会在建筑物起火时造成诸如释放有毒气体等危害。）

③（注：光电转换后直接产生的是直流电，而LED技术直接使用的就是直流电，避免了传统光源对交直流转换的要求。）

图片来源：皇明官方网站/皇明太阳谷规划ppt