不同建筑外立面光伏发电系统示范建设与实证对比研究

不同建筑外立面光伏发电系统示范建设与实证对比研究

王永宏 吴本柱 丁文 吴占元 于立勇

大唐万宁天然气发电有限责任公司  海南省  571500

一、概述

随着社会的快速发展，城市化进程加速，给全球带来能源危机，为了实现可持续发展，新的可再生能源的利用和开发势在必行。在此背景下，各国对于太阳能的研究和利用早已如火如荼的开展起来。

二、太阳能光伏建筑立面设计原则

过去对光伏建筑的立面设计仅仅停留在技术层面上，在某种程度上这是一种被动的设计方法。实际上,太阳能光伏建筑作为一种新类型建筑，就需要从建筑的角度来讨论其立面造型问题，而非仅仅是技术范畴。那么对于太阳能光伏建筑立面的研究也必然回归到研究建筑形式美问题上来。

在目前，太阳能光伏建筑评价标准体系还不完全成熟，也就是说如何来评定一项太阳能光伏建筑的好坏的标准总说纷纭，每个研究机构或研究小组都有自己的理解。IEA PVPS Task 7（国际能源署光伏电系统项目第 7 工作组）专家小组制定的BIPV建筑的质量标准得到普遍的认可，当然这些标准还需要推敲。对于建筑师在建筑光伏立面设计上尤为如此，在大多情况下,建筑师没有意识到将一体化的PV系统运用到建筑中的魅力与表现力，而仅仅把其当做一个建筑立面 上的后期施工的并将影响其设计效果的附属产品。

IEA PVPS Task 7认为：太阳能光伏建筑首先必须是自然集成的，也即自然一体化，PV系统必须是建筑中合理的、自成一体不可分割的一部分,而非后期加工上去的产品。

其次，建筑设计和工程设计要符合建筑审美要求，美观、高雅，令人赏心悦目。太阳能光伏墙面的颜色和材料搭配需适宜，PV系统颜色与周围其它墙体材质颜色的谐调；太阳能光伏墙面的结构尺寸与建筑总体布局需和谐；建筑整体外观与光伏系统匹配、和谐。

再者，PV系统的大小要符合建筑的尺度要求,这样会决定所使用的模板的尺寸和数量与整体建筑协调。

最后，设计概念要有创新，而不能固化思想，光伏系统是一种新技术手段，那么其在建筑中运用方式和表现形式还需要建筑师有创新思维。象一些国际PV设计大赛中有的获奖作品在办公大楼上安装追光装置，还有的作品设想了PV通风雨幕紧致木材结构和无源太阳能系统。

三、不同建筑立面的光伏系统设计策略

1、 PV在实体外墙上的应用

建筑是技术与艺术的结合，每一次的技术变革都将给建筑带来深远的影响，可以说建筑是技术革新的直接受益者。同时，建筑不是孤立存在的，建筑是一个地域的具体产物。考察人类建筑的发展历史,可以发现建筑始终与特定的地域要素紧密联系在一起。建筑来源和植根于具体的地域环境之中，受到所在地域12%热量流失的热量100% 热量反射的热量适于夏热冬冷地区建筑立面的光伏系统设计策略的自然条件诸如气候、地理条件、地域的资源等影响，同时也是地域文化、地域技术经济的时代反映。BIPV作为一种新的技术，对建筑的影响是毋庸置疑的。 现阶段，PV组件虽然现在应用还不甚广泛，但有可能在不久的将来替代传统的建筑材料，使建筑围护结构高技化智能化,在满足最基本功能下,还将担负起产生能源、吸收有害气体、智能调节通风采光降低建筑能耗等重要使命。毕竟，无论是新技术本身在建筑中的实施使用，还是新技术的应用引发的设计思维方式的变化都是需要一个过程的。对于建筑技术的使用不能是生搬硬套，只有适

应当地气候的技术才是合适的技术。本文所要研究的也是在夏热冬冷地区，如何合理的设计适应当地气候的可以安装在建筑立面的太阳能光伏系统。在夏热冬冷地区，由于夏天的东西晒问题始终是无法避免的。建筑基本上是南北朝向，而在建筑的东面和西面不开窗，或开小窗，尽量保证较大的实墙面积。因为实墙的传热系数远小于玻璃，也就是说实墙的保温隔热性能优于玻璃。

那么在建筑的东、西两面墙体上安装PV组件就变得相对容易，而不会对建筑的通风、采光等功能性问题产生影响。一般墙体都是砖墙结构。那么PV模板在建筑墙体上的安装通常采用的方式就与干挂石材的方式相似，在东西两侧墙面上安装好横向和竖向的龙骨，再将 PV 模板直接安装在龙骨上，图1。这样的方式有利于导线在龙骨中的排布，以及 PV 模板的日后检修替换，同时还可以利用风在空腔里流动，带走热量，起到一定的散热效果。

图1 PV模板通风示意图

2、PV与玻璃的一体化应用

在夏热冬冷地区，南北两个立面上由于采光通风要求，以及造型中虚实对比的设计手法等需要开设较大的门窗洞口，实体墙面就远没有东西两个立面那么多。而南边又恰恰是阳光最为充足，是光伏模板布置最为有利的位置。那么PV系统与建筑玻璃的一体化则是一项非常重要的技术手段。

3、PV夹层玻璃的一体化应用

PV夹层玻璃的一体化的结构形式简单说就是 把太阳能电池组件夹在两块玻璃之间。这种方式，使得自然光中的热辐射被光伏组件吸收的同时又让可见光通过。这种PV模的透光率的控制一般通过调整电池间的距离来完成，电池间的距离一般在5-20mm 之间。PV电池能吸收阳光辐射的70%-80%。这种PV模板在能传导阳光的同时还具有防水、防紫外线的功能。电池间的缝隙能让足够的阳光漫反射来获得室内充足的照明。所以也有称这种组件为透明的PV材料。如图2。建筑师完全可以通过控制PV的透明度以及选择色彩和谐电池来设计室。

图2 透明PV设计

4、 PV玻璃与阳台的结合

PV 玻璃和立面相结合的另一个很好的部位—南立面的阳台。在南方地区，阳台又被称为“凉台”,更多的是作为纳凉休息的场所，为保证良好的通风散热，阳台通常是开敞的。但在居住建筑中，住户们往往为了获得更多的住宅实用面积，而把阳台封闭起来。那么，在夏热冬冷地区，夏季时天气炎热,阳台封闭容易产生“温室效应”,造成室内温度升高，室内热舒适度下降。同时，南向是主要接受阳光的一面，完全可以通过在阳台的栏杆部位安装PV玻璃来调节室温和

适于夏热冬冷地区建筑立面的光伏系统设计策略提供电能。因为阳台的栏杆部位不需要像窗户那样必须考虑采光功能和视线遮挡的问题。而作为室外栏杆，在视觉上，反而能起到协调建筑主体同时增加建筑细节的功能。如日本Yokahama多媒体塔，图3。日本 Yokahama多媒体塔 的PV栏杆将PV系统作为与生态息息相关的设计元素，创造了内敛、不张扬的精巧阳台设计。

图3 多媒体塔PV栏杆

4、 PV与双层玻璃幕墙一体化应用

20世纪上半叶，科学技术的飞速进步使得玻璃幕墙以势不可挡之势在全世界范围蔓延开来，而千篇一律的玻璃幕墙则成为公共建筑的特有的符号。玻璃幕墙对节能的不利因素已被很多人研究过，并提出过不少有效的方法来解决，比如改变玻璃的性能，象热反射玻璃、中空（或真空、惰性气体）玻璃 、中空（或真空、惰性气体）玻璃 、热致变色玻璃(Thermotropic glass) 光致变色玻璃（Photochromic glass）和高可见光选择性玻璃等。在夏热冬冷地区，单层玻璃幕墙的热工性能比较差，不能满足节能要求。而在20世纪末才出现的双层玻璃幕墙 ，也有称为呼吸式幕墙则被证明是比较有效的节能措施。

双层玻璃幕墙则是由内外两层建筑表皮及中间的通风空腔组成。在冬季白天，通透的玻璃允许阳光进入室内，实现太阳能的被动式利用，晚上，空腔可以形成温度缓冲层。在夏季，双层玻璃幕墙的空腔相当于在外面增加了一个“加温层”，按通常理解，这不利于防热。但我们可以在空腔内可以设置可活动的遮阳板挡住太阳辐射。

为了保证系统工作效率,光伏电池一般设置在双层玻璃幕墙的外层表皮。除此之外,光伏电池组件也可以设置在通风空腔内部起到遮阳的作用,虽然这种方式所能接受到的太阳辐射量比较少，但是空腔内的空气流动可以相应的降低太阳能电池运转时发出地热量。

西班牙马塔洛(Mataro)的庞贝-法布拉图书馆的南立面的上端设置了双层光伏玻璃幕墙。两片玻璃夹着正方形多晶硅太阳能电池组成了光伏组件安装在双层光伏玻璃幕墙的外侧。每块光伏组件的尺寸为

1.lmx2.15m，竖向的三个组件构成一个单元。

5、PV与遮阳系统一体化

建筑外遮阳与光伏一体化，简称光伏遮阳，是光伏建筑一体化最有效的方式。建筑外遮阳的目的是遮蔽直射阳光从而改善建筑热环境，减少建筑运行能耗，是建筑中常用的节能措施。

太阳能光伏发电遮阳不仅减少直射阳光透过玻璃进入室内,防止阳光过分加热建筑围护结构以及直射阳光造成的强烈眩光,还可以把大量的太阳能转化为热能或者电能,减少建筑能源消耗。太阳能光伏发电遮阳系统是将光伏电池模板通过金属支架安装在建筑表皮上,输电导线藏匿于金属支架中以解决视觉和 耐久的问题。如果是设计了较密的光伏百叶遮阳,则一般采用离建筑表皮800-150Omm的空间用金属框架搭出一个新的界面，遮阳做的目的是有利于流出检修通道和通风空气间层,同时减少了密集型百叶的视觉压迫感。具有典型代表 的荷兰ECN31号楼 PV 遮阳系统立面图和剖面图见图4。

图4 PV 遮阳系统：局部南立面（左）剖面（右）

四、结论

在建筑东西立面上的直接使用光伏发电系统即可发电，又可以在一定程度上减少建筑东西晒的影响。建筑的南立面是立面中最为太阳能辐射量最大的一个面，那么在这个面上，PV夹层玻璃可以设置在窗台位置或者阳台的栏板上，这样既可以尽可能获得最大地太阳能辐射，而又不影响建筑本身的采光、观景以及冬季的防寒。PV与双层玻璃幕墙一体化应用比单层的PV幕墙更加适应夏热冬冷地区两个对阳光的需求截然相反的气候，虽然PV双层玻璃幕墙更加节能、 生态，但由于双层玻璃幕墙造价更高，因而目前在夏热冬冷地区仅在一些大型的公建中使用。遮阳措施是夏热冬冷地区一种普遍使用的传统的节能方式，而光伏组件与遮阳构件相结合能带来意想不到的效果，不仅给建筑带来了新的造型元素，同时在不影响遮阳效果的同时把太阳能转换为电能来代替常规能源。

总的来说，由于光伏立面的热工性能优于传统维护墙体材料，同时光伏发电能代替部分常规能源，尤其在冬、夏季用电高峰时段能缓解部分用电压力。由此看来，太阳能光伏建筑立面一体化在夏热冬冷地区还是很有前景的，同时由于光伏组件成为了立面新的构图元素，太阳能建筑将在不就久的将来成为夏热冬冷地区一道靓丽的建筑风景线。