摘要: 在世界能源危机与生态危机的大背景下,充分利用太阳能这种可再生的清洁能源对节约资源 与保护环境具有重要意义。 光伏发电系统作为利用太阳能的一种有效途径已得到广泛关注, 但在与建筑表皮结合的过程中由于一体化程度低往往会带来立面效果差、发电量不足等问 题。 通过结合建筑不同位置不同构件来探讨光伏与建筑表皮的一体化设计策略,使光伏与建 筑表皮有机结合,在充分利用太阳能的同时美化建筑立面效果,对建筑师的光伏与建筑一体 化设计提供借鉴和参考。

关键词: 光伏系统; 建筑表皮; 一体化设计

0 引言

世界能源危机与生态危机的出现使人们对清洁 能源的使用及环境保护提高了重视,太阳能作为一种 可再生的清洁能源成为了人们视线中的焦点,光伏系 统可以将太阳能有效转化为电能,技术日趋成熟与完 善,但在建筑的应用中经常存在由于一体化设计程度 低带来的建筑立面效果杂乱无章、发电量不足等问 题。 建筑表皮被称作是建筑的“名片”,是展现建筑形 象的一个重要窗口,由于可以直接获取阳光并直观地 体现先进的材料技术理念,所以也是光伏组件与建筑 结合的最佳部位。 因此,为推广光伏系统在建筑中的 应用,使运用光伏系统的建筑立面效果更加美观,探讨光伏与建筑表皮的一体化设计策略具有重要意义。

本文将从建筑表皮的屋顶及立面两个层面,针对 不同的部位及构件分别探讨与光伏的一体化设计方 法,使光伏组件作为表皮设计中的一个基本要素,达 到与建筑相得益彰的效果,展现建筑的时代性及技术 的先进性,为推动光伏系统在建筑中的合理应用提供 借鉴与参考。

1 光伏与建筑表皮一体化

建筑光伏一体化设计(Building Integrated Photovltaic, 下文简称 BIPV)是指将光伏系统作为一种元素与建筑 物集成在一起,把按照要求做好的光伏组件按照一定 的原则和方法安装在建筑的屋顶、墙面或其他构件 上,使光伏组件与建筑表皮成为一个有机的整体,实现各方面最优化的结果。

随着当今建筑行业材料技术突飞猛进的发展,建 筑表皮代替了传统的建筑围护结构出现在人们的视 野中,由于它突出的表现力故常被称作是建筑的“名 片”。 光伏系统与建筑表皮一体化设计具有如下优 点:(1)建筑表皮作为光伏系统的载体省去了光伏系 统的结构支撑体系,节省了用地面积。 (2)光伏系统 除了具有自身发电功能以外还可代替原本的建筑材 料,因此节省了常规材料的使用费用,光伏与建筑一 体化程度越高节省的安装成本就约越低。 (3)白天是 办公、商业等建筑的用电高峰期,同时也是光伏系统 发电的有效期,所以光伏系统对电网用电高峰期具有 调节作用。 (4)光伏系统与建筑表皮的一体化设计能 够体现现代建筑技术的优越性,展现先进的设计理 念。 (5)光伏系统能够在一定程度上改善建筑表皮的 热工性能。

2 光伏与建筑屋顶一体化设计策略

由于光伏与建筑屋顶相结合的能源回收期时间 要小于光伏与立面相结合的时间,所以 BIPV 优先考 虑与建筑屋顶的结合设计。 具体设计策略如下:

首先,优先考虑光伏与坡屋顶结合。 由于建筑屋 顶通常分为坡屋顶与平屋顶两类,坡屋顶可以直接作 为光伏系统的载体,而平屋顶为了保证光伏系统的发 电率,需要额外安装结构为光伏系统提供所需的角 度,因此坡屋顶与光伏系统的一体化设计程度更高, 在条件允许的情况下优先考虑光伏系统与坡屋顶的 一体化设计。

其次,与平屋顶结合时需要注意光伏板对立面效 果的影响。 当光伏板与平屋顶结合时一般要将光伏 板倾斜一定角度以增加发电效率,这个角度通常为当 地纬度加 15°~20°,最简单的方法是将光伏板按照一 定的规律直接摆放在屋顶上,并使在视线所能触及的 范围之内都具有一定的秩序。 也可以利用结构支撑 将其突出于原有屋顶之上,形成平屋顶之上的第二个 屋顶层次,成为立面构图重要的一部分起到统一秩序 的作用,如图 1 所示。 或者将光伏板与立面其他元素 呼应统一成为立面构图的一部分,如图 2 所示该建筑 将光伏板放置于平屋顶上,光伏板倾斜角度与顶层阳 光房的斜面一致,二者相互衔接呼应,使整个立面效 果整体统一。

第三,将光伏系统与屋顶挑檐结合。 挑檐是屋面 挑出外墙的部分,光伏与挑檐的一体化设计除了具有 常规挑檐排水、遮阳、保护墙体等作用之外,还具有接 收太阳能发电的作用,是 BIPV 需要考虑的重点部位, 如图 3 所示案例便将光伏与挑檐进行了一体化设计,立面效果简洁整体。

第四,将光伏系统与透光顶结合。 在中庭的屋顶 设计中可以考虑一种新的组合形式,这种组合形式不 是光伏系统简单的依附在屋顶材料外侧,而是密封在 透明玻璃中间形成一个新的组件出现在建筑屋顶中, 由于光伏组件的不透光性和玻璃的透光性,组件之间 拼接组合之后在阳光的照射下会在室内形成光斑交 错的效果,在发电的同时解决了夏季中庭温度过高室 内热舒适性差的问题。 如图 4 所示,丹麦 Brundtland 中心就是其中优秀一例,这种方式可以运用在有透光 需要的屋顶设计中。

3 光伏与建筑立面一体化设计策略

在建筑立面上光伏系统主要与墙身、阳台、及一 些立面遮阳构件相结合。

3. 1 光伏与墙身一体化设计策略

与建筑屋顶相比,建筑墙身能为光伏系统提供更 多的装配面积,因此当建筑屋顶光伏系统不能满足建筑所需用电量时应当考虑光伏与墙身的一体化设计。 由于光伏系统与墙身结合时光伏组件暴露在人们视 野中对建筑立面效果影响极大,因此在光伏系统与墙 身一体化设计过程中对技术、艺术都提出了更高的要 求,具体设计策略如下:

首先,将光伏系统与墙身部分结合。 当建筑对发 电量要求不大或通过其他方式已经满足发电需求时, 考虑光伏系统与墙身的一体化设计时可以采用与墙 身部分结合的方式。 这时需要注意构件与建筑整体 的关系,通过对比统一、比例与尺度、节奏和韵律等形 式美规律使建筑立面达到整体美观效果。 当光伏和 建筑材料在同一平面上时,光伏材料可以作为点元 素,在主要建筑材料之间作为点缀间隔出现在立面 上,增强立面的趣味性如图 5(a)所示,也可以作为线 元素与墙面进行一体化设计,在立面上形成一定的韵 律感,如图 5( b)所示。 在考虑光伏与墙面的一体化 设计过程中,也可以使墙体自身产生倾斜,这样更有 利于光伏板的安装与集热,而且在立面效果上由于面 的转折产生了一定的变化与节奏感,面与面之间的阴 影关系也为遮阳提供了便利,这种做法非常好地体现 了一体化的设计理念,如图 6 所示。

其次,将光伏系统与墙身整体结合形成光伏墙 面。 当在墙身整体大面积铺设光伏板时,光伏板作为 一种面元素出现在立面中,它作为一种新的建筑材料 替代了传统建筑材料,光伏材料表面光滑的肌理感及 安装所需金属材质的组件都给立面带来了十足的现 代感和科技感,如图 7 ( a) 所示。 有些建筑为了获得 较大的发电量不仅将墙身整体与光伏板结合,而且为 了提高采光效率将墙身进行一定角度的倾斜, 如 图 7(b)所示。 在大面积铺设光伏板时,除了光伏板 自身材料的颜色、肌理、形状会对立面效果产生影响之 外,光伏板之间的组合排列形式也会形成一种新的肌理影响立面效果,在一体化设计过程中应该充分考虑。

第三,将光伏系统与玻璃幕墙结合。 当墙面大面 积使用玻璃幕墙时,与透光顶类似,光伏组件可以夹 在玻璃板材之间,组件之间不同的组合排列可以在室 内形成不同的光影效果,如图 8 所示,但是要注意避 免光伏组件对室内视线遮挡。

第四,将光伏系统与建筑墙身并列形成双层外墙 系统。 光伏系统可以独立于原有建筑墙面,两者间相 隔一定距离形成气候缓冲区,不仅有利于光伏板的降 温还有利于建筑室内冬季保温和夏季降温,如图 9 所 示。 需要注意光伏墙面对室内采光及视线的影响,这 种设计方法对旧建筑改造尤为适合。

3.2 光伏与阳台一体化设计策略

建筑立面除了墙身之外,阳台作为立面的重要构 件也需要与光伏系统进行一体化设计。 设计策略 如下:

首先,将光伏系统与开敞式阳台顶部结合。 当阳 台为开敞式阳台时,光伏系统可以作为阳台顶限定围 合出阳台空间,阳台顶部具有接收太阳能的优势,在 保证光伏板发电率的同时为使用空间起到遮阳效果, 如图 10 所示。

其次,将光伏系统与封闭式阳台顶部及立面围护结构结合。 当阳台为封闭式阳台时,光伏系统除了与 开敞式阳台一样与阳台顶部结合外,在保证阳台正常 采光需求的情况下还能与阳台立面围护结构结合,这 时要注意不要一味追求发电量而对视线造成阻碍。 阳台立面也可以进行倾斜,不仅可以为光伏系统提供 更好的发电条件,而且也是建筑立面更加活泼,如 图 11所示。

3.3 光伏与遮阳构件一体化设计策略

在建筑立面上光伏系统通常与有遮阳效果的遮 阳构件相结合,即可以降温节能为室内提供良好的光 环境,同时还能利用阳光进行发电。 具体设计策略 如下:

首先,将光伏系统与窗口遮阳板结合。 窗口作为 室内接受阳光的部位一方面需要充足的阳光保证室 内的工作学习质量,另一方面要防止阳光过于强烈引 起的室内眩光及温度急剧上升等情况,因此很多建筑 需要对窗口进行外遮阳设计。 光伏板可倾斜一定角 度安装在窗口水平遮阳板上,也可以叠合在窗口水 平、垂直遮阳板上,或者光伏板直接作为遮阳构件,省 去了传统遮阳板的材料费用,如图 12 所示,光伏遮阳 板在立面上形成了一定的阴影效果,使立面效果更富 有变化。

其次,将光伏系统与窗口遮阳百叶结合。 窗口百 叶作为活动式遮阳的一种方式,可以根据室内使用需要随时进行遮阳角度的调整,控制室内的进光量。 现 在很多设计中将光伏系统与活动式遮阳百叶相结合, 如图 13 所示,遮阳百叶在立面上作为一种新的元素 反复出现,统一了立面秩序,并增强了立面的韵律感 与节奏感。 有些光伏系统具有智能追踪太阳功能,可 以自动控制百叶角度,增加太阳能接收效率,很好地 控制室内进光量,而且光伏百叶两侧通畅的气流还可 以有效降低光伏板的温度。

第三,将光伏系统与雨篷结合。 将光伏板附加在 雨篷之上,或者密封在两层玻璃之间作为雨篷的顶面 材料如图 14 所示,在起到为入口处行人提供遮阳避 雨等功能的同时, 将太阳能转换为电能为建筑物 使用。

4 结论

在世界能源危机、空气污染、热岛效应等城市问 题频发的今天,太阳能作为一种可再生清洁能源已得 到越来越多的重视。 太阳能光伏发电作为利用太阳 能的一种重要途径,在为我们的生产生活提供便利的 同时也面临着发展的机遇与挑战,探讨如何与建筑进 行一体化设计使光伏系统在建筑物中得到良好的应 用,对于光伏系统的推广运用具有积极意义。 本文基 于对光伏与建筑表皮一体化的了解,将建筑表皮分为 屋顶和立面两个层面,分别探讨与光伏系统的一体化 设计策略。 在探讨与屋顶的一体化设计方法时分别 提出与平屋顶、坡屋顶、屋顶挑檐、透光屋顶结合的一 体化设计策略,在探讨立面与光伏系统的一体化设计 方法时分别提出与墙身、阳台、遮阳构件结合的一体 化的设计策略。 通过本文的探讨,相信会对建筑师的 太阳能光伏与建筑表皮的一体化设计提供方法与借 鉴,相信在不久的将来,太阳能光伏系统会在我们的 建筑中得到更多美观高效的利用,使我们赖以生存的 家园变得更加美好。