摘要: 在世界能源危機與生態危機的大背景下,充分利用太陽能這種可再生的清潔能源對節約資源 與保護環境具有重要意義。 光伏發電系統作為利用太陽能的一種有效途徑已得到廣泛關注, 但在與建筑表皮結合的過程中由于一體化程度低往往會帶來立面效果差、發電量不足等問 題。 通過結合建筑不同位置不同構件來探討光伏與建筑表皮的一體化設計策略,使光伏與建 筑表皮有機結合,在充分利用太陽能的同時美化建筑立面效果,對建筑師的光伏與建筑一體 化設計提供借鑒和參考。
關鍵詞: 光伏系統; 建筑表皮; 一體化設計
0 引言
世界能源危機與生態危機的出現使人們對清潔 能源的使用及環境保護提高了重視,太陽能作為一種 可再生的清潔能源成為了人們視線中的焦點,光伏系 統可以將太陽能有效轉化為電能,技術日趨成熟與完 善,但在建筑的應用中經常存在由于一體化設計程度 低帶來的建筑立面效果雜亂無章、發電量不足等問 題。 建筑表皮被稱作是建筑的“名片”,是展現建筑形 象的一個重要窗口,由于可以直接獲取陽光并直觀地 體現先進的材料技術理念,所以也是光伏組件與建筑 結合的最佳部位。 因此,為推廣光伏系統在建筑中的 應用,使運用光伏系統的建筑立面效果更加美觀,探討光伏與建筑表皮的一體化設計策略具有重要意義。
本文將從建筑表皮的屋頂及立面兩個層面,針對 不同的部位及構件分別探討與光伏的一體化設計方 法,使光伏組件作為表皮設計中的一個基本要素,達 到與建筑相得益彰的效果,展現建筑的時代性及技術 的先進性,為推動光伏系統在建筑中的合理應用提供 借鑒與參考。
1 光伏與建筑表皮一體化
建筑光伏一體化設計(Building Integrated Photovltaic, 下文簡稱 BIPV)是指將光伏系統作為一種元素與建筑 物集成在一起,把按照要求做好的光伏組件按照一定 的原則和方法安裝在建筑的屋頂、墻面或其他構件 上,使光伏組件與建筑表皮成為一個有機的整體,實現各方面最優化的結果。
隨著當今建筑行業材料技術突飛猛進的發展,建 筑表皮代替了傳統的建筑圍護結構出現在人們的視 野中,由于它突出的表現力故常被稱作是建筑的“名 片”。 光伏系統與建筑表皮一體化設計具有如下優 點:(1)建筑表皮作為光伏系統的載體省去了光伏系 統的結構支撐體系,節省了用地面積。 (2)光伏系統 除了具有自身發電功能以外還可代替原本的建筑材 料,因此節省了常規材料的使用費用,光伏與建筑一 體化程度越高節省的安裝成本就約越低。 (3)白天是 辦公、商業等建筑的用電高峰期,同時也是光伏系統 發電的有效期,所以光伏系統對電網用電高峰期具有 調節作用。 (4)光伏系統與建筑表皮的一體化設計能 夠體現現代建筑技術的優越性,展現先進的設計理 念。 (5)光伏系統能夠在一定程度上改善建筑表皮的 熱工性能。
2 光伏與建筑屋頂一體化設計策略
由于光伏與建筑屋頂相結合的能源回收期時間 要小于光伏與立面相結合的時間,所以 BIPV 優先考 慮與建筑屋頂的結合設計。 具體設計策略如下:
首先,優先考慮光伏與坡屋頂結合。 由于建筑屋 頂通常分為坡屋頂與平屋頂兩類,坡屋頂可以直接作 為光伏系統的載體,而平屋頂為了保證光伏系統的發 電率,需要額外安裝結構為光伏系統提供所需的角 度,因此坡屋頂與光伏系統的一體化設計程度更高, 在條件允許的情況下優先考慮光伏系統與坡屋頂的 一體化設計。
其次,與平屋頂結合時需要注意光伏板對立面效 果的影響。 當光伏板與平屋頂結合時一般要將光伏 板傾斜一定角度以增加發電效率,這個角度通常為當 地緯度加 15°~20°,最簡單的方法是將光伏板按照一 定的規律直接擺放在屋頂上,并使在視線所能觸及的 范圍之內都具有一定的秩序。 也可以利用結構支撐 將其突出于原有屋頂之上,形成平屋頂之上的第二個 屋頂層次,成為立面構圖重要的一部分起到統一秩序 的作用,如圖 1 所示。 或者將光伏板與立面其他元素 呼應統一成為立面構圖的一部分,如圖 2 所示該建筑 將光伏板放置于平屋頂上,光伏板傾斜角度與頂層陽 光房的斜面一致,二者相互銜接呼應,使整個立面效 果整體統一。
第三,將光伏系統與屋頂挑檐結合。 挑檐是屋面 挑出外墻的部分,光伏與挑檐的一體化設計除了具有 常規挑檐排水、遮陽、保護墻體等作用之外,還具有接 收太陽能發電的作用,是 BIPV 需要考慮的重點部位, 如圖 3 所示案例便將光伏與挑檐進行了一體化設計,立面效果簡潔整體。
第四,將光伏系統與透光頂結合。 在中庭的屋頂 設計中可以考慮一種新的組合形式,這種組合形式不 是光伏系統簡單的依附在屋頂材料外側,而是密封在 透明玻璃中間形成一個新的組件出現在建筑屋頂中, 由于光伏組件的不透光性和玻璃的透光性,組件之間 拼接組合之后在陽光的照射下會在室內形成光斑交 錯的效果,在發電的同時解決了夏季中庭溫度過高室 內熱舒適性差的問題。 如圖 4 所示,丹麥 Brundtland 中心就是其中優秀一例,這種方式可以運用在有透光 需要的屋頂設計中。
3 光伏與建筑立面一體化設計策略
在建筑立面上光伏系統主要與墻身、陽臺、及一 些立面遮陽構件相結合。
3. 1 光伏與墻身一體化設計策略
與建筑屋頂相比,建筑墻身能為光伏系統提供更 多的裝配面積,因此當建筑屋頂光伏系統不能滿足建筑所需用電量時應當考慮光伏與墻身的一體化設計。 由于光伏系統與墻身結合時光伏組件暴露在人們視 野中對建筑立面效果影響極大,因此在光伏系統與墻 身一體化設計過程中對技術、藝術都提出了更高的要 求,具體設計策略如下:
首先,將光伏系統與墻身部分結合。 當建筑對發 電量要求不大或通過其他方式已經滿足發電需求時, 考慮光伏系統與墻身的一體化設計時可以采用與墻 身部分結合的方式。 這時需要注意構件與建筑整體 的關系,通過對比統一、比例與尺度、節奏和韻律等形 式美規律使建筑立面達到整體美觀效果。 當光伏和 建筑材料在同一平面上時,光伏材料可以作為點元 素,在主要建筑材料之間作為點綴間隔出現在立面 上,增強立面的趣味性如圖 5(a)所示,也可以作為線 元素與墻面進行一體化設計,在立面上形成一定的韻 律感,如圖 5( b)所示。 在考慮光伏與墻面的一體化 設計過程中,也可以使墻體自身產生傾斜,這樣更有 利于光伏板的安裝與集熱,而且在立面效果上由于面 的轉折產生了一定的變化與節奏感,面與面之間的陰 影關系也為遮陽提供了便利,這種做法非常好地體現 了一體化的設計理念,如圖 6 所示。
其次,將光伏系統與墻身整體結合形成光伏墻 面。 當在墻身整體大面積鋪設光伏板時,光伏板作為 一種面元素出現在立面中,它作為一種新的建筑材料 替代了傳統建筑材料,光伏材料表面光滑的肌理感及 安裝所需金屬材質的組件都給立面帶來了十足的現 代感和科技感,如圖 7 ( a) 所示。 有些建筑為了獲得 較大的發電量不僅將墻身整體與光伏板結合,而且為 了提高采光效率將墻身進行一定角度的傾斜, 如 圖 7(b)所示。 在大面積鋪設光伏板時,除了光伏板 自身材料的顏色、肌理、形狀會對立面效果產生影響之 外,光伏板之間的組合排列形式也會形成一種新的肌理影響立面效果,在一體化設計過程中應該充分考慮。
第三,將光伏系統與玻璃幕墻結合。 當墻面大面 積使用玻璃幕墻時,與透光頂類似,光伏組件可以夾 在玻璃板材之間,組件之間不同的組合排列可以在室 內形成不同的光影效果,如圖 8 所示,但是要注意避 免光伏組件對室內視線遮擋。
第四,將光伏系統與建筑墻身并列形成雙層外墻 系統。 光伏系統可以獨立于原有建筑墻面,兩者間相 隔一定距離形成氣候緩沖區,不僅有利于光伏板的降 溫還有利于建筑室內冬季保溫和夏季降溫,如圖 9 所 示。 需要注意光伏墻面對室內采光及視線的影響,這 種設計方法對舊建筑改造尤為適合。
3.2 光伏與陽臺一體化設計策略
建筑立面除了墻身之外,陽臺作為立面的重要構 件也需要與光伏系統進行一體化設計。 設計策略 如下:
首先,將光伏系統與開敞式陽臺頂部結合。 當陽 臺為開敞式陽臺時,光伏系統可以作為陽臺頂限定圍 合出陽臺空間,陽臺頂部具有接收太陽能的優勢,在 保證光伏板發電率的同時為使用空間起到遮陽效果, 如圖 10 所示。
其次,將光伏系統與封閉式陽臺頂部及立面圍護結構結合。 當陽臺為封閉式陽臺時,光伏系統除了與 開敞式陽臺一樣與陽臺頂部結合外,在保證陽臺正常 采光需求的情況下還能與陽臺立面圍護結構結合,這 時要注意不要一味追求發電量而對視線造成阻礙。 陽臺立面也可以進行傾斜,不僅可以為光伏系統提供 更好的發電條件,而且也是建筑立面更加活潑,如 圖 11所示。
3.3 光伏與遮陽構件一體化設計策略
在建筑立面上光伏系統通常與有遮陽效果的遮 陽構件相結合,即可以降溫節能為室內提供良好的光 環境,同時還能利用陽光進行發電。 具體設計策略 如下:
首先,將光伏系統與窗口遮陽板結合。 窗口作為 室內接受陽光的部位一方面需要充足的陽光保證室 內的工作學習質量,另一方面要防止陽光過于強烈引 起的室內眩光及溫度急劇上升等情況,因此很多建筑 需要對窗口進行外遮陽設計。 光伏板可傾斜一定角 度安裝在窗口水平遮陽板上,也可以疊合在窗口水 平、垂直遮陽板上,或者光伏板直接作為遮陽構件,省 去了傳統遮陽板的材料費用,如圖 12 所示,光伏遮陽 板在立面上形成了一定的陰影效果,使立面效果更富 有變化。
其次,將光伏系統與窗口遮陽百葉結合。 窗口百 葉作為活動式遮陽的一種方式,可以根據室內使用需要隨時進行遮陽角度的調整,控制室內的進光量。 現 在很多設計中將光伏系統與活動式遮陽百葉相結合, 如圖 13 所示,遮陽百葉在立面上作為一種新的元素 反復出現,統一了立面秩序,并增強了立面的韻律感 與節奏感。 有些光伏系統具有智能追蹤太陽功能,可 以自動控制百葉角度,增加太陽能接收效率,很好地 控制室內進光量,而且光伏百葉兩側通暢的氣流還可 以有效降低光伏板的溫度。
第三,將光伏系統與雨篷結合。 將光伏板附加在 雨篷之上,或者密封在兩層玻璃之間作為雨篷的頂面 材料如圖 14 所示,在起到為入口處行人提供遮陽避 雨等功能的同時, 將太陽能轉換為電能為建筑物 使用。
4 結論
在世界能源危機、空氣污染、熱島效應等城市問 題頻發的今天,太陽能作為一種可再生清潔能源已得 到越來越多的重視。 太陽能光伏發電作為利用太陽 能的一種重要途徑,在為我們的生產生活提供便利的 同時也面臨著發展的機遇與挑戰,探討如何與建筑進 行一體化設計使光伏系統在建筑物中得到良好的應 用,對于光伏系統的推廣運用具有積極意義。 本文基 于對光伏與建筑表皮一體化的了解,將建筑表皮分為 屋頂和立面兩個層面,分別探討與光伏系統的一體化 設計策略。 在探討與屋頂的一體化設計方法時分別 提出與平屋頂、坡屋頂、屋頂挑檐、透光屋頂結合的一 體化設計策略,在探討立面與光伏系統的一體化設計 方法時分別提出與墻身、陽臺、遮陽構件結合的一體 化的設計策略。 通過本文的探討,相信會對建筑師的 太陽能光伏與建筑表皮的一體化設計提供方法與借 鑒,相信在不久的將來,太陽能光伏系統會在我們的 建筑中得到更多美觀高效的利用,使我們賴以生存的 家園變得更加美好。
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