BIPV綠色建筑發展及應用

高 敏，周仁和

BIPV綠色建筑發展及應用

高 敏，周仁和

文章主要講述能源危機環境下太陽能作為新能源的研發必要性，太陽能節能建筑BIPV的定義及其在我國的發展過程。介紹了BIPV建筑的構造特點，可利用工業設計的相關知識，對其進行設計。BIPV建筑在我國將有廣闊的發展前景。

BIPV；節能；發展；工程；設計；前景

中國政府在2009年哥本哈根氣候大會上承諾，至2020年中國單位國內生產總值 (GDP)二氧化碳排放將比2005年減少40%—45%，體現了中國作為世界共同體的一部分，對于改善環境問題負責任的態度。在提倡低碳環保理念的大環境下，中國迫切需要尋找新的、對環境友好的能源。能源危機使新能源的發掘與利用成為急切需要研究與推廣的新課題。太陽能由于資源豐富，是可再生能源，可免費使用，無需運輸，對環境污染為零等一系列優點，成為節能環保的首要研究目標。我國大約有三分之二的地區年平均日輻射量在4kwh／m2以上，其中西藏西部是我國太陽能資源最豐富的地區，日輻射量最高可達到7kwh／m2。因此我國太陽能能源開發應用潛力相當巨大。

城市的快速發展使建筑能耗在我國總能耗中所占比例越來越大，從上世紀70年代的大約為百分之十，迅速增加到目前約占社會總能耗的約百分之二十七。隨著人們對建筑環境舒適性的追求程度越來越高，建筑采暖和空調的能耗也大幅度增長，我國建筑耗能比例還將持續上升。國外近幾年對太陽能產品在節能建筑中的應用做了大量的試驗研究，以對其進行開發利用。德國在2003年實現對國內住宅安裝10萬套光伏屋頂，同時德國國內建造了大量可以使用太陽能供暖和供熱的太陽能單體住宅、集體住宅和多戶型的公寓，可以利用太陽能能源滿足住宅的熱能等需求。德國是太陽能使用較為廣泛的國家，效果也較好。目前，德國80%左右的光伏發電應用是與建筑相結合的，即BIPV建筑（BuildingIntegrated Photovoltaic）——太陽能光伏一體化建筑。另一個對節能建筑中太陽能產品的應用研究較早的國家是英國。目前英國國內開發的節能建筑中，平均太陽能能源消耗可以占到建筑總能耗的三分之一左右。在美國，節能觀念結合政策法規，通過“太陽能供暖降溫房屋的建筑條例”和“節約能源房屋建筑法規”等法律文件大力鼓勵太陽能等節能產品在建筑中的應用。美國太陽能建筑由于政策扶持和巨額經費投入而發展迅速，現在已經摒棄傳統太陽能采集裝置，開始研究太陽能產品與建筑的直接對接等新的研究方向。另外，其他經濟發達國家對太陽能產品在節能建筑中的應用也在進行大力研究。

我國每年建成的房屋面積約為16—20億m2，而且百分之九十七以上是高能耗建筑。因此，需要在建造過程中更加注重通過綠色能源進行建筑節能。我國對于太陽能節能建筑的研究始于20世紀70年代末，現有光伏節能建筑多具有地區選擇性，大部分為人口稀少、缺少傳統能源的偏遠落后區域。隨著傳統能源的匱乏導致傳統能源的價格居高，節能減耗概念的普及，近些年來，相對發達的城市也開始推廣太陽能產品與太陽能綠色建筑。雖然我國太陽能儲量豐富，輻射量大，但其具有分布不均衡，人均占有量低的特點。而且由于開展研究時間較短，相關太陽能光伏產品與技術的研發距離國際水平高精尖水平尚有很大的提升空間。國務院印發的《關于加快發展節能環保產業的意見》提出，到2015年我國節能環保產業總產值達到4.5萬億元。目前，對于太陽能建筑一體化產品集成設計的研究開發已經成為太陽能方面最熱門的研究課題之一，研究重點主要集中在基礎技術研發和太陽能集成產品設計開發方面。

BIPV建筑雖然形式較新穎，但其適用范圍非常廣泛，可以結合目前的大部分建筑結構，對各種屋面和幕墻都進行靈活的相關設計利用。不管是平屋面還是斜屋面，均可以利用太陽能光伏板進行發電。可以在各種屋面上，整個或者局部屋面覆蓋太陽能光伏板，來接收太陽光能量。太陽能光伏板與屋頂一體化進行集成，不僅可以保護屋面的結構，還可以利用一定的集成結構，達到遮陽通風的效果。但作為建筑物屋頂結構的一部分，在安裝時存在容易破壞屋面防水、阻礙屋面排水、傾角設置不當、通風散熱不好和灰塵積雪清理困難等缺點，因此還需要進行技術等方面的攻關。在目前的技術條件下，利用BIPV技術進行太陽能光伏一體化設計，構造較為復雜，光伏建筑工程需要電氣施工的緊密配合。一個完整的BIPV系統包括光伏板和蓄電池、逆變器、電流控制箱、系統監控保護設備等其他一些配套設備。并網型BIPV系統中可以以并入電網的接入裝置代替蓄電池等儲電設備。光伏建筑工程中室內和幕墻兩部分需要分別施工，光伏建筑的預埋件和后置埋件的安裝，以及交流電纜、橋架、通訊電纜等的安裝都需要電氣施工單位與內裝單位配合。一般為了防水和防曬以及整個建筑的外觀美觀性的目的，接線盒以及電路連接線等會以合理結構與幕墻結合，隱藏在幕墻中達到光伏建筑的實用和美觀要求。建筑結構施工中和完成后，均需對電氣系統進行調試。因此，光伏建筑工程需要配合內裝、土建等施工單位，互相協調共同完成。但這種一體化光伏電池板本身就可作為建筑結構材料，可算在建筑整體造價中，可以通過結構設計，降低光伏發電成本、提高防水性能和光電轉換效率，使BIPV建筑成為經濟實用的結合體。

就光伏建筑的外觀而言，充分利用光伏結構的造型元素，應用在建筑圍護結構、建筑構件和建筑材料中，并設計安裝于建筑物中不同位置，可形成個性化的視覺元素，豐富建筑造型語態，提升建筑技術魅力。光伏建筑的外觀設計是一個多學科交叉、技術密集型的設計工作。基于光伏構件的特殊屬性，研究光伏構件的細部設計、光伏構件與建筑形體的多種整合設計方式，涉及整體整合造型和細部設計兩個層面。可通過對地方現有的建筑群的調研，綜合利用數字化設計方法和工程設計理念，研發出符合中國國情與當地民情的，與節能建筑結合度高的太陽能建筑一體化產品。在光伏建筑的設計過程中，需要綜合利用現代設計方法，包括數字化設計、系統設計、綠色設計、人機工程學原理、感性工學等，設計出功能性、藝術性、商用性緊密結合的太陽能光伏建筑一體化產品，這樣也能夠間接推動太陽能一體化產品在建筑中的使用。

《2013—2017年中國光伏建筑一體化(BIPV)行業發展前景與投資戰略規劃分析報告》中指出，2012年中國光電建筑應用示范項目共計128個，總裝機容量約為227MW，補助資金為12.87億元。目前中國帶有綠色建筑評價標識的建筑總面積不足4000萬平方米，因此BIPV建筑作為建筑節能的一種重要形式，具有廣闊的發展空間。需要注意的是，雖然太陽能光伏建筑一體化有高效、經濟、環保等諸多優點，但也存在成本高、造價高、不穩定、市場化程度不高等缺點。因此，需要通過政府扶持、企業研發、課題支持等多種途徑，進行BIPV建筑的推廣與普及。

[1]丘佳梅.太陽能建筑發展管理研究[M].天津大學，2005.

[2]中研普華公司.2014-2018年光伏建筑一體化(BIPV)產業深度調研及投資潛力研究預測報告[J].2014.

F270

A

1008-4428（2015）04-15-02

淮安市科技基金資助（項目號HAG2012073）。

高敏，淮陰工學院設計藝術學院；

周仁和，淮陰工學院設計藝術學院。