一种水幕式太阳能幕墙

一种水幕式太阳能幕墙
【摘要】：幕墙是建筑物的外围护结构，随着绿色建筑概念的不断深入，对幕墙的节能、环保的要求越来越高。

阿尔萨斯案例水幕太阳能系统位于世博会城市最佳实践区的阿尔萨斯案例管，其创造性地采用了呼吸式可开启式太阳能幕墙系统，是绿色建筑的典型代表。

【关键词】：幕墙、绿色建筑、节能、水幕、阿尔萨斯
幕墙是建筑物的外围护结构，随着绿色建筑概念的不断深入，对幕墙的节能、环保的要求越来越高。

临街大楼用作装饰的玻璃幕墙，在日光较强时，其反射系数超过75%，它所反射的太阳光容易使身处其中的人们产生近视、疲劳、偏头痛等疾患。

对于驾驶员而言，更容易头晕目眩、视觉错乱，以致引发交通事故；夏天，玻璃幕墙将阳光反射到居民室内，可使室温比一般民宅升高4-6摄氏度，容易加剧家用电器和家具的老化。

太阳能幕墙一体化技术是将太阳能光伏板与幕墙融为一体，太阳能光伏板既可以将太阳能转化为电能为建筑物提供电能，又可以实现减少太阳光向室内的照射从而在夏季降低温度，是近年来建筑外墙的发展趋势，具有极强的社会推广价值和意义。

1.世博会阿尔萨斯馆简介
世博会阿尔萨斯馆提供一种水幕太阳能呼吸式幕墙系统，可以充分利用太阳光并具有有效隔热效果，从而降低了能源的消耗。

位于世博会城市最佳实践区的阿尔萨斯案例创造性地采用了呼吸式可开启式太阳能幕墙系统。

2.阿尔萨斯水幕太阳能幕墙结构
阿尔萨斯水幕太阳能系统位于建筑的南立面，该幕墙的精髓在于夏天给建筑物遮阳，并且给建筑物降温，在冬天利用同一系统给建筑物聚集热量。

水幕太阳能幕墙系统包括固定于围护结构外侧的玻璃水幕墙、多个以矩形阵列设置于所述玻璃水幕墙外侧的金属框架、多个空气支撑气弹簧作为开启操作部件，每个金属框架上设有太阳能呼吸式幕墙单元，每组纵向排列的金属框架设有一组用于向所述玻璃水幕墙提供循环水的水幕循环系统，每个太阳能呼吸式幕墙单元包括由上方的太阳能电池板和下方的下侧玻璃组成的窗户以及设置于窗户两侧的侧面玻璃，空气支撑气弹簧可以控制对应的窗户的启闭，当每个太阳能呼吸式幕墙单元中的窗户处于关闭状态时，所有的太阳能呼吸式幕墙单元与所述玻璃水幕墙之间能够形成一个空气隔热空间。

2.1密封舱结构
密封舱结构见图1。

内外幕墙间形成一个相对封闭的空间，空气可以从下部进风口进入，从上部排风口离开，使这一空间处于空气流动状态。

春秋两季自然通风，冬夏两季通过调整风口的开启与关闭，使新风经过幕墙的空间夹层产生通道效应，减少太阳辐射，节约能源。

图1（密封舱结构示意）
2.2水幕系统
水幕系统从外到内可以细分为三个层面，外层为太阳能电板和第一层玻璃形成太阳能密闭舱，中间层为密闭舱的空气腔，最后面一层为水幕和承载水幕的玻璃。

水幕系统为循环水系统，包括地下室水箱、循环水泵、顶层高位配水箱、低位集水池、控制装置以及过滤洁净装置，所述地下室水箱与顶层高位配水箱之间的管路上设有循环水泵，通过水幕循环水泵将地下室水箱的水压到顶层高位配水箱内，顶层高位配水箱中的水在控制装置的控制下放出水流经所述玻璃水幕墙形成水膜并流入所述低位集水池后经过过滤洁净装置重新回到地下室水箱。

2.3太阳能电池板
太阳能电池板可以采用双玻透光无框太阳能电池组件，采用双面玻璃结构形式，用点式方法进行安装。

双玻透光无框太阳能电池组件，包括外层玻璃、隔条、密封胶和内层玻璃，其中隔条为可通水的方通管框架，隔条由上横梁、下横梁、左立柱、右立柱焊接组成框架，隔条位于外层玻璃和内层玻璃中间，将外层玻璃和内层玻璃隔开，在隔条外部周围由密封胶将内外层玻璃粘结并密封，外层玻璃为太阳能光伏夹层玻璃，内层玻璃是晶体硅电池组件或薄膜电池组件。

采用双玻透光无框太阳能电池组件可以很好地与建筑物外墙、天棚等结合，在满足太阳能发电功能的同时，还能满足建筑物内部采光、遮阴和装饰美观的效果。

在天气辐照条件良好的情况下，太阳能电池板通过并网逆变器组成交流并网系统为水幕循环系统提供能源，在天气条件较差情况下能部分提供电力，不足部分由市电自动补充供应，在夜间条件下系统自动切换到市电模式。

太阳能电池板通过并网逆变器和一些电力保护装置连接到局域电网的配电盘上，其电力与电网电力混合在一起向负载供电，多余或不足的电力通过局域电网来调节，并网型光伏系统舍弃了蓄电池作为储能装置，可以根据用电负荷灵活配置光伏系统。

2.4夏天和冬天模式
此系统可以在任何一个冬冷夏热的地方发挥作用，两种运行模式分别为：
（1）夏天运行：密闭舱打开
根据太阳的高度控制窗户开启的角度，使得太阳光充分照射到太阳能电池板上，太阳角度越高，温度越热。

近乎透明光电板开启角越大，产生的阴影越大，避免建筑遭到阳光直射。

光电板同时搜集电能供应给水幕循环系统，此时的水幕流动发挥散热作用，密闭舱的空气和沿着水幕流淌的水相连，由于舱体是打开的，空气的流动带走了水幕散发的热量，建筑表面达到了被降温的作用。

（2）冬天运行：密闭舱关闭
照射到立面的太阳光提供能量给建筑，能量在光电板上转换成电能，电能通过最前面一层太阳能搜集板供应给建筑内部，而光线则直接照射位于第二层后面的房间。

太阳光将滞留在密闭舱内部的空气预热，形成温室，阳光辐射加上光电板后面发射的热量被预热，这部分空气由于升腾作用流进传输管道并被加入到新风中给室内供暖。

一方面，太阳能电池板可以将吸热的太阳光转化成电能供本系统的用电设备或外部用电设备使用，另一方面，空气隔热空间内的空气在太阳的作用下受热形成对室内具有保温作用的空气保温层。

3.结语
传统概念中，玻璃幕墙是造成现代建筑夏天“温室效应”的罪魁祸首，但在安装了光伏水幕墙后，它却是让整幢建筑实现冬暖夏凉的关键所在。

水幕太阳能呼吸式幕墙系统根据当地不同季节的气候特征采用了具有针对性的节能策略，较好的增强了幕墙的保温隔热效果，在夏季最大限度的减少了太阳热量的辐射，在冬季最大限度的增加了太阳热量的辐射，实现了冬暖夏凉，实现了建筑物的智能温控，降低了能源的消化，降低了业主的使用成本。

真正做到“因地制宜”的同时还保证了“因时制宜”，这一策略在生态建筑设计和节能技术开发研究过程中应得到更多的关注。

参考文献：
【1】蒋竞，上海世博会最佳实践区阿尔萨斯案例馆中绿色技术的探索与应用[J]，绿色建筑，2010(5)：27—31。

【2】洪芳鹏，上海世博会阿尔萨斯案例馆水幕太阳能的设计与施工[J]，建筑施工，2012(9)：947—949。