整體設計導向的國際建筑光伏一體化技術策略研究*

師劭航 褚英男 何逸 宋曄皓 Shi Shaohang Chu Yingnan He Yi Song Yehao

1 研究背景

在各個國家積極應對地球氣候變化的時代背景下，習近平總書記提出了中國于2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。目前，我國低碳轉型任務艱巨，充分利用太陽能等可再生能源對促進節(jié)能減排有重大意義。據(jù)《中國建筑能耗研究報告 2020》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2018年全國建筑全壽命周期能耗總量為 21.47億t標準煤，占全國能源消費總量的46.5%，其中建筑運行階段能耗占建筑全生命周期的42.8%[1]，由此可見，減少建筑運行階段能耗是節(jié)能減排和實現(xiàn)“雙碳”目標的有效途徑?？筛咝Ю锰柲艿慕ㄖ夥惑w化技術（Building Integrated Photovoltaic,以下簡稱BIPV）擁有巨大節(jié)能潛力：集成了光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑通過產(chǎn)出電能，不僅能滿足建筑自身運行用電，甚至能創(chuàng)造額外能源收益，助力建筑與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

政策層面，我國近年來出臺了若干光伏建筑一體化標準，積極推動了BIPV項目的發(fā)展（表 1），生態(tài)環(huán)境部、國家能源部、住建部等多個部委也通過出臺相關政策等方式，關注和支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2]（表 2）。

歷史背景層面，早在1954年，貝爾實驗室研發(fā)出第一塊發(fā)電效率為6%的單晶硅太陽能電池[3]。隨著相關技術的不斷發(fā)展，BIPV在項目中的應用可追溯到20世紀70年代，人們通過在建筑表皮上安裝帶有鋁框的太陽能光伏模塊，實現(xiàn)了偏遠地區(qū)建筑的離網(wǎng)運行[4]。直到20世紀90年代，在建筑圍護結構中才有了首個投入商用的集成光伏系統(tǒng)。在此期間，美國能源部也開始關注光伏建筑一體化，研發(fā)了若干BIPV組件，如屋頂光伏瓦和玻璃幕墻等新型結構[5]（圖1），但由于經(jīng)濟成本原因，BIPV技術的推廣受到了一定程度的限制。如今，相關技術日漸成熟，2019年標準光伏組件成本已不到1990年成本的十分之一[6]（圖2），BIPV技術已具有廣泛普及的經(jīng)濟基礎。此外，在發(fā)電效率層面，光伏電池的發(fā)電效率也在不斷提升，以硅電池為例，太陽能電池的效率從1954年的6%提高到了2004年的18.2%[7]，BIPV技術已具有相關技術推廣的基礎。

表1 現(xiàn)行光伏建筑一體化的主要標準

表2 國家部委對光伏產(chǎn)業(yè)的關注與支持

1 BIPV 發(fā)展時間線

表3 透光屋面整體設計案例及解析

表4 不透光屋面整體設計案例及解析

2 研究方法

研究立足整體設計導向的國際BIPV項目發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，通過搭建案例數(shù)據(jù)庫，探討國際BIPV項目的時空分布、建構策略、綜合效能三個層面的可持續(xù)路徑。

2 基于統(tǒng)計信息與預測數(shù)據(jù)的美國光伏系統(tǒng)平均價格（1998——2013）

2.1 國際BIPV案例數(shù)據(jù)庫的建立

數(shù)據(jù)庫的搭建基于國際影響力較高的建筑媒體谷德設計網(wǎng)和Archdaily網(wǎng)站兩個建筑平臺，收集具有示范意義、整體設計效果出色的BIPV項目及相關指標信息，案例類型包括辦公、居住、學校、交通、餐飲、商業(yè)和醫(yī)院等。

2.2 數(shù)據(jù)庫案例的指標體系優(yōu)化

由于BIPV項目的建成與運維效果受到多方面因素的影響，且各個BIPV項目的指標信息來源和統(tǒng)計方式存在差異，因此在指標信息校核時需進行標準化處理[8]。在本數(shù)據(jù)庫指標統(tǒng)計及校核過程中，發(fā)現(xiàn)的相關問題及解決方式包括但不限于：信息部分缺失和統(tǒng)計誤差問題，通過項目圖紙和建成照片校核；項目圖紙與實際工程出現(xiàn)矛盾，以項目建成信息為準；項目計算書中的模擬值與建成后項目運維的實測值存在差異時，以實測值為準。

3 整體設計導向的國際BIPV 項目關鍵指標與技術路徑解析

3.1 整體設計導向的國際BIPV項目時空分布

以三年為一個時間區(qū)間，對案例建成年份進行分析，發(fā)現(xiàn)近年來BIPV項目逐漸增多（圖3），這與BIPV的成本降低和技術日益成熟有關，同時說明了BIPV技術體系已經(jīng)逐漸獲得了建筑行業(yè)的認可——與二十年前工程師從單一效率角度出發(fā)的光伏建筑不同，整合效果導向的BIPV項目逐漸走入建筑師的視野，在建筑中集成應用的光伏構造漸漸脫離了“附加產(chǎn)品”的標簽。

基于Global Solar Atlas的光伏發(fā)電潛力地圖，將數(shù)據(jù)庫中案例的地理位置坐標整合其中，結果顯示BIPV項目選址與所在地區(qū)光伏發(fā)電潛力無直接關聯(lián)，歐洲項目數(shù)量最多，占63%（圖4）。究其原因，BIPV項目建設數(shù)量與所在國家的政策法規(guī)有關，自20世紀80年代前后開始，歐洲國家、日本和美國等就有了各種光伏示范工程和實驗項目，進而促進了相關創(chuàng)新技術的研發(fā)和產(chǎn)品制造[9]。各國為了發(fā)展和推廣可再生能源的使用，出臺了各類太陽能技術扶持政策，推進了BIPV項目的發(fā)展。以德國為例，2000年頒布了《可再生能源法案（EEG）》，先后通過上網(wǎng)電價調整等策略有效啟動了德國的光伏市場，推動了光伏技術的進步，據(jù)《世界能源統(tǒng)計回顧2011》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，十年間德國光伏裝機容量在全世界占比已增長至43.5%[10]，印證了政策支持對光伏技術推廣的積極作用。

4 數(shù)據(jù)庫項目大洲分布

5 數(shù)據(jù)庫光伏產(chǎn)品位置（上）及光伏系統(tǒng)組件類型（下）

3.2 整體設計導向的BIPV項目建構策略

3.2.1 基于數(shù)據(jù)庫的BIPV建構策略

對數(shù)據(jù)庫中BIPV項目光伏構造的整合位置進行分析，光伏構造整合于屋頂?shù)腂IPV項目占比最多，為72.34%+11.70%=84.04%；光伏構造整合于建筑立面的項目占比為15.96%+11.70%=27.66%。將光伏構造整合于屋頂?shù)捻椖繑?shù)量遠高于建筑立面光伏項目數(shù)量（圖5）。

究其原因，與以下三方面有關：1）基于太陽能光伏電池的發(fā)電原理，由于太陽傾角與建筑遮擋等原因，光伏板整合在建筑屋頂可以獲得更多太陽輻射，進而有更高的產(chǎn)能效益[11]；2）屋頂被稱為建筑的“第五立面”，如果光伏構造集成于屋頂，對建筑立面窗戶的采光遮擋相對較小，可以實現(xiàn)發(fā)電和采光效益總和的最大化；3）基于數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計（圖6），以附加結構形式整合于屋頂?shù)腂IPV項目占比為57.45%，遠高于其他類型，這種建構方式比起立面BIPV技術路徑整合度低，但施工難度較小、產(chǎn)能效益較大，因此較為普及。

在光伏產(chǎn)品組件類型與集成方式方面，通過對案例的整理和分析發(fā)現(xiàn)本數(shù)據(jù)庫中的國際BIPV項目采用晶硅光伏組件最多，占比為82.98%+2.13%=85.11%（圖5）。究其原因，晶硅BIPV構造工藝相對簡單、技術難度較小，但在項目整合度方面，薄膜BIPV項目相對較好。

3.2.2 光伏構造屋頂整體設計策略

基于國際BIPV項目數(shù)據(jù)庫，進一步分析整體設計導向的屋頂設計策略。數(shù)據(jù)庫中的BIPV屋頂案例可以分為透光屋面和不透光屋面兩類，其中透光屋面占比17.72%（約五分之一），不透光屋面占比82.28%。透光屋面的整體設計類型可以分為五類，分別是中庭空間、交通空間、完整高大空間、過渡空間的透光屋頂和光伏天窗采光，典型案例分析如表3所示。

不透光屋面的整體設計類型，可以分為三類，分別是屋頂整合光伏板、過渡空間的不透光屋頂和附加遮陽棚架，典型案例分析如表4所示。

3.2.3 光伏構造立面整體設計策略

基于國際BIPV項目數(shù)據(jù)庫，進一步對整體設計導向的立面設計策略進行分析。此類案例可以按照設計目標，分為產(chǎn)能效率導向和外觀協(xié)調導向兩類。產(chǎn)能效率導向的案例將光伏構造設置在輻射照度較強的外立面，占比45.45%；外觀協(xié)調導向的案例出于保障建筑各個立面協(xié)調統(tǒng)一的目的，將光伏組件設置在多個立面上，占比54.55%。

6 數(shù)據(jù)庫BIPV 整合位置與建構形式統(tǒng)計

產(chǎn)能效率導向的BIPV項目立面整體設計類型，可以分為三類，分別是透光圍護結構、不透光圍護結構和采光遮陽構件，典型案例分析如表5所示。

外觀協(xié)調導向的BIPV項目立面整體設計類型，與上述分類相同，典型案例分析如表6所示。

表5 產(chǎn)能效率導向的BIPV 項目立面整體設計案例及解析

表6 外觀協(xié)調導向的BIPV 項目立面整體設計案例及解析

3.3 項目效能導向的BIPV設計策略

BIPV建筑的特征是，通過整合在建筑中的光伏構造實現(xiàn)太陽能發(fā)電，產(chǎn)生的電能用以滿足建筑日常需求，從而降低運行能耗。近年來，BIPV項目整體效能導向的設計路徑逐漸走入建筑師視野[12]，隨著光伏組件成本的降低和轉化效率的提升，采用適宜的整體設計策略可以實現(xiàn)BIPV建筑的產(chǎn)用平衡。國際BIPV項目數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)產(chǎn)用平衡的建筑，通常采用三類技術路徑，分別是建筑通體整合光伏、外挑結構整合光伏構造和低耗高產(chǎn)導向的整體設計。

（1）建筑通體整合光伏

通體整合光伏的BIPV項目，將光伏構造整合在所有建筑外圍護結構中，實現(xiàn)光伏面積最大化，從而保障了發(fā)電效益。以弗萊堡市政廳為例，能源層面，該項目通過在建筑屋頂和立面整合光伏構造（圖7,8），實現(xiàn)了高產(chǎn)能效益，實測數(shù)據(jù)顯示市政廳達到了建筑凈零能耗目標[13]（圖9）；整體設計層面，大樓立面集成了高隔熱性能的BIPV遮陽構件，這些構件優(yōu)化了建筑的自然采光效果，減少了空調負荷和采光能耗；可持續(xù)策略層面，熱泵、分區(qū)制熱系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)等方式降低了建筑運維能耗[14]。

（2）外挑結構整合光伏構造

通過在BIPV建筑的外挑結構中加設光伏構造，可以有效增加建筑整體的光伏面積，從而增加了產(chǎn)能效益。以佛羅里達州度假村麥當勞旗艦店為例，該項目除了在屋頂整合BIPV構造，還在外挑頂棚上加設了大面積光伏板。項目運行期間，建筑還通過主/被動策略相結合的方式，實現(xiàn)了凈零能耗運維，相關舉措包括：盡可能利用自然通風、通過溫濕度傳感器實現(xiàn)百葉窗的智能控制、綠色節(jié)能燈具、整合綠植的親生物性建筑外墻等[15]（圖10,11）。

（3）低耗高產(chǎn)的整體設計

相同條件下，同一BIPV項目采用的光伏板面積越大，光伏系統(tǒng)的產(chǎn)能效益越高。小規(guī)模建筑通常運維能耗需求較低，如果此類BIPV項目集成一定數(shù)量的光伏構造，并保證光伏板接收到足夠多的天空水平面投影面積，則更容易實現(xiàn)近零能耗建筑目標[16]。低耗高產(chǎn)型BIPV項目往往體量較小，基于整體設計路徑，在建筑中集成足夠規(guī)模的光伏系統(tǒng)并采取合理的主/被動措施，可以實現(xiàn)建筑的產(chǎn)用平衡，甚至達到能量盈余。

7 弗萊堡市政廳的屋頂和立面整合的大面積光伏8 弗萊堡市政廳立面上的光伏板

9 弗萊堡市政廳2018 年初級能源平衡統(tǒng)計

以加拿大的SoLo House單層住宅為例，BIPV建筑面積約380m2，能夠在偏遠地區(qū)離網(wǎng)運行。設計師在南立面整合了大面積光伏板，同時采用若干被動房的設計策略，使建筑的圍護結構具有極強的保溫隔熱性能。在氫能源、廢水利用等策略的輔助下，建筑的產(chǎn)能超過了自身需求，獲得了PHI低能耗建筑認證[17]（圖12,13）。

10 佛羅里達州度假村麥當勞旗艦店外觀11 佛羅里達州度假村麥當勞旗艦店屋頂光伏板

4 總結與展望

研究基于國際BIPV整體設計案例數(shù)據(jù)庫，對項目的關鍵指標信息、整體設計策略和建筑運維性能進行了討論，為日后研究BIPV相關理論和實踐提供了一定數(shù)據(jù)支持與理論基礎。主要結論如下：

（1）立足多驅動的發(fā)展趨勢，整體設計導向的國際BIPV項目的建成分布受到了技術、設計和政策三方面的促進作用，BIPV技術已逐漸受到了建筑行業(yè)的青睞。

（2）立足多元化的建構策略，整體設計導向的國際BIPV項目可根據(jù)光伏構造的不同集成位置、不同材質、不同的預期空間效果采取適宜的設計手法。隨著建筑師可持續(xù)設計觀的不斷進步，整合設計導向的BIPV將發(fā)展出更多示范項目和建構的可能性，助力各國建筑師的設計創(chuàng)作。

（3）立足高產(chǎn)能的技術路徑，整體設計導向的國際BIPV項目采用合理光伏系統(tǒng)集成方式，可以實現(xiàn)發(fā)電量的最大化。在此基礎上，結合適宜的主/被動策略，能夠實現(xiàn)建筑的近零能耗目標甚至“產(chǎn)能盈余”目標。隨著各國“雙碳”政策的逐步落實和低能耗建筑技術體系的普及應用，采用BIPV技術降低建筑能耗、助力節(jié)能減排將成為未來可持續(xù)建筑技術的發(fā)展趨勢。

上述結論可以為中國BIPV項目的設計、推廣和實踐提供借鑒與啟示：光伏作為一種建筑元素，將具有更多的表現(xiàn)力和應用潛力。新階段以整體效果為導向的建筑光伏一體化項目，若將可持續(xù)的理念融入設計策略中，則可以形成獨特的空間效果，脫離效率優(yōu)先的傳統(tǒng)技術路徑。

12SoLo House 南立面13 SoLo House 建筑細部

* 注：本研究得到國家自然科學基金面上項目（52078264）、河北省重點研發(fā)計劃項目（20374507D）聯(lián)合資助。

圖表來源

1來源于文獻[5]

2來源于文獻[6]

3-6,表1作者自繪

7Fraunhofer ISE 攝影

8HG Esch 攝影

9來源于 www.ntnu.edu

10-13來源于www.archdaily.com

表2根據(jù)文獻[2]整理繪制

表3圖片來源于www.archdaily.com,www.gooood.cn

表4圖片來源于soltechenergy.com,www.archdaily.com

表5圖片來源于龍焱能源科技有限公司國外項目案例手冊，www.archdaily.com

表6圖片來源于www.archdaily.com,bipv.sg,www.gooood.cn