太陽能技術(shù)與建筑立面設(shè)計一體化研究芻議

馬春蔚

（鄂爾多斯市建設(shè)工程質(zhì)量安全技術(shù)服務中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著社會的快速發(fā)展，全世界能源枯竭、環(huán)境污染等問題日益嚴重，并成為全球關(guān)注的重點，綠色環(huán)保節(jié)能等理念逐漸在各行各業(yè)建設(shè)中得到發(fā)展，比如新能源汽車的研發(fā)等。建筑業(yè)作為各類能耗占比較高的行業(yè)之一，其能耗較大，相應的節(jié)能降耗可能性也更大。太陽能作為一種新型能源，本身也屬于清潔能源，取之不盡，因而提高太陽能在建筑行業(yè)中的應用對促進建筑發(fā)展、降低建筑能耗均有重要的現(xiàn)實意義[1]。隨著對太陽能的開發(fā)與利用，通過將太陽能與建筑設(shè)計相結(jié)合，在建筑設(shè)計中融入太陽能技術(shù)，提高太陽能在現(xiàn)代建筑中的使用，依靠太陽能資源的優(yōu)勢減少其他非再生資源的利用，達到節(jié)能環(huán)保、建設(shè)資源節(jié)約型社會的目的。太陽能與建筑融合中考慮到太陽能的發(fā)揮需要保證光照，而建筑中的部分外立面可以滿足光照要求，因而在建筑設(shè)計中可在建筑立面通過采用一定的設(shè)計方法，將太陽能技術(shù)融入其中，發(fā)揮太陽能的優(yōu)勢，提高太陽能在建筑能耗中的比例。當然建筑立面設(shè)計中一方面需要充分考慮建筑立面設(shè)計的一些要求，另一方面則在于提高太陽能的使用，具體設(shè)計中需要考慮的內(nèi)容較多。本文結(jié)合筆者自身工作經(jīng)驗，對太陽能技術(shù)與建筑立面設(shè)計一體化有關(guān)問題展開研究。

一、太陽能技術(shù)與太陽能建筑一體化分析

太陽能是可再生資源中來源廣，可利用價值最高的資源之一。所謂的太陽能指的是太陽內(nèi)部高溫核聚變反應釋放的輻射能，通常所說的太陽能是狹義的太陽能，即太陽能的光熱、光化學、光電直接轉(zhuǎn)換后的能量。太陽能技術(shù)中使用最多的是太陽能建筑一體化，也就是在建筑中集成不同的太陽能光伏組件，利用各類光伏組件實現(xiàn)對太陽能的收集與轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)建筑與太陽能技術(shù)的融合，就需要同時進行設(shè)計、施工、質(zhì)量控制以及驗收等，光伏建筑一體化中需要將光伏發(fā)電與建筑不同部位相結(jié)合，其中主要是幕墻、墻面、屋頂?shù)?，這些區(qū)域能夠滿足光照要求，而光照是太陽能技術(shù)發(fā)揮作用的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵。

太陽能技術(shù)在建筑使用中還需要考慮一些實際的問題，比如太陽能光伏中的不同組件價格較貴，一定程度上限制了技術(shù)的推廣，而且還可能會增加房屋建筑成本；太陽能本身具有分散性，這種分散性也降低了對太陽能流的使用；太陽能雖然可以轉(zhuǎn)化，但是太陽能的儲存問題也是一個急需解決的問題；此外，太陽能在利用中的影響因素較多，比如天氣、季節(jié)變化、地理位置、晝夜變化等。

從現(xiàn)有太陽能光伏與建筑結(jié)合方面分析，常見的主要是建筑與光伏系統(tǒng)的結(jié)合、光伏組件與建筑的結(jié)合。建筑與光伏系統(tǒng)結(jié)合方面：在建筑外墻或屋頂有陽光照射的區(qū)域安裝光伏組件，依托于建筑的支撐，將光伏與其他相關(guān)裝置有效連接，比如控制器、蓄電池、逆變器等，實現(xiàn)太陽能發(fā)電。建筑與光伏組件結(jié)合方面，其屬于更高層次的一種構(gòu)造，相應的對光伏組件等有著更高的要求，不僅局限于發(fā)電，同時還需要盡可能滿足建筑功能，即將建筑中的部分材料使用光伏組件代替，可代替的部位如屋頂、窗戶、外墻等[2]。

二、太陽能光伏建筑一體化優(yōu)勢分析

太陽能光伏建筑一體化在具體應用中存在多方面的優(yōu)勢，太陽能光伏建筑一體化過程中，在建筑墻面或屋頂?shù)群侠碓O(shè)置光伏組件，不需要占用土地資源，提高了土地資源的利用率；光伏發(fā)電后可以增加電力容量，緩解夏季以及冬季高峰期用電壓力，其余時間段多余的電能還能夠并入電網(wǎng)中；與傳統(tǒng)建筑部分材料相比，通過選擇太陽能光伏材料代替窗戶、屋頂?shù)?，能夠正常發(fā)揮隔熱、防水、保溫等作用，同時減少工程造價，即充分實現(xiàn)太陽能光伏組件作用與建筑材料的一體化，提高工程建設(shè)的經(jīng)濟效益。光伏組件可充分利用建筑區(qū)域內(nèi)的不同太陽能，避免太陽長時間照射引起建筑室內(nèi)溫度升高，尤其是在夏季炎熱的情況下，光伏組件利用太陽能能夠降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)開啟時間以及開啟溫度等，達到節(jié)能降耗目的。光伏發(fā)電滿足環(huán)保要求，本身屬于清潔能源，同時無噪音，根據(jù)不同建筑層次，靈活選擇不同參數(shù)的太陽能光伏組件，比如尺寸、外觀色彩等，滿足不同建筑需要。太陽能光伏建筑一體化的相關(guān)優(yōu)勢符合新時期建筑設(shè)計中的綠色設(shè)計理念，可通過將太陽能光伏組件與建筑有效結(jié)合達到預期目的。

三、太陽能技術(shù)與建筑立面設(shè)計一體化分析

（一）設(shè)計原則

建筑立面設(shè)計中如果加入光伏組件，整個建筑的外立面、建筑美觀性都會不同程度受到影響，因此在具體太陽能技術(shù)與建筑立面設(shè)計一體化過程中需要遵循一定的設(shè)計原則，具體的包括以下幾點：1.滿足建筑設(shè)計的基本原則，即安全性、美觀性，同時還需要兼顧整體性。安全性方面，要求在建筑立面設(shè)計中加入的光伏組件不會對原有建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，同時設(shè)計安裝完成后的太陽能光伏構(gòu)件需要有可靠的固定安裝設(shè)計方式，不能出現(xiàn)墜落等；美觀性方面，太陽能光伏構(gòu)件應選擇與建筑相匹配的形式，通過合理選擇太陽能光伏構(gòu)件材料、顏色、規(guī)格以及局部細節(jié)構(gòu)造等，突出建筑的美觀性，避免因為太陽能光伏構(gòu)件的加入破壞整體建筑美觀性；整體性方面應保證建筑立面與太陽能光伏構(gòu)件的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，既要注重局部設(shè)計，也要兼顧整體性，避免局部設(shè)計影響到整個建筑的設(shè)計風格；2.設(shè)計、施工的同步性。從實際施工成本、施工便捷度等方面考慮，建筑立面與太陽能光伏構(gòu)件以及整個系統(tǒng)等應采取同步設(shè)計、同步施工，既能夠保證整體施工質(zhì)量，也能在太陽能光伏構(gòu)件施工中充分利用土建施工的相關(guān)防護措施、安裝設(shè)備等。如果在建筑立面施工完成后再進行太陽能光伏施工，可能會破壞建筑立面結(jié)構(gòu)，也可能增加高空作業(yè)風險等，同步設(shè)計與施工原則能夠保證兩者的融合，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，達到預期設(shè)計目的；3.建筑設(shè)計中需要兼顧光伏板安裝角度。太陽能光伏組件在建筑立面設(shè)計中，為保證對太陽能的有效利用，需要充分考慮太陽入射角度以及太陽高度角，太陽能的安裝角度是建筑立面設(shè)計中需要考慮的重點，同時光電板采用何種安裝形式也會影響到太陽能的利用率?？紤]到不同地區(qū)在太陽照射角度等方面存在不同，為保證在冬季太陽能也能得到較好的輻射，與當?shù)鼐暥认啾?，光電板設(shè)置角度應增加5-10°。光電板的安裝形式可分為固定式與自動跟蹤兩種。固定式設(shè)計中主要是通過不同參數(shù)的分析，選擇出光電板發(fā)電量最大的一些角度參數(shù)等，安裝完成后對應的傾角、方位角都不能再改變。自動跟蹤在太陽能光伏板使用中能夠根據(jù)太陽光的變化而調(diào)整，保證太陽能光電板可持續(xù)性接收太陽能，但是與固定式相比，其設(shè)備更加復雜，會增加成本投入，尤其是在后期需要較多的維護成本。相對而言，固定式太陽能光電板的使用更具優(yōu)勢?？傊?，在太陽能技術(shù)與建筑立面設(shè)計一體化過程中，應同時考慮到建筑設(shè)計的基本要求以及對太陽能的有效利用。

（二）設(shè)計方法分析

1.建筑設(shè)計。設(shè)計人員在建筑設(shè)計中需要明確建筑施工區(qū)域所在位置、氣候條件、太陽輻射情況等，從而確定是否能夠有效利用太陽能；建筑設(shè)計中還需要考慮建筑本身受到其他建筑的影響情況，尤其是在城市建設(shè)中，寸土寸金，為了提高土地利用率，建筑物之間的密度較大，可能受到鄰近建筑或者其他東西的遮擋，使得建筑本身無法得到充足的光照；不同光伏構(gòu)件與建筑本身的協(xié)調(diào)也是在具體設(shè)計中需要考慮的，避免光伏構(gòu)件加入使得建筑整體顯得突兀。

2.太陽能設(shè)計。太陽能設(shè)計中主要是結(jié)合不同地區(qū)的太陽能利用情況、光照條件等，理論性計算出光伏電池的發(fā)電效率、發(fā)電功率等，便于靈活地選擇光電板不同構(gòu)件，如逆變器、控制器、電池容量等。太陽能設(shè)計中光伏組件的朝向問題、結(jié)構(gòu)安全性以及光伏構(gòu)件角度都是重要的設(shè)計內(nèi)容[3]。

3.光伏構(gòu)件與建筑美學設(shè)計。在單獨建筑設(shè)計與光伏設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過運用靈活的布置方式，提高整體設(shè)計的美觀性。比如如果在窗戶上安裝太陽能電板，則需要有較好的透光性，不能因為安裝太陽能光板影響到建筑室內(nèi)的照明。

（三）太陽能與建筑立面一體化設(shè)計具體分析

太陽能與建筑立面一體化設(shè)計中主要是將太陽能電板與不同立面組成部分結(jié)合設(shè)計，整體設(shè)計可從以下幾個角度考慮：

1.太陽能與墻體的有機結(jié)合。建筑外立面中墻體是一個最大的組成部分，且在一般建筑中所占面積也較大，設(shè)計過程中可將墻面不同材料與太陽能光電板結(jié)合起來進行設(shè)計，利用光伏構(gòu)件的顏色、肌理變化等豐富建筑墻體的外觀，增加建筑墻體外觀元素，發(fā)揮一定的裝飾作用。

當前在太陽能光伏組件中有多種規(guī)格可供選擇，尤其是一些大尺寸的光伏組件能夠直接發(fā)揮墻體外觀的裝飾作用，代替原有的玻璃幕墻等，有效降低建筑外墻成本投入，提高建筑外觀的新穎性與獨特性。建筑外墻與太陽能光伏構(gòu)件在結(jié)合中，考慮到窗欞較大時會產(chǎn)生陰影，影響太陽能的接收，設(shè)計中應選擇較小的窗欞，提高建筑外墻中對太陽能的有效利用。

2.太陽能光伏構(gòu)件與遮陽一體化設(shè)計分析。部分地區(qū)建筑設(shè)計中有遮陽設(shè)計，而在遮陽設(shè)計中可靈活加入太陽能光伏構(gòu)件，通過太陽能構(gòu)件利用太陽能，間接發(fā)揮遮陽作用，減少太陽光照對室內(nèi)溫度等影響。根據(jù)建筑一體化設(shè)計原則，設(shè)計中在窗戶等區(qū)域挑出太陽能光電板，使其發(fā)揮遮陽板的作用，遮陽同時不同樓層之間的還能夠在陽光下出現(xiàn)陰影，表現(xiàn)出立面中的層次感與美感。整個設(shè)計中需要同時兼顧遮陽效率與發(fā)電效率，突出遮陽系統(tǒng)的智能化，便于靈活調(diào)整，即隨著外界環(huán)境條件的改變，光伏等可對葉片角度等予以調(diào)整，保證夏季遮陽效果較好，冬季室內(nèi)有光照等。

3.其他設(shè)計分析。太陽能與建筑一體化設(shè)計中，除了墻體、窗戶外，還可以在建筑雨棚、陽臺、天窗等區(qū)域靈活設(shè)計，通過太陽能光伏電板的合理設(shè)置，發(fā)揮發(fā)電作用，同時兼顧不同建筑區(qū)域的功能發(fā)揮。

結(jié)束語

隨著全球能源危機，提高太陽能的有效利用已經(jīng)成為各行各業(yè)發(fā)展的重點，尤其是在建筑行業(yè)中通過太陽能的利用能夠明顯降低建筑能耗。太陽能技術(shù)與建筑立面設(shè)計一體化過程中，需要同時兼顧太陽能要求與建筑設(shè)計要求，提高對太陽能的充分利用，并不斷積累設(shè)計經(jīng)驗，提高太陽能在建筑能耗中的替代作用，并積極進行太陽能建筑材料等方面的研究，為太陽能技術(shù)與建筑立面設(shè)計一體化提供更多選擇，全面推動我國綠色建筑設(shè)計與發(fā)展。