不仅是发电——光伏在建筑设计中的应用

1 光伏在建筑中的应用

1.1 光伏在建筑中的应用优势

将光伏发电应用到建筑上具有显著优势，具体表现在以下几个方面：

（1）建筑光伏构件可取代部分建筑构件，直接将建筑主体结构作为光伏构件的支撑结构，不占用额外的建筑空间和土地资源，也可降低光伏系统的成本（如图1）。

图1 光伏建筑应用优势示意图

（2）原地发电、原地使用，无需架设输电线路，不但节约了电站输送电网的投资，而且还大大降低了输配电的损耗。

（3）建筑光伏发电系统日/ 季发电量与建筑用电高峰时段一致的，两者结合可以有效削减建筑用电，尤其是在夏季用电负荷的高峰时段，能缓解公共电网压力（如图2）。

图2 建筑负载和日照的关系

（4）安装在屋顶、墙壁等外围护结构的光伏阵列，在吸收太阳能转化为电能的同时，能大大降低建筑外围护结构的表面温度，从而减少室内空调冷负荷。

2 光伏对建筑的积极作用

2.1 美化建筑立面

光伏构件特有的色彩、几何形和肌理等美学特性都能影响建筑的整体外观美感。在阳光的照射下，光伏构件的位置和种类会产生不同的光影、颜色和透明度，可以为建筑营造出别样的风格和美感。如吐鲁番可再生能源示范区中控楼（以下简称中控楼），利用光伏构件的色彩和尺寸，排列出当地特色葡萄凉房的建筑肌理（如图3）。

图3 吐鲁番可再生能源示范区中控楼

将光伏系统的构件尺度与建筑构件尺寸相匹配，才能使光伏系统与建筑更好地融合，以提高建筑的整体视觉感受。高雄龙腾体育场（如图4），利用晶硅光伏构件的色彩、肌理及尺度，营造出从龙鳞、龙骨到巨龙腾飞，从具体到整体的尺度效果。

图4 高雄龙腾体育场

将碲化镉光伏组件与玻璃采用对比的排布方式，普通玻璃幕墙水平布置，而碲化镉光伏幕墙则与玻璃幕墙成一定角度，简单地竖向线条排列，采用东西朝向鱼鳞状线条，巧妙地把光伏玻璃与普通玻璃分离开来，在增加南向受光时间、提高发电量的同时，利用东西朝向创造出的空间，设计了通风百叶窗，光伏玻璃错落有致，整个建筑外观具有独特的立体感，光伏玻璃与普通玻璃相得益彰。

图5 嘉兴科创中心光伏幕墙

2.2 替代原有建筑构件

建材型光伏构件通过太阳电池与金属基材、玻璃基材、有机基材等不同类型基材的集成，能具备与建筑构件相应的功能，可替代原有建筑构件安装在建筑相应部位。其物理性能、结构性能、安全性能均满足相应部位的要求，甚至好于原建筑构件。常见的建材型光伏系统有光伏瓦、中空玻璃光伏构件、铝蜂窝板光伏构件、真空玻璃光伏构件和FRP 板光伏构件等。

2.2.1 光伏瓦

光伏瓦是把太阳能板和屋顶瓦片整合在一起，众多太阳能瓦片即可构成太阳能屋顶（如图6）。应用于建筑屋面时，既具有与普通电池板一样的发电功能，又保持了建筑风格的和谐，避免了使用普通太阳能组件对建筑整体风格的破坏。对于新建坡屋面，可以直接设计使用光电瓦。对于既有的坡屋面建筑，可把原来的旧瓦直接更换成光伏瓦。对于既有的平屋面建筑，可进行平改坡改造，铺装光伏瓦。铺装方法和节点处理与普通屋面瓦相同。

图6 光伏瓦

2.2.2 铝蜂窝板光伏构件

铝蜂窝板光伏构件（如图7），由太阳电池与常用的建筑装饰材料铝蜂窝板集成。与普通光伏组件相比，铝蜂窝板光伏构件可大幅度提升构件的保温、温升和降噪性能，可直接替代建筑构件用于建筑幕墙、外墙、屋面等部位（如表2）。

图7 铝蜂窝板光伏构件工程应用

表1 铝蜂窝板光伏构件和普通光伏组件对比

2.2.3 真空玻璃光伏构件

真空玻璃光伏构件（如图8），真空玻璃光伏构件是以真空玻璃作为基板制造的新型平板光伏构件，具备太阳能电池和真空玻璃的双层优势。真空玻璃光伏构件的传热系数低于1 W/ ㎡ •K，保温性能达到10 级，与中空玻璃光伏构件相比，能有效降低建筑50% 以上的能耗（如表2）。真空玻璃光伏构件能解决中空玻璃光伏构件对室内热环境的影响以及安全性能低、背面温升大、发电效率降低等一系列问题，为有较高保温隔热要求的建筑采光提供了可选择的光伏构件，实现了更高的建筑性能和发电性能。它可用于建筑幕墙、采光顶等部位的安装。

图8 真空玻璃光伏构件工程应用

表2 真空玻璃光伏构件与中控玻璃光伏构件对比

2.2.4 FRP 板光伏构件

FRP 板光伏构件（如图9）是以FRP 板作为基板制造的平板光伏构件。有机基材自重轻、结构安全性能强，且方便运输与安装。FRP 采光板具有一定的保温隔热性能，具有较好的采光性能，不存在膨胀开裂等问题。与中空玻璃相比能降低成本、降低构件表面温度（如表3），可用于建筑幕墙、采光顶、建筑室外透光设施等部位。

图9 FRP 板光伏构件工程应用

目前，已开发出的FRP 板光伏构件的传热系数K值（实验室数据）单层板为2.7 W/ ㎡ •K，多层板为1.0W/ ㎡ •K，满足建筑相应安装部位的建筑性能要求。表3 FRP 板光伏构件与中空玻璃光伏构件对比

2.3 提升或扩展建筑使用功能

利用光伏构件的部分物理性能，通过建筑设计的手段提升、改善原有建筑的使用功能，或将现有建筑功能进行拓展，使其具有新的使用功能，以创造更多效益。如上海某办公楼，在裙楼屋顶上布置钢结构的雨棚，结合钢结构的光伏采光顶（如图10）。太阳能电池可以吸收更多的太阳能，使得直接辐射到屋顶的太阳能减少，具有保温隔热的作用；另外可吸收太阳直射光和部分反射光，将其中大部分太阳辐射能转变为电能。裙房天井两侧的光伏采光顶能获得良好的遮阳效果，在其内部布置咖啡、冷饮等商业设施桌椅扩展了商业空间（如图11）。

图10 上海某办公楼钢结构雨棚设计图

图11 光伏采光顶的遮阳效果

2.4 提高建筑使用舒适度

天合光能有限公司研发楼（如图12），通过光伏构件提高室内采光舒适性。将光伏构件和镀膜玻璃相间布置，利用光伏构件的低透光率阻止过多的阳光直射入室内。同时，利用光伏构件间的镀膜玻璃进行采光和通风，改善室内的采光舒适性。镀膜玻璃的设计高度满足人站姿或坐姿时的视野范围。

图12 天合光能有限公司研发楼立面采光分析

中控楼（如图13），结合当地的气候条件，设置光伏采光中庭，既解决了中庭内相关房间的采光，又利用光伏构件阻挡过多阳光进入室内，避免室内温升。

图13 中控楼

2.5 提高建筑节能效果

光伏构件在建筑上有多种安装形式，一般是根据建筑项目自身的各项基本条件来综合考虑和合理设计。不同光伏构件的安装形式会衍生出额外的附加功能（如表6）。

表4 光伏构件不同安装形式的附加建筑节能作用

2.5.1 光伏屋面节能

建筑屋顶是光伏板的最佳布局部位, 它具有无法比拟的优势：日照条件好、不易受到遮挡、能最大限度接收太阳辐射，并且光伏组件可以紧贴建筑屋顶结构安装，减少风力的不利影响。与此同时，太阳能光伏组件还可以作为保温隔热层遮挡屋面。住房和城乡建设部办公楼（如图14），将光伏构件平铺在屋顶并与屋面有150 ～ 200mm 的距离，光伏构件阻挡阳光直射屋面，降低屋面温度。构件背板发热后加热空腔空气，加速空气流动，从而带走空腔内热量，降低构件和屋面温度，减少构件的发电效率损失。

图14 住房和城乡建设部办公楼光伏屋面

2.5.2 光伏墙面节能

将光伏系统布置在建筑物外墙上，合理利用墙面收集太阳能。不仅可以利用太阳能光伏组件将太阳能转化为电力，还能有效地降低了建筑墙体的温度，减少建筑室内空调冷负荷。

上海太阳能工程技术研究中心（如图15），在建筑外侧100 ～ 150mm 处布置光伏幕墙，光伏构件阻挡阳光直射墙面，降低墙面温度。构件背板发热后加热空腔空气，加速空气流动，从而带走空腔内热量，降低构件和墙面温度，减少构件的发电效率损失。

图15 上海太阳能工程技术研究中心光伏墙面

2.5.3 光伏幕墙节能

光伏幕墙的设计可结合当地的气候环境，将光伏幕墙与建筑主体脱开一段距离，有效阻挡阳光对墙面的直射的同时避免光伏幕墙的背面热量直接传入室内。

中控楼在建筑的二层东、南立面设置薄膜光伏幕墙，光电幕墙有遮阳作用，减少室内辐射产生的热量。光伏幕墙和建筑外表面形成空腔，光伏幕墙吸收太阳辐射后加热空腔内空气，通过顶部的女儿墙设置通风洞口，结合底部的通风钢格栅，使得光伏幕墙与建筑外墙之间及室内的热气由下而上地有效排走，能有效减少建筑制冷能耗。

测试数据表明，建筑通过光伏幕墙的遮挡在整个夏季可有效阻挡阳光直射，节省大量空调能耗，节能效果非常明显（如表5）。

表5 光伏幕墙测试数据

2.5.4 光伏采光顶节能

光伏采光顶虽然能节省中庭照明用能，但可能会因为光伏构件发热而导致室内气温升高，增加冷负荷。中控楼在中庭顶部设置双玻夹胶晶体硅光伏采光顶，并在采光顶周边设置一圈可开启的通风窗，利用风将积蓄在光伏采光顶底部的热量带出室外，并加速室内空气流动，提高室内舒适度。

3 结语

现阶段，随着光伏产业发展和技术提升，建筑设计中应用光伏发电系统和技术已经较为普遍，且是被多数人所接受的新理念。但目前国内大部分已建成的光伏建筑其光伏系统设计与建筑设计相脱离造成很多问题，一定程度上制约了光伏在建筑中的应用。

为进一步实现光伏建筑一体化设计过程的集成化和协同性，首先，在现阶段应加快研发更多类型的建材型、构件型光伏组件，并形成产业化能力，以促进光伏规模化发展。其次，需加强建筑光伏相关人才的培养，为建筑光伏提供全方位的人才储备。再次，为提高投资者对光伏行业的投资信心，要进一步完善建筑光伏的相关标准规范、标准及相关图集，建立产品的检测中心和认证机构，以及完善的施工验收及维护技术规程等。最后，政府机构应对建筑集成光伏系统项目实行有针对性的补贴，并出台相关政策鼓励开发新型光伏构件，逐步扩大光伏构件应用范围。 

作者

中国建筑研究设计院有限公司 鞠晓磊 张磊

龙炎能源科技（杭州）有限公司 刘志钱

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