整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向的國際建筑光伏一體化技術(shù)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(gè)國家積極應(yīng)對(duì)地球氣候變化的時(shí)代背景下，習(xí)近平總書記提出了中國于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。目前，我國低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨，充分利用太陽能等可再生能源對(duì)促進(jìn)節(jié)能減排有重大意義。據(jù)《中國建筑能耗研究報(bào)告 2020》中的統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費(fèi)總量的46.5%，其中建筑運(yùn)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(yùn)行階段能耗是節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑。可高效利用太陽能的建筑光伏一體化技術(shù)（Building Integrated Photovoltaic,以下簡(jiǎn)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(yùn)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(tái)了若干光伏建筑一體化標(biāo)準(zhǔn)，積極推動(dòng)了BIPV項(xiàng)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(gè)部委也通過出臺(tái)相關(guān)政策等方式，關(guān)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(shí)驗(yàn)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(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，BIPV在項(xiàng)目中的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)了偏遠(yuǎn)地區(qū)建筑的離網(wǎng)運(yùn)行[4]。直到20世紀(jì)90年代，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中才有了首個(gè)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(guān)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(jié)構(gòu)[5]（圖1），但由于經(jīng)濟(jì)成本原因，BIPV技術(shù)的推廣受到了一定程度的限制。如今，相關(guān)技術(shù)日漸成熟，2019年標(biāo)準(zhǔn)光伏組件成本已不到1990年成本的十分之一[6]（圖2），BIPV技術(shù)已具有廣泛普及的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。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(shù)已具有相關(guān)技術(shù)推廣的基礎(chǔ)。

表1 現(xiàn)行光伏建筑一體化的主要標(biāo)準(zhǔn)

表2 國家部委對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的關(guān)注與支持

1 BIPV 發(fā)展時(shí)間線

表3 透光屋面整體設(shè)計(jì)案例及解析

表4 不透光屋面整體設(shè)計(jì)案例及解析

2 研究方法

研究立足整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向的國際BIPV項(xiàng)目發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，通過搭建案例數(shù)據(jù)庫，探討國際BIPV項(xiàng)目的時(shí)空分布、建構(gòu)策略、綜合效能三個(gè)層面的可持續(xù)路徑。

2 基于統(tǒng)計(jì)信息與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的美國光伏系統(tǒng)平均價(jià)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(shè)計(jì)網(wǎng)和Archdaily網(wǎng)站兩個(gè)建筑平臺(tái)，收集具有示范意義、整體設(shè)計(jì)效果出色的BIPV項(xiàng)目及相關(guān)指標(biāo)信息，案例類型包括辦公、居住、學(xué)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(biāo)體系優(yōu)化

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

3 整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向的國際BIPV 項(xiàng)目關(guān)鍵指標(biāo)與技術(shù)路徑解析

3.1 整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向的國際BIPV項(xiàng)目時(shí)空分布

以三年為一個(gè)時(shí)間區(qū)間，對(duì)案例建成年份進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)近年來BIPV項(xiàng)目逐漸增多（圖3），這與BIPV的成本降低和技術(shù)日益成熟有關(guān)，同時(shí)說明了BIPV技術(shù)體系已經(jīng)逐漸獲得了建筑行業(yè)的認(rèn)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(dǎo)向的BIPV項(xiàng)目逐漸走入建筑師的視野，在建筑中集成應(yīng)用的光伏構(gòu)造漸漸脫離了“附加產(chǎn)品”的標(biāo)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(biāo)整合其中，結(jié)果顯示BIPV項(xiàng)目選址與所在地區(qū)光伏發(fā)電潛力無直接關(guān)聯(lián)，歐洲項(xiàng)目數(shù)量最多，占63%（圖4）。究其原因，BIPV項(xiàng)目建設(shè)數(shù)量與所在國家的政策法規(guī)有關(guān)，自20世紀(jì)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)而促進(jìn)了相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)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(tái)了各類太陽能技術(shù)扶持政策，推進(jìn)了BIPV項(xiàng)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(jià)調(diào)整等策略有效啟動(dòng)了德國的光伏市場(chǎng)，推動(dòng)了光伏技術(shù)的進(jìn)步，據(jù)《世界能源統(tǒng)計(jì)回顧2011》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，十年間德國光伏裝機(jī)容量在全世界占比已增長至43.5%[10]，印證了政策支持對(duì)光伏技術(shù)推廣的積極作用。

4 數(shù)據(jù)庫項(xiàng)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(shè)計(jì)導(dǎo)向的BIPV項(xiàng)目建構(gòu)策略

3.2.1 基于數(shù)據(jù)庫的BIPV建構(gòu)策略

對(duì)數(shù)據(jù)庫中BIPV項(xiàng)目光伏構(gòu)造的整合位置進(jìn)行分析，光伏構(gòu)造整合于屋頂?shù)腂IPV項(xiàng)目占比最多，為72.34%+11.70%=84.04%；光伏構(gòu)造整合于建筑立面的項(xiàng)目占比為15.96%+11.70%=27.66%。將光伏構(gòu)造整合于屋頂?shù)捻?xiàng)目數(shù)量遠(yuǎn)高于建筑立面光伏項(xiàng)目數(shù)量（圖5）。

究其原因，與以下三方面有關(guān)：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(jìn)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(gòu)造集成于屋頂，對(duì)建筑立面窗戶的采光遮擋相對(duì)較小，可以實(shí)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(jì)（圖6），以附加結(jié)構(gòu)形式整合于屋頂?shù)腂IPV項(xiàng)目占比為57.45%，遠(yuǎn)高于其他類型，這種建構(gòu)方式比起立面BIPV技術(shù)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(duì)案例的整理和分析發(fā)現(xiàn)本數(shù)據(jù)庫中的國際BIPV項(xiàng)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(gòu)造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、技術(shù)難度較小，但在項(xiàng)目整合度方面，薄膜BIPV項(xiàng)目相對(duì)較好。

3.2.2 光伏構(gòu)造屋頂整體設(shè)計(jì)策略

基于國際BIPV項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步分析整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向的屋頂設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(gòu)造立面整體設(shè)計(jì)策略

基于國際BIPV項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步對(duì)整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向的立面設(shè)計(jì)策略進(jìn)行分析。此類案例可以按照設(shè)計(jì)目標(biāo)，分為產(chǎn)能效率導(dǎo)向和外觀協(xié)調(diào)導(dǎo)向兩類。產(chǎn)能效率導(dǎo)向的案例將光伏構(gòu)造設(shè)置在輻射照度較強(qiáng)的外立面，占比45.45%；外觀協(xié)調(diào)導(dǎo)向的案例出于保障建筑各個(gè)立面協(xié)調(diào)統(tǒng)一的目的，將光伏組件設(shè)置在多個(gè)立面上，占比54.55%。

6 數(shù)據(jù)庫BIPV 整合位置與建構(gòu)形式統(tǒng)計(jì)

產(chǎn)能效率導(dǎo)向的BIPV項(xiàng)目立面整體設(shè)計(jì)類型，可以分為三類，分別是透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)、不透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)和采光遮陽構(gòu)件，典型案例分析如表5所示。

外觀協(xié)調(diào)導(dǎo)向的BIPV項(xiàng)目立面整體設(shè)計(jì)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(dǎo)向的BIPV 項(xiàng)目立面整體設(shè)計(jì)案例及解析

表6 外觀協(xié)調(diào)導(dǎo)向的BIPV 項(xiàng)目立面整體設(shè)計(jì)案例及解析

3.3 項(xiàng)目效能導(dǎo)向的BIPV設(shè)計(jì)策略

BIPV建筑的特征是，通過整合在建筑中的光伏構(gòu)造實(shí)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(yùn)行能耗。近年來，BIPV項(xiàng)目整體效能導(dǎo)向的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化效率的提升，采用適宜的整體設(shè)計(jì)策略可以實(shí)現(xiàn)BIPV建筑的產(chǎn)用平衡。國際BIPV項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)用平衡的建筑，通常采用三類技術(shù)路徑，分別是建筑通體整合光伏、外挑結(jié)構(gòu)整合光伏構(gòu)造和低耗高產(chǎn)導(dǎo)向的整體設(shè)計(jì)。

（1）建筑通體整合光伏

通體整合光伏的BIPV項(xiàng)目，將光伏構(gòu)造整合在所有建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，實(shí)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(xiàng)目通過在建筑屋頂和立面整合光伏構(gòu)造（圖7,8），實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)能效益，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示市政廳達(dá)到了建筑凈零能耗目標(biāo)[13]（圖9）；整體設(shè)計(jì)層面，大樓立面集成了高隔熱性能的BIPV遮陽構(gòu)件，這些構(gòu)件優(yōu)化了建筑的自然采光效果，減少了空調(diào)負(fù)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(yùn)維能耗[14]。

（2）外挑結(jié)構(gòu)整合光伏構(gòu)造

通過在BIPV建筑的外挑結(jié)構(gòu)中加設(shè)光伏構(gòu)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(dá)州度假村麥當(dāng)勞旗艦店為例，該項(xiàng)目除了在屋頂整合BIPV構(gòu)造，還在外挑頂棚上加設(shè)了大面積光伏板。項(xiàng)目運(yùn)行期間，建筑還通過主/被動(dòng)策略相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了凈零能耗運(yùn)維，相關(guān)舉措包括：盡可能利用自然通風(fēng)、通過溫濕度傳感器實(shí)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(shè)計(jì)

相同條件下，同一BIPV項(xiàng)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(yùn)維能耗需求較低，如果此類BIPV項(xiàng)目集成一定數(shù)量的光伏構(gòu)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(shí)現(xiàn)近零能耗建筑目標(biāo)[16]。低耗高產(chǎn)型BIPV項(xiàng)目往往體量較小，基于整體設(shè)計(jì)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(dòng)措施，可以實(shí)現(xiàn)建筑的產(chǎn)用平衡，甚至達(dá)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(jí)能源平衡統(tǒng)計(jì)

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(yuǎn)地區(qū)離網(wǎng)運(yùn)行。設(shè)計(jì)師在南立面整合了大面積光伏板，同時(shí)采用若干被動(dòng)房的設(shè)計(jì)策略，使建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)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(rèn)證[17]（圖12,13）。

10 佛羅里達(dá)州度假村麥當(dāng)勞旗艦店外觀11 佛羅里達(dá)州度假村麥當(dāng)勞旗艦店屋頂光伏板

4 總結(jié)與展望

研究基于國際BIPV整體設(shè)計(jì)案例數(shù)據(jù)庫，對(duì)項(xiàng)目的關(guān)鍵指標(biāo)信息、整體設(shè)計(jì)策略和建筑運(yùn)維性能進(jìn)行了討論，為日后研究BIPV相關(guān)理論和實(shí)踐提供了一定數(shù)據(jù)支持與理論基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下：

（1）立足多驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)，整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向的國際BIPV項(xiàng)目的建成分布受到了技術(shù)、設(shè)計(jì)和政策三方面的促進(jìn)作用，BIPV技術(shù)已逐漸受到了建筑行業(yè)的青睞。

（2）立足多元化的建構(gòu)策略，整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向的國際BIPV項(xiàng)目可根據(jù)光伏構(gòu)造的不同集成位置、不同材質(zhì)、不同的預(yù)期空間效果采取適宜的設(shè)計(jì)手法。隨著建筑師可持續(xù)設(shè)計(jì)觀的不斷進(jìn)步，整合設(shè)計(jì)導(dǎo)向的BIPV將發(fā)展出更多示范項(xiàng)目和建構(gòu)的可能性，助力各國建筑師的設(shè)計(jì)創(chuàng)作。

（3）立足高產(chǎn)能的技術(shù)路徑，整體設(shè)計(jì)導(dǎo)向的國際BIPV項(xiàng)目采用合理光伏系統(tǒng)集成方式，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電量的最大化。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合適宜的主/被動(dòng)策略，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑的近零能耗目標(biāo)甚至“產(chǎn)能盈余”目標(biāo)。隨著各國“雙碳”政策的逐步落實(shí)和低能耗建筑技術(shù)體系的普及應(yīng)用，采用BIPV技術(shù)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(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

上述結(jié)論可以為中國BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、推廣和實(shí)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(yīng)用潛力。新階段以整體效果為導(dǎo)向的建筑光伏一體化項(xiàng)目，若將可持續(xù)的理念融入設(shè)計(jì)策略中，則可以形成獨(dú)特的空間效果，脫離效率優(yōu)先的傳統(tǒng)技術(shù)路徑。

12SoLo House 南立面13 SoLo House 建筑細(xì)部

* 注：本研究得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52078264）、河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20374507D）聯(lián)合資助。

圖表來源

1來源于文獻(xiàn)[5]

2來源于文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(xiàng)目案例手冊(cè)，www.archdaily.com

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