世界工程组织联合会网站获奖信息
近日，世界工程组织联合会（World Federation of Engineering Organizations）官网公示，位于西咸新区沣西新城，由西安交通大学人居环境与建筑工程学院师生团队、西安中易建科技集团有限公司联合设计建造的中国西部科技创新港7号楼，经中国科协提名推荐成功获得全球唯一“2023年WFEO工程建设卓越奖”。
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迄今为止，全球共有来自美国、英国、新加坡等地的7个项目荣获此奖项。2023年WFEO工程建设卓越奖的评选主题是零净碳的建筑和基础设施，中国西部科技创新港7号楼荣获此奖代表着我国在工程领域的“双碳”建设实践成果得到国际高度认可。
（注：世界工程组织联合会1968年在联合国教科文组织的倡议和支持下成立，组织成员覆盖了世界近百个国家和地区以及12个区域性国际工程组织，是世界上最大的非政府国际工程组织，总部设在法国巴黎。自2011年开始，每两年颁发一次工程建设卓越奖，旨在表彰促进可持续发展工程建设项目。）
项目概况
中国西部科技创新港（以下简称“创新港”）是中华人民共和国教育部和陕西省人民政府在西安市西咸新区共同建设的国家级项目，是陕西省和西安交通大学落实“一带一路”倡议，以及创新驱动和西部大开发发展战略的重要平台。
中国西部科技创新港科创基地7号楼（以下简称“7号楼”）隶属西安交通大学建设的理科、工科、医科、社科四大学科方向下的29个研究院之一，建成后将成为西安交通大学人居环境与建筑工程研究院的科研办公场所。其占地面积约5 524 ㎡，地下1层，地上4层，总建筑面积为10114 ㎡。2019年11月，7号楼得到教育部“双一流”建设中央预算内经费7500多万元的支持，同时得到校友企业西安中易建科技有限公司技术产品的捐助。2022年8月，7号楼建成并通过验收。
创新港科研7号楼核心技术采用西安中易建科技集团有限公司自主研发的“建筑外立面智慧绿色能源系统”。该系统将建筑外立面创新升级为兼具太阳能发电、智能通信、立体安防、无人物流、智能管控、保温隔热等功能于一体的绿色智能“皮肤”，多项核心技术世界领先，并与建筑及周边环境融为一体。
该系统占地2755平方米，光伏装机功率458千瓦，年发电量约40万度，可满足建筑100%的用电需求，同时实现了建筑由内及外250米范围内5G信号全覆盖，建筑周边100米范围内实施立体安防，可无人物流到户。目前，该系统已在省内外多个建筑项目中应用，效果良好。
在建筑外立面、采光顶、遮阳棚等多个场景上，采用光伏技术，利用23%的建筑外立面和部分顶面，光伏装机功率458千瓦，实现年发电40万度，可满足建筑100%的用电需求，实现了建筑运行阶段“碳中和”。同时采用地热能、风能等多种能源转化利用技术，并在空间设计上为师生提供舒适、高效的工作与学习环境，实现了需求与空间建设的高度结合。项目先后被评为工信部智能光伏试点示范项目、2022年度陕西省科技创新优秀案例、陕西省秦创原创新驱动平台建设典型案例。
该建筑旨在通过转化利用的方式，将太阳能、地热能、风能等多种能源与建筑使用功能相融合，从而成为“自然能源协同转化与利用低碳建筑”的综合实验平台。7号楼建成投入使用后，研究团队在该建筑上开展了二十多项实验，并采集、分析实验数据，为进一步开展低碳建筑科学技术研究打下良好基础。它既是西安交通大学建筑学一流学科建设的重要内容，又是一个集科学实验、学科展示、学术交流等多功能于一体的人居环境学科群创新平台。
7号楼主体由“Z”字形的混凝土体量及三角形钢结构展厅组成，混凝土部分承担科研办公空间，钢结构展厅则提供了举办展览、评图、学生活动的场所。两个形体转折处巧妙地嵌套了一个凹式下沉庭院，在“Z”字形西侧2层位置设置了连桥，既加强了内部前后段联系，又成为提供休息空间的室外平台。一层外立面采用玻璃幕墙构筑，二层及以上采用清水混凝土饰面，窗下墙面内嵌铝合金穿孔板。
光伏建筑一体化方案设计
光伏系统选择
项目设计初期，设计团队结合建筑功能与形式选择光伏组件，在充分比较薄膜、单晶硅等光伏组件特性的基础上，结合7号楼的空间组构与形式设计，在考虑契合建筑空间的组构关系与符合建筑形式生成逻辑的条件下，选择了薄膜光伏组件。
拥有薄膜太阳能技术的光伏模块，可按不同建筑场景、功能和外观分为立面玻璃幕墙透光光伏模块（透光率达50%）、立面非透光光伏模块（用于实体墙面，模仿各种材质和颜色）、采光顶透光光伏模块（透光率达40%）、屋顶非透光光伏模块等系列产品部件，并根据需要应用在不同设计风格、功能的建筑中。应用于7号楼外围护体系上的光伏发电技术及产品体系（建筑外立面BIPV）由光伏模块、电力转换调控设备、储能装置、智能管控及监测部件等组成，其中储能系统拥有5个储能电柜，总容量1000 kW·h，功率达200kW。
建筑外围护光伏系统基于建筑外围护体系，融合新能源、信息、物联网等技术的系统性创新，将建筑外围护体系的单一围护功能升级成为可以产生能源和提供信息服务的全新系统。该系统突破并解决了光伏行业与建筑行业之间的技术壁垒，实现了从单点技术产品到系统化技术产品的跨越，树立了一套模块化、系统化、标准化的技术产品体系和整体解决方案。
系统通过电力转换控制装置，将光伏电力转换为自身建筑用电；设置储能装置，为建筑提供电力存储和应急保障；设置智能管控及监测部件，采集运行数据并接入数据中台，对建筑能源管理状态进行监控和调节，实现最佳发电效能，解决了发电和用电平衡及稳定性的问题，确保了使用的安全。
7号楼光伏系统总面积为2750㎡，23%的建筑外立面空间被充分利用，设计光伏装机功率为458kW，年发电量约400000 kW·h，可以满足7号楼的基本用电需求。其中，光伏模块实现了高效、美观、安全、稳定的效果，模块中薄膜太阳能光伏技术的光电转换效率达到19%，比常规技术的光电转换率提升25%。
在此基础上，模块的质感、颜色、透光性等条件符合建筑全场景需求，能实现抗风压、气密、水密、隔热、抗紫外线、隔声、采光、防火等功能。此外，模块符合建筑规范及安全要求，并具有低衰减特性，可以保证30年内输出84%的电力，其电力输出的稳定性比传统方案提升20%。
光伏组件构成方式
为使建筑室内能源的供给方式实现近零能耗运行，设计团队利用在建筑墙面、屋面设置的光伏发电系统，将太阳能转换为电能供建筑使用，同时开展光伏建筑一体化技术实验，将光伏组件分成非透明与透明两种形式。
首先，在建筑一层玻璃幕墙局部敷设透明光伏膜发电玻璃幕墙，用于测试其对室内热环境的影响效果；
其次，在建筑南立面及西立面部分蒸压轻质混凝土（ALC）实体外墙面敷设非透明光伏幕墙系统，光伏幕墙颜色制备成接近清水混凝土的效果，建筑南立面与西立面利用光伏幕墙背板的余热、墙体间的空腔厚度与墙体上、下部通风口的设置方式，开展寒冷地区光伏幕墙建筑外墙面保温、隔热系统的利用性能实验；
再次，利用钢结构展厅冬季作为阳光房的优势，用光伏板背部的余热提升室内温度，从而形成冬季光热转换系统；
最后，在建筑受光面较为充足的屋顶设置两处支架形式的光伏系统，一处将其下部设置成户外交流活动场所，另一处利用光伏发电背板设置空腔余热回收装置，开展余热回收与利用效果的测试实验。项目展现了建筑外围护体系的多种光伏模块样式及规格，包括仿清水混凝土光伏模块、透光光伏模块、遮阳光伏模块等，基本满足了建筑外立面的质感和外观需求。
光伏建筑一体化实施方式设计
光伏组件的装配化敷设
光伏组件敷设的范围涉及7号楼的屋面、南立面、西立面、展厅采光顶及风井立面。其中，建筑立面及风井立面安装220 Wp规格的薄膜组件，共511块，单个光伏组件的尺寸为1200 mm×925 mm。南立面及风井立面共敷设了126块薄膜组件，设计容量共27.72 kWp；西立面共敷设了385块薄膜组件，设计容量达到84.7 kWp；展厅采光顶安装420 Wp规格的薄膜组件，基本尺寸为1200 mm×1800mm，共计安装154块光伏组件，设计容量达到64.68 kWp；屋面支架光伏系统顺应建筑体块形式架设于屋顶顶面，光伏系统以480 Wp规格薄膜组件为主，基本尺寸设为1200mm×2000 mm，共计敷设144块，设计容量达到69.1 kWp。
敷设于7号楼上的光伏系统主要由光伏组件、汇流箱、组串式逆变器、计量箱等设备组成，其中组串式逆变器、汇流箱和计量箱采用挂墙安装方式，逆变器和汇流箱置于建筑三层，计量箱安装在地下一层的低压配电室内。组件出线、汇流箱与逆变器之间的电缆用MC4光伏连接器进行连接，电池组串至汇流箱和组串式逆变器之间的电缆为PV1-F-1×4 mm²，组串式电缆沿支架檩条C型钢槽内敷设，路径根据现场情况自行选择，宜选用敷设条件较好且距离最近的地段。电缆通过电池组串及进出汇流箱和逆变器时均由电力聚氯乙烯（PVC）管保护，且容积不大于管径的2/3。
光伏组件的装配化连接
光伏幕墙与建筑实体部分的连接，通常采用装配化机械连接方式完成，在7号楼的光伏组件敷设中，无论是建筑一层局部的光伏膜、ALC实体外墙的非透明光伏幕墙系统，还是钢结构展厅顶的透明光伏膜、建筑屋顶的支架型光伏系统，均通过钢结构或铝合金龙骨与建筑实体部分进行嵌套（图5）。在建筑一层玻璃幕墙处，利用铝合金立柱与横梁，使二者交叠在一起作为支撑龙骨，支撑龙骨利用双面胶条、硅酮结构密封胶粘合玻璃副框，在扣入夹胶中空光伏发电玻璃后，则利用铝合金明框扣盖与之前龙骨中的铝合金立柱嵌套，锁紧夹胶中空光伏组件与玻璃副框。
在此基础上，设计可依照墙面尺寸规格，在混凝土体量的南立面及西立面敷设光伏幕墙。除墙面上窗洞部分外的清水墙面外，设计团队选定了光伏组件尺寸为1200 mm×925 mm的模块单元，通过竖向与横向的檩条与外墙面进行装配化连接。
首先，光伏组件最中心一层为光伏芯片，外层由通过前板胶片与光伏芯片发生黏合的前板玻璃组成，内层则由通过背板胶片与光伏芯片产生连接的背板玻璃组成；其次，光伏组件通过附框、挂座与横向檩条相连接，而横向檩条则通过竖向檩条产生固定，最后竖向檩条再通过转接件与外墙中穿过保温板、固定于结构层中的预埋件相连。
钢结构展厅顶部的龙骨由型号为150 mm×100 mm× 5 mm与100 mm×100 mm×5 mm的方形钢管交叠铺设而成，交叠之处通过不锈钢自攻螺钉安装铝合金副框，并在纵向的铝合金副框与钢龙骨交叠之处装设光伏组件接线盒，最后通过密封胶在铝合金副框上安装光伏发电玻璃，从而完成光伏幕墙的装配化连接。在建筑屋顶支架型光伏系统的装配过程中，设计团队利用钢结构竖向龙骨与混凝土结构柱的嵌套，以及钢结构垫片与横向钢结构龙骨的连接，通过钢结构垫片将光伏组件连接体转换到横向龙骨上进行敷设。
光伏建筑的一体化实施
在光伏建筑一体化实施的过程中，光伏组件与建筑整体设计风格相融合，形式、质感、色彩完全摆脱了传统光伏组件的局限，展现了建筑外围护系统与光伏系统嵌套组合技术的可行性。与传统晶硅光伏板不同的是，此处的光伏薄膜既是太阳能转化为电能的转换器，又是建筑施工所需的建筑材料，展现了建筑表皮的作用。
具体来讲，一体化的实施依托透明与非透明光伏组件的分类，依循光伏组件的构成方式，表现在以下几个方面： ①透明光伏组件体现在一层的玻璃幕墙上和钢结构展厅的屋顶部分，采用全透明薄膜的形式，与玻璃幕墙板融为一体，体现了玻璃的质感与色泽，在光电转换的同时，实现室内温、湿度的改变； ②非透明光伏组件体现在建筑立面采用的仿清水效果光伏幕墙上，便于进行光伏幕墙与建筑一体化工法实验。在立面敷设中，由横向与竖向檩条作为支撑与控制的骨架，遵循光伏幕墙单元的尺寸，与单元尺寸的光伏幕墙板形成嵌套关系，加之光伏幕墙板的色彩、质感与混凝土材料较为贴合与相符，整体上能够达到较为契合的一体化效果； ③屋顶铺设的太阳能光伏支架的立柱与延伸出屋面的建筑立柱相结合，光伏支架的下部空间可用于休憩与种植，最终实现光伏发电与屋面活动的一体化。
结语
从能源利用的角度看待传统意义上的建筑，可将其归结为“消费体”，而在新能源模式下利用光伏建筑一体化技术，可以使传统的“耗能”角色转变为“产能”角色，使建筑本体由“消费体”转为“生产者”，从而赋予建筑本体新的时代意义与特征。
7号楼既是针对光伏建筑一体化设计的一次有益尝试，又是使建筑本体从“耗能”转向“产能”的一次有效实践。如何在充分利用可再生能源供能体系的同时，使光伏系统与建筑本体融为一体？传统的结合方式往往将光伏组件视为附着在建筑上的产品，由此导致建筑本体与光伏产品各自独立且缺乏联系。
该项目对建筑设计过程中的形式生成逻辑与空间操作规则进行解体，使光伏系统参与到空间组构与形式生成的过程中，从而确保光伏建筑一体化设计达到内外融合的效果。
授奖项目网址：http://www.wfeo.org/announcement-of-the-2023-wfeo-awards-laureates/
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