建筑学报-光伏建筑的整体造型和细部设计

2010.1 ARCHITECTURAL JOURNAL建筑学报 60特集 SPECIAL COLLECTION 绿色建筑 ?绿色建筑设计研究光伏建筑（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）是把太阳能电池材料集成于建筑的屋面和墙面等围护结构的节能建筑，关键点是中间的单词Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ， 指集成、 融合。 它有３层涵义 ： 其一，使用了光伏材料的建筑变成了一座电站，为获到更多的电能，基于光伏材料的特性，设计中需要考虑光伏构件在建筑上的布置方式；其二，光伏材料的使用要以满足建筑使用功能为前提，以符合其工程特性的造型展现新颖的建筑美学，以其特有的光泽、颜色和纹理成为建筑创作的亮点；其三，光伏技术的使用要和自然采光、通风相互协调，集成了光伏材料的建筑围护结构要具有良好的热工性能，使建筑整体节能效果最优，满足防水要求。光伏材料在太阳辐射下会产生“光伏效应” （ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＥｆｆｅｃｔ），只有某些半导体材料才可能具有此特性，如：单晶体硅、多晶体硅、非晶体硅、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ 等。目前有些材料尚处于研发阶段，而市场上批量生产用于建筑中的光伏材料主要是单晶体硅、多晶体硅、非晶体硅。单晶体硅和双晶体硅光伏材料的光电转化率较高，但造价高、受太阳直接辐射影响大、表面温度升高导致光电转化率下降显著；而非晶体硅光伏材料的特点恰好相反，光电转化率较低，造价也较低，光电转化率受太阳辐射入射角和表面温度的影响均较小。光伏材料发电是依赖于太阳辐射，因而集成于建筑上的光伏材料实际发电效率除与光伏材料自身的特性相关外，还与建筑所在地的地理纬度和气候条件、光伏模块的布置方式和位置（方位角和倾斜角）、以及周边场地（遮挡情况）等因素相关。１ 光伏建筑的整体造型通常在建筑概念设计或者初步设计阶段基本确定了建筑整体造型，也大体上决定了光伏构件的布置方式，从而影响其发电的效果。因而此设计阶段，建筑师在考虑建筑功能和建筑规模的同时，也要考虑挖掘太阳能利用的潜力，从而确定有利于光伏构件布置的建筑造型。１．１ 竖直面（或者水平面）大多数建筑的形体还是方方正正，因而竖直的墙面和水平的平屋顶，只要朝向合适，都可以布置光伏构件。但最终何种布置方式更佳，要考虑当地的地理纬度和究竟有多大面积的墙面或者屋面。考虑到太阳高度角的因素，高纬度地区（５０ °以光伏建筑的整体造型和细部设计徐 燊 李保峰作者单位：华中科技大学建筑与城市规划学院（武汉，４３００７４）收稿日期：２００９－１１－０９摘要 ／ 从光伏材料的特性出发，提出光伏构件集成到建筑形体的多种设计方式，涉及整体造型和细部设计两个层面。这些方法可为建筑师在光伏建筑的创作中提供易操作的参照。关键词 ／ 光伏建筑 整体造型 细部设计ABSTRACT/ Starting from the specific property of pho-tovoltaic materials, this paper proposes many methodsto integrate photovoltaic structural members intobuilding. These methods could be applicable referencesfor architects in photovoltaic building ’ s holistic shapecreation and detail design.KEY WORDS/ building integrated photovoltaic (BIPV),holistic shape, detail design国家自然科学基金资助项目（５０９７８１１０）国家留学基金资助项目（２００８１０９５９９）61 ARCHITECTURAL JOURNAL 2010.1 建筑学报上） ，竖直面接收太阳直接辐射较多，而低纬度地区（ ５ ０ °以下），水平面接收的太阳直接辐射较多。对于高层建筑（图 １－１），竖直墙面的面积较多而屋顶面面积有限， 南向墙面可布置光伏材料。 高纬度地区的高层建筑， 光伏墙面更适合采用单晶硅或者多晶硅光伏材料，这是出于晶体硅的光电转化率较高的特性来考虑。 而低纬度地区的高层建筑，墙面更适合选用非晶体硅光伏材料。低纬度地区建筑的南向墙面在夏季获得太阳直接辐射明显少于水平屋面和东西墙面，在室外较高的气温情况下，非晶体硅材料的光电转化率随表面温度衰减较小，吸收太阳能直接辐射和间接辐射的能力相当，加上造价远低于晶体硅材料， 因而更适宜低纬度的高层建筑墙面。工程实例：英国曼彻斯特（北纬 ５３° ２９’ ， 西经 ２° １２’ ， 海拔５５ｍ）的ＣＩＳ 大厦（ＣＩＳ Ｔｏｗｅｒ， Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ， ＵＫ， 图１）是一座原建于 １９６２ 年的高层办公楼，典型的“国际式”风格。大面积的玻璃幕墙年久失修导致该建筑能耗较大，２００５ 年 ＣＩＳ 大厦进行了围护结构的改造更新，其中在南向幕墙集成了多晶硅光伏材料，它是英国目前最大的光伏建筑项目 ［１］ 。１．２ 倾斜面南向的倾斜面可获得最佳的太阳直接辐射，有利于光伏构件的布置。基于建筑造型的考虑：对于住宅和别墅，南向坡屋顶是天然的倾斜面；对于公共建筑，可考虑协调建筑功能，在造型上设计出南向倾斜面（图 ２－１）。工程实例：位于英国桑德兰（北纬 ５４° ５４’ ， 东经 １° ２３’ ， 海拔 ３０ｍ）的多克斯福德国际办公楼（Ｄｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｓｕｎｄｅｒｌａｎｄ， ＵＫ， 图 ２）。 在南向入口大厅， 幕墙与地面呈 ６０°的倾斜角，幕墙中集成了多晶体硅的光伏材料。倾斜的墙体后是通高的共享大厅，同时大厅也成为热缓冲空间，冬季被动式利用太阳能采暖，夏季利用自然通风降温。设计中还考虑了调节光伏电池的间距和光伏材料的不透明度，以此来控制室内照度、减少眩光，在避免过多太阳辐射和充分利用自然采光之间获得平衡。 此外， 阳光透过光伏材料在室内形成斑驳的光影， 其效果美轮美奂 ［２］ 。经监测，光伏幕墙年平均提供 ５５１００ｋＷｈ 的电力，相当于该建筑运行年耗电量的 １／４～１／３ ［３］ 。１．３ 退台退台是建筑常用的造型设计手法，南向退台（图 ３－１）实际上增加了接收太阳辐射的面积，为光伏构件布置提供了有利条件。同时，退台的处理也有利于减少周边建筑遮挡对光伏材料发电的不利影响。工程实例：位于中国北京（北纬 ３９° ５９’ ， 东经 １１６° １９’ ， 海拔５６ｍ）的中意清华大学环境能源楼（Ｓｉｎｏ－Ｉｔａｌｉａｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ１－１ 竖直面 ２－１ 倾斜面 ３－１ 退台１ ＣＩＳ大厦（英国曼彻斯特， 来源 ： Ｆｏｔｏｔｈｉｎｇ）２ 多克斯福德国际办公楼（英国桑德兰，来源：ＤｅｎｎｉｓＧｉｌｂｅｒｔ）３ 清华大学环境能源楼（中国北京， 来源 ： Ｅｄｉｔｏｒｉａｌｐｅｎｃｉｌ）４ 荷兰尼乌兰住宅（ 荷兰阿麦斯福，来源：Ｂ Ｅ Ａ ＲＡｒｃｈｉｔｅｃｔｓ）４－１ 坡屋面－铺设式５－１ 坡屋面－嵌入式５ 意大利罗马儿童博物馆（意大利罗马， 来源 ： Ａｂｂａｔｅ＆ Ｖｉｇｅｖａｎｏ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｔｕｄｉｏ）2010.1 ARCHITECTURAL JOURNAL建筑学报 62特集 SPECIAL COLLECTION 绿色建筑 ?绿色建筑设计研究Ｅｎｅｒｇｙ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ， 图３）是一座多层科研办公楼，它处于清华东校区密集的城市环境中， 被周边高层建筑（１０～１１层）所包围。 建筑设计充分考虑如何最大限度地利用南向这一条件，并依据建筑用地现状和北京气候条件，采用日照遮阳模拟、能耗预测分析和通风模拟组织的策略来确定建筑外形。在剖面设计中，楼层的层层退台是为了能够接收到最大限度的日照并给予内部花园更大的空间。在南侧退台设置了遮阳系统，遮阳板面层覆盖太阳能光伏板。办公楼太阳能光伏板的总功率为２０ｋＷ，主要用作展示，不作为大楼的主要能源 ［４－５］ 。２ 光伏建筑的细部设计在建筑整体造型确定后，光伏构件在细部设计上有诸多环节需要推敲，主要涉及构造方式、结构支撑、建造维护以及室内舒适性等因素。２．１ 坡屋面就光伏材料发电效率，坡屋面的布置方式优于平屋面和竖直墙面。从构造角度坡屋面布置光伏构件分为 ２ 种方式：一种是在现有的屋面系统上铺设光伏构件，称为铺设式（图 ４－１） ；另一种是把光伏构件集成到屋面系统内， 称为嵌入式（图 ５－１）。 前一种方式，光伏构件只负责发电，原有的屋面系统负责保温防水，二者相互独立，这种方式特别适合改建和加建项目，可根据屋面的不同材料（瓦、金属）采用不同的构造连接方式，但构造处理上需注意连接件不要破坏原有防水层，光伏构件需连接牢固，并充分考虑风荷载（台风地区不宜采用此方式）。后一种方式，光伏材料和屋面系统合二为一，具有光伏发电、保温防水防噪、屋顶采光等多种功能，结构更可靠，但造价较高。工程实例 ： 荷兰尼乌兰住宅（Ｈｏｕｓｅ ｉｎ Ｎｉｅｕｗｌａｎｄ， Ａｍｅｒｓｆｏｏｒｔ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄ， 图４）的光伏坡屋面采用铺设式， 而意大利罗马儿童博物馆（Ｔｈｅ Ｃｈｉｌｄｒｅｎ’ ｓ Ｍｕｓｅｕｍ ｏｆ Ｒｏｍｅ， Ｉｔａｌｙ， 图５）光伏构件嵌入在屋面中。２．２ 平屋面在我国城市住宅和公共建筑更多采用的是平屋面。平屋面光伏构件的布置有支架式和嵌入式两种。支架式布置光伏构件以倾斜面接收太阳辐射，布置的自由度和灵活性较大，光伏阵列可以调整倾斜角、方位角以及前后组光伏构件的间距，以此避免阴影，最大效率的发电。支架式构造简单，适用于各类平屋面建筑，比较容易普及。同时支架式布置的情况下光伏和建筑二者的关系比较松散，融合的程度低，支架式布置光伏构件对提升建筑美观的作用较小（图 ６－１）。嵌入式的布置方式是在屋面系统集成光伏材料。光伏构件的使用可以与被动式利用太阳能、自然采光相互协调，有利于降低建筑能耗（图 ７－１）。但水平的光伏构件由于难以利用雨水自洁，灰尘和树叶往往会影响其发电效率，因而需要定期清扫。平屋顶的建筑也可以同时使用两种布置方式，不需要天窗的部分屋面采用支架式，需要设置天窗的部分采用嵌入式光伏屋面。工程实例：光伏构件用支架安装在北加州日本文化社区中心（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｃｕｌｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ， ＵＳＡ， 图 ６）的屋面上， 而德国蒙塞尼斯培训中心（Ｍｏｎｔ Ｃｅｎｉｓ Ａｃａｄｅｍｙ， Ｈｅｒｎｅ， Ｇｅｒｍａｎｙ， 图７）的屋面采用光伏嵌入式布置。２．３ 曲屋面与坡屋面类似，曲线光伏屋面也有铺设式和嵌入式两种构造方式。曲屋面的造型本身往往是建筑设计的亮点，考虑到建筑第五立面的美观和室内光影效果，需精心选择光伏材料的光泽、色彩和纹理，设计中突出光伏材料的视觉表现力（图 ８－１）。工程实例：德国壳牌太阳能电池工厂（Ｓｈｅｌｌ Ｓｏｌａｒ Ｆａｃｔｏｒｙ ｉｎＧｅｌｓｅｎｋｉｒｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ， 图８）的光伏曲屋面。２．４ 中庭中庭上铺设光伏构件的构造处理方式，同嵌入式的墙面或屋面类似。在办公楼、商场展览建筑中，往往设有中庭，夏季大量的太阳辐射往往使中庭成为建筑节能的薄弱环节。在中庭上布置光伏构件，一方面可获得电能，另一方面，调节光伏电６ 北加州日本文化社区中心（美国旧金山，来源 ： Ｅｎｅｒｇｙｓｅｅｄｓ）６－１ 平屋面－架设７ 德国蒙塞尼斯培训中心（德国赫恩，来源 ： Ｓｃｈｅｕｔｅｎ Ｓｏｌａｒ）８ 德国壳牌太阳能电池工厂（德国格森基肯， 来源 ： Ｓｃｈｅｕｔｅｎ Ｓｏｌａｒ）９ 荷兰生态公园游客中心（荷兰巴克斯特，来源 ： ＢＥＡＲ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｓ）８－１ 曲屋面 ９－１ 中庭７－１ 平屋面－嵌入63 ARCHITECTURAL JOURNAL 2010.1 建筑学报池的间距和不透明度，可有效控制室内照度，避免室内热负荷过大（图 ９－１）。工程实例 ： 荷兰生态公园游客中心（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎ Ｂｏｘｔｅｌ， Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄ， 图９）的光伏中庭。２．５ 竖直墙面在竖直的墙面上布置光伏构件是较直接的方式。考虑到建筑立面效果，光伏的颜色需要与其他建筑材料协调。光伏构件的构造方式可根据不同墙面系统（实墙，窗户与窗间墙，玻璃幕墙）来确定，总体上可分为外挂和内嵌两种方式。考虑到采光和视线的因素，在竖向高度上要区分光伏材料的不透明度，如视线上下范围内采用透明玻璃窗或半透明光伏材料，其他窗间墙可采用不透明光伏材料（图 １０－１）。工程实例 ： 苏黎世理工学院学生之家（Ｓｔｕｄｅｎｔ ｈｏｕｓｉｎｇ， ｔｈｅｓｗｉｓｓ ｆｅｄｅｒａｌ ｉｎｓｔｉｔｕｅ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｌａｕｓａｎｎｅ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ， 图１０）的光伏墙面。２．６ 水平向锯齿状墙面建筑平面布局有时不能面向太阳光辐射最优的朝向，局部采用水平向锯齿状布置方式，是巧妙化整为零的处理手法，以此优化光伏构件布置的方向，趣味变化的造型也改变了建筑的视线和景观（图 １１－１）。工程实例：德国柏林环境技术中心（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌ－ｏｇｙ Ｃｅｎｔｒｅ ｉｎ Ｂｅｒｌｉｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ， 图１１）的水平向锯齿状光伏墙面。２．７ 竖直向锯齿状墙面为使光伏构件获得更多的太阳辐射，可采用竖直向锯齿状墙面的设计方式。人视线以上的墙面倾斜向上，外侧布置光伏构件；人视线以下的墙面倾斜向下，布置窗和墙体。从剖面上看，建筑每层锯齿状凸出，景观视线和遮阳问题一并解决。但此布置方式带来建造施工的麻烦和清洁维护的不便（图 １２－１）。工程实例：奥地利低能耗办公楼（Ｅｎｅｒｇｙ Ｂａｓｅ ｏｆｆｉｃｅ， Ｖｉｅｎｎａ，Ａｕｓｔｒｉａ， 图１２）的竖直向锯齿状光伏墙面。２．８ 遮阳光伏构件可布置在遮阳板上，成为建筑的附属构件，光伏遮阳板与建筑表皮独立，不影响外墙的保温、防水和防噪。对于新建或改建的情况都比较适用，建造成本也较低（图 １３－１）。工程实例：荷兰能源研究中心 ３１ 号建筑（ＥＣＮ ３１， Ｐｅｔｔｅｎ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄ， 图１３）的光伏遮阳构架。３ 结语随着化石燃料的日渐枯竭及有关的环境污染，可再生能源的利用受到世界范围的重视和关注。欧美日等发达国家十多年前就启动了各自的“太阳能屋顶计划” ，光伏建筑在这些国家有一定程度的普及。 光伏建筑在我国的发展尚处于示范工程为主，逐步走向普及的阶段。 ２００９ 年３ 月和７ 月国家先后出台两道 “光电新政” ［６－７］ ， 以国家财政补贴支持利用可再生能源的建筑项目，无疑为光伏建筑的推广提供了助推器。我国建筑师当以此为契机，在学习和分析已建光伏建筑设计手法的基础上，从建筑的全局观出发，创作融合建筑美学和光伏技术的新作品。 ■１０－１ 竖直墙面参考文献［１］ “ＣＩＳ Ｔｏｗｅｒ－Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ， ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ．” Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ， ｔｈｅ ｆｒｅｅｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ． ２００９－０８－０３． ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／ＣＩＳ＿Ｔｏｗｅｒ．［２］ Ｐｒａｓａｄ， Ｄｅｏ． Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ｗｉｔｈ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ： ａ ｓｏｕｒｃｅ ｂｏｏｋ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ（ＢｉＰＶ）． Ｖｉｃｔｏｒｉａ： Ｉｍａｇｅｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｄｉｓｔ Ａ／Ｃ，２００６．［３］ Ｊｏｎｅｓ Ｄａｖｉｄ Ｌｌｏｙｄ． “ Ｔｈｅ Ｓｏｌａｒ Ｏｆｆｉｃｅ Ｄｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．” ＳｔｕｄｉｏＥ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｓ Ｌｔｄ．． ２００９－１０－２９． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｅｒｒ．ｇｏｖ．ｕｋ／ｆｉｌｅｓ／ｆｉｌｅ１７２７５．ｐｄｆ．［４］ Ｃéｓａｒ Ｒｅｙｅｓ， Ｅｔｈｅｌ Ｂａｒａｏｎａ Ｐｏｈｌ， Ｃｌａｕｄｉｏ Ｐｉｒｉｌｌｏ． Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｓｕｓ－ｔａｉｎａｂｌｅ ／／ Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ５． Ｅｄｉｔｏｒｉａｌ Ｐｅｎｃｉｌ， ２００７［５］ 张通． 清华大学环境能源楼 — 中意合作的生态示范性建筑［Ｊ］． 建筑学报，２００８（０２）： ３４．［６］ 财政部关于印发 《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》 的通知．中华人民共和国住房和城乡建设部． ２００９－０３－２６， ２００９－１０－２９．ｗｗｗ．ｃｉｎ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｚｃｆｇ／ｘｇｂｗｇｚ／２００９０３／ｔ２００９０３２６＿１８７９４１．ｈｔｍ．［７］ 财政部， 住房城乡建设部关于印发可再生能源建筑应用城市示范实施方案的通知． 中华人民共和国住房和城乡建设部． ２００９－０７－０９， ２００９－１０－２９．ｗｗｗ．ｃｉｎ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｚｃｆｇ／ｊｓｗｊ／ｊｓｋｊ／２００９０７／ｔ２００９０７０９＿１９２２０４．ｈｔｍ．１１ 德国柏林环境技术中心（德国柏林， 来源： Ｓｏｌｏｎ）１３ 荷兰能源研究中心 ３１ 号建筑（荷兰帕滕， 来源 ： ＢＥＡＲ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｓ）１２ 奥地利低能耗办公楼（奥地利维也纳，来源：Ｅｍａｐ）１０ 苏黎世理工学院学生之家（瑞士洛桑，来源 ： Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｄｅｓ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｌｓ）１１－１ 水平向锯齿状墙面 １２－１ 竖直向锯齿状墙面 １３－１ 遮阳