可再生能源示范建筑
——上海太陽能工程技術(shù)研究中心

劉智偉 / LIU Zhiwei

圖1 群體鳥瞰

1 項(xiàng)目背景

上海太陽能工程技術(shù)研究中心是目前國內(nèi)最大的建筑光伏一體化實(shí)驗(yàn)建筑之一。項(xiàng)目位于上海市閔行區(qū)紫竹科學(xué)園紫月路，用地2.67hm2，總建筑面積2.72萬m2，最高24m。項(xiàng)目于2010年建成并投入使用，建成后總裝機(jī)容量為1MW，集太陽能技術(shù)研發(fā)、實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)和建筑光伏一體化技術(shù)展示等功能于一體。該項(xiàng)目是上?？稍偕履茉蠢玫氖痉督ㄖ?，世博會(huì)光伏應(yīng)用研究支撐計(jì)劃示范建筑（圖1～4）。

2 可再生能源示范建筑創(chuàng)作

上海太陽能工程技術(shù)研究中心的定位是充分體現(xiàn)光伏組件和光伏發(fā)電技術(shù)在建筑物上的一體化示范應(yīng)用。

圖2 總平面

2.1 兆瓦級(jí)的光伏裝機(jī)要求

首先整個(gè)項(xiàng)目要滿足1MW發(fā)電量的量化要求，根據(jù)組件功率及單塊面積，業(yè)主初步估計(jì)需有8 000多m2面積的太陽能光伏產(chǎn)品覆蓋在建筑物和構(gòu)筑物上（包括有效光照的建筑物南立面）。建筑基地總面積為2.67萬m2，按照35%的規(guī)劃覆蓋率，允許最大占地面積為9 345m2，意味著建筑90%的屋頂需要覆蓋光伏板，給建筑總體規(guī)劃提出了巨大的挑戰(zhàn)。

2.2 光伏能量環(huán)概念

圖3 建筑組合平面

圖4 群體主入口

設(shè)計(jì)需要在概念上找到最契合“太陽能”主題的思路，業(yè)主提供的具體數(shù)據(jù)要求是構(gòu)思的難點(diǎn)，也是出發(fā)點(diǎn)。光伏發(fā)電的本質(zhì)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并經(jīng)過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化成交流電。上海太陽能工程技術(shù)研究中心是研究光伏利用的場所，可以理解為是太陽光與人類電力之間的一個(gè)介質(zhì)、轉(zhuǎn)化器。經(jīng)過多次的構(gòu)思分析與推演，提出“光芒四射的太陽能量環(huán)”的初步構(gòu)思，以表達(dá)建筑師最想要的意境空間。經(jīng)過整理，概念可簡單表述為：陽光－能量－研究－轉(zhuǎn)化－建筑化－人性化。構(gòu)思表達(dá)出“光芒四射的太陽能量環(huán)”的生態(tài)意境，將抽象意境形象化成一個(gè)圍合的建筑場所空間。陽光與能量是場所行為的起點(diǎn)，研究和轉(zhuǎn)化是場所的具體行為，建筑化與人性化是場所空間的細(xì)節(jié)（圖5）。

2.3 院落空間塑造

建筑總體采用庭院式布局，光伏板組成橢圓形核心庭院，由橢圓形兩側(cè)放射出5棟線性建筑圍合成形態(tài)各異的小庭院，兩者相互滲透穿插，由光伏能量環(huán)界定的灰空間將各空間串聯(lián)。圍繞這條橢圓形軸線，室內(nèi)空間和室外空間有節(jié)奏地交替出現(xiàn)，所營造的良好的趣味步行體驗(yàn)在北側(cè)觀光塔處達(dá)到高潮。此時(shí)，觀光塔圓形樓梯圍合的空間將水平的空間維度導(dǎo)向豎向維度，形成向上的推力，吸引參觀者沿樓梯環(huán)繞而上，直抵20m高的觀光平臺(tái)，進(jìn)而豁然開朗，俯瞰整個(gè)中心庭院的山水意境和屋頂光伏組件的科技之美。

上海太陽能工程技術(shù)研究中心的1#樓為2層辦公樓，2#～5#樓為實(shí)驗(yàn)樓，2～4層不等，由北向南逐漸跌落。園區(qū)采用人車分流的交通組織形式。工作人員可以通過中心圓環(huán)和庭院，步行到達(dá)每棟建筑，圓環(huán)的光伏頂棚可以遮風(fēng)避雨?；氐耐鈬擒囆协h(huán)道，可滿足日常和緊急消防的行車要求。兩者互不干擾，從而最大限度地減少車輛噪聲對(duì)研究人員的影響，為科研人員創(chuàng)造最佳的工作環(huán)境（圖6）。

圖5 光伏能量環(huán)構(gòu)思立意示意

圖6 建筑群體庭院

2.4 光伏特色細(xì)節(jié)之美

建筑細(xì)部設(shè)計(jì)著重體現(xiàn)建筑與光伏組件的有機(jī)結(jié)合，營造符合現(xiàn)代美學(xué)的建筑細(xì)節(jié)。1#樓和2#樓為對(duì)外的辦公與實(shí)驗(yàn)建筑。建筑南立面使用深藍(lán)色太陽能板組件，尺寸為1 300mmx1 000mm，采用定制幕墻組件系統(tǒng)，將光伏板后面的光電元件、線路與龍骨結(jié)合統(tǒng)一。組件與墻面保持一定的間距，保持空氣的流通，以便光伏組件散熱降溫，維持其發(fā)電效率。對(duì)深藍(lán)色組件排列格式與建筑的開窗部位進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，以保證辦公室內(nèi)最佳采光通風(fēng)要求。南立面東西端部采用定制的太陽能光伏遮陽構(gòu)件，能隨太陽角度自動(dòng)地變換組件斜角，保證最好的發(fā)電和遮陽效果（圖7、8）。

3 建筑與光伏一體化設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 建筑光伏一體化類型

圖7 建筑立面光伏細(xì)部

圖8 建筑立面光伏實(shí)景效果

表1 BIPV和BAPV的特點(diǎn)

表2 上海太陽能工程技術(shù)研究中心在設(shè)計(jì)之初的關(guān)注點(diǎn)

BIPV（Building Integrated Photovoltaic）即建筑與光伏一體化，光伏組件是建筑材料的一種，同時(shí)具備可靠的發(fā)電能力。BAPV（Building Attached Photovoltaic）是附著在建筑物外體上的普通光伏組件，并不是建筑物的一部分。BIPV和BAPV兩種形式都在上海太陽能工程技術(shù)研究中心得到了充分的應(yīng)用（表1）。

3.2 建筑光伏一體化設(shè)計(jì)條件評(píng)估

在評(píng)估一個(gè)建筑光伏一體化項(xiàng)目時(shí)有一些必要的關(guān)注點(diǎn)和前提條件，并在規(guī)劃和設(shè)計(jì)中加以考慮，才能為項(xiàng)目的成功打下好的基礎(chǔ)（表2）。

3.3 組件細(xì)節(jié)

考慮建筑與光伏一體化的不同類型，綜合建筑的美學(xué)形象追求，在開始設(shè)計(jì)時(shí)除建筑的基本構(gòu)思創(chuàng)意之外，還要盡可能地考慮組件的細(xì)節(jié)問題（表3）。

3.4 組件安裝方式

光伏組件的安裝方式和角度直接影響發(fā)電效率和建筑效果，項(xiàng)目在光伏建筑一體化組件的應(yīng)用上進(jìn)行了全面分析（表4）。

3.5 光伏能量環(huán)傾角分析

上海地區(qū)最佳傾角為22°，光伏陣列接收到的是全年最大的輻射量。但是建筑光伏一體化設(shè)計(jì)還要考慮建筑的整體效果和協(xié)調(diào)性。特別是光伏能量環(huán)，建筑師無法接受采用22°最佳傾角，那樣對(duì)整個(gè)建筑美觀效果有很大影響。根據(jù)業(yè)主實(shí)驗(yàn)：以100kW單晶硅光伏不同月份的發(fā)電量（組件效率13.8%）及年發(fā)電量變化曲線，當(dāng)傾角為5°時(shí)，接收的輻射量與最佳傾角相比較只損失了2.89%。因而光伏能量環(huán)采用建筑師可接受的5°傾角，最后的選擇兼顧了建筑美學(xué)要求和實(shí)際的發(fā)電效率兩個(gè)方面的要求，實(shí)現(xiàn)了最佳的建筑光伏一體化（圖9）。

表3 組件的細(xì)節(jié)考慮

3.6 陰影遮擋的解決

建筑與光伏板組件的結(jié)合，建筑師主導(dǎo)的建筑美學(xué)設(shè)計(jì)，難免會(huì)造成部分光伏板無法正面接受陽光，受前方建筑陰影的影響，發(fā)電效率降低。項(xiàng)目屋頂設(shè)置觀景平臺(tái)，其投影對(duì)后面的光伏環(huán)（圖10，紅色區(qū)域）造成遮擋。

國際上通用的無遮擋標(biāo)準(zhǔn)為：在冬至日上午9點(diǎn)到下午3點(diǎn)之間沒有遮擋即符合設(shè)計(jì)要求。建筑遮擋會(huì)產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，降低光伏組件的發(fā)電效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，一塊晶體硅太陽能電池組件被遮擋1/10，發(fā)電功率損失達(dá)50%；而非晶硅電池組件受到同樣的遮擋，功率只損失10%。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)在光伏能量環(huán)的北側(cè)部分采用非晶硅太陽能組件（圖10紅色區(qū)域），很好地解決了建筑遮擋影響光伏組件發(fā)電效率的問題。同時(shí)在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也采用遮擋區(qū)域獨(dú)立逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少遮擋所造成的各系統(tǒng)之間發(fā)電不平衡所帶來的損失（圖11）。

圖9 光伏能量環(huán)5°傾角

圖10 觀光塔陰影解決

圖11 觀光塔

表5 不同區(qū)域接受到的太陽輻射量數(shù)據(jù)

圖12 一體化應(yīng)用形式

4 建筑光伏一體化應(yīng)用類型

太陽能工程技術(shù)研究中心的建筑光伏一體化采用多樣的形式和種類，與建筑形成最佳結(jié)合方式（圖12，表5）。

4.1 光伏能量環(huán)

光伏能量環(huán)是上海太陽能工程技術(shù)研究中心一體化設(shè)計(jì)的核心部分，也是整個(gè)工程建筑光伏一體化設(shè)計(jì)最精彩的部分。光伏能量環(huán)是設(shè)計(jì)構(gòu)思創(chuàng)意的出發(fā)點(diǎn)，整個(gè)園區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)以其為中心展開。傾角5°的圓環(huán)屋頂主要由單晶體硅組件、玻璃和鋼結(jié)構(gòu)組成，觀光塔后側(cè)的區(qū)域?yàn)榻档完幱暗挠绊?，采用薄膜電池（圖13）。

4.2 光伏屋頂

屋頂部分采用22°最佳傾角多晶硅的光伏組件。建筑師在建筑設(shè)計(jì)階段就充分考慮光伏板的荷載和形式，以及屋頂女兒墻的高度對(duì)組件的陰影問題，有針對(duì)性地降低女兒墻的高度，將女兒墻頂部改成欄桿組件。同時(shí)控制組件和女兒墻的間距來避開陰影，保證最好的屋頂光伏組件的發(fā)電效率（圖14）。

4.3 光伏幕墻

1#、2#樓的南側(cè)立面采用光伏組件和玻璃結(jié)合的幕墻形式，一體化的設(shè)計(jì)程度最高。建筑師結(jié)合立面效果和室內(nèi)采光需求，在立面上就不透明的光伏組件和透光玻璃進(jìn)行組合排列，設(shè)計(jì)出富有可識(shí)別性的一體化建筑形象（圖15）。

4.4 光伏遮陽

1#、2#樓南立面的東側(cè)和西側(cè)的外立面采用光伏遮陽組件。建筑師在設(shè)計(jì)階段對(duì)組件的位置和大小區(qū)域進(jìn)行整體考慮。而組件形式的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是建筑師、業(yè)主、PV工程師和上海青鷹公司技術(shù)人員團(tuán)隊(duì)協(xié)作的結(jié)果。

圖13 光伏圓環(huán)實(shí)景

圖14 光伏屋頂

圖15 光伏幕墻

圖16 光伏遮陽內(nèi)部細(xì)節(jié)

業(yè)主對(duì)組件的功能技術(shù)參數(shù)經(jīng)過9次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，以配合設(shè)計(jì)師的效果要求（顏色、組件形式和布線要求），最后取得最佳效果（圖16、17）。

4.5 光伏雨篷

光伏雨篷是由PV組件、LED組件、鋼以及玻璃組成的遮陽雨篷，位于整個(gè)建筑的主入口處，很好地體現(xiàn)了能量的產(chǎn)生和消耗的循環(huán)規(guī)律，在白天發(fā)電并存儲(chǔ)，晚上則利用電能照明，實(shí)現(xiàn)自給自足（圖18）。

5 可再生能源建筑發(fā)展之路

橫貫全國的霧霾天氣促使國家反思以煤炭等傳統(tǒng)化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)替代清潔可再生能源是我國可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。太陽能作為最直接有效的利用形式之一，經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，據(jù)統(tǒng)計(jì)，上海有2億m2的屋頂安裝有太陽能。在能源科學(xué)家眼里，一個(gè)屋頂好比一臺(tái)3kW的小型發(fā)電機(jī)組。國家曾經(jīng)有個(gè)“十萬屋頂計(jì)劃的可行性調(diào)研”，希望推廣建筑屋頂光伏發(fā)電應(yīng)用，但是深度發(fā)展需要國家政策引導(dǎo)和扶持，需要各行業(yè)的協(xié)作，需要更多的可再生能源建筑出現(xiàn)去強(qiáng)化人們的意識(shí)。

圖17 光伏遮陽

圖18 光伏雨篷

上海太陽能工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目是可再生能源示范項(xiàng)目建筑創(chuàng)作的一次很好的探索，其在建筑光伏一體化設(shè)計(jì)的應(yīng)用形式上具有多樣化、前沿性的特點(diǎn)，注定項(xiàng)目本身與參與者是一個(gè)值得尊敬的前行者——無論是富有前瞻性的業(yè)主，還是不懈探索的設(shè)計(jì)師。項(xiàng)目建成后作為上海利用和研究太陽能應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)重要的示范建筑，得到了社會(huì)的肯定。

項(xiàng)目信息

項(xiàng)目業(yè)主：上海太陽能工程技術(shù)研究中心

項(xiàng)目地址：上海市閔行區(qū)紫月路880號(hào)

設(shè)計(jì)院：上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司邢同和建筑創(chuàng)作研究室

設(shè)計(jì)師：邢同和、劉智偉、沈謹(jǐn)、邢瑛博、沈閔煌

用地面積：26 700m2

總建筑面積：27 238m2

地上建筑面積：26 700m2

地下建筑面積：1 750m2

容積率：1.0

覆蓋率：33.5%

綠化率：30%

建筑高度：10/24m

建筑層數(shù)：2/4F

光伏裝機(jī)容量：1MW

光伏組件種類：5

[1] 上海太陽能工程技術(shù)研究中心.兆瓦級(jí)BIPV并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)[P]，2010.

[2] 建筑設(shè)計(jì)資料集編委會(huì).建筑設(shè)計(jì)資料集（6）太陽能建筑[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[3] 楊洪心，周偉.太陽能建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4] 邢同和，劉智偉.建筑光伏一體化設(shè)計(jì)研究——基于上海太陽能工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目[DB].上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司科研題庫，2010.