太陽能技術與建筑立面設計一體化研究芻議

馬春蔚

（鄂爾多斯市建設工程質量安全技術服務中心，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著社會的快速發展，全世界能源枯竭、環境污染等問題日益嚴重，并成為全球關注的重點，綠色環保節能等理念逐漸在各行各業建設中得到發展，比如新能源汽車的研發等。建筑業作為各類能耗占比較高的行業之一，其能耗較大，相應的節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中的應用對促進建筑發展、降低建筑能耗均有重要的現實意義[1]。隨著對太陽能的開發與利用，通過將太陽能與建筑設計相結合，在建筑設計中融入太陽能技術，提高太陽能在現代建筑中的使用，依靠太陽能資源的優勢減少其他非再生資源的利用，達到節能環保、建設資源節約型社會的目的。太陽能與建筑融合中考慮到太陽能的發揮需要保證光照，而建筑中的部分外立面可以滿足光照要求，因而在建筑設計中可在建筑立面通過采用一定的設計方法，將太陽能技術融入其中，發揮太陽能的優勢，提高太陽能在建筑能耗中的比例。當然建筑立面設計中一方面需要充分考慮建筑立面設計的一些要求，另一方面則在于提高太陽能的使用，具體設計中需要考慮的內容較多。本文結合筆者自身工作經驗，對太陽能技術與建筑立面設計一體化有關問題展開研究。

一、太陽能技術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、光電直接轉換后的能量。太陽能技術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對太陽能的收集與轉換。為了實現建筑與太陽能技術的融合，就需要同時進行設計、施工、質量控制以及驗收等，光伏建筑一體化中需要將光伏發電與建筑不同部位相結合，其中主要是幕墻、墻面、屋頂等，這些區域能夠滿足光照要求，而光照是太陽能技術發揮作用的基礎，也是關鍵。

太陽能技術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、季節變化、地理位置、晝夜變化等。

從現有太陽能光伏與建筑結合方面分析，常見的主要是建筑與光伏系統的結合、光伏組件與建筑的結合。建筑與光伏系統結合方面：在建筑外墻或屋頂有陽光照射的區域安裝光伏組件，依托于建筑的支撐，將光伏與其他相關裝置有效連接，比如控制器、蓄電池、逆變器等，實現太陽能發電。建筑與光伏組件結合方面，其屬于更高層次的一種構造，相應的對光伏組件等有著更高的要求，不僅局限于發電，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勢，太陽能光伏建筑一體化過程中，在建筑墻面或屋頂等合理設置光伏組件，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中；與傳統建筑部分材料相比，通過選擇太陽能光伏材料代替窗戶、屋頂等，能夠正常發揮隔熱、防水、保溫等作用，同時減少工程造價，即充分實現太陽能光伏組件作用與建筑材料的一體化，提高工程建設的經濟效益。光伏組件可充分利用建筑區域內的不同太陽能，避免太陽長時間照射引起建筑室內溫度升高，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溫度，減少空調開啟時間以及開啟溫度等，達到節能降耗目的。光伏發電滿足環保要求，本身屬于清潔能源，同時無噪音，根據不同建筑層次，靈活選擇不同參數的太陽能光伏組件，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優勢符合新時期建筑設計中的綠色設計理念，可通過將太陽能光伏組件與建筑有效結合達到預期目的。

三、太陽能技術與建筑立面設計一體化分析

（一）設計原則

建筑立面設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與建筑立面設計一體化過程中需要遵循一定的設計原則，具體的包括以下幾點：1.滿足建筑設計的基本原則，即安全性、美觀性，同時還需要兼顧整體性。安全性方面，要求在建筑立面設計中加入的光伏組件不會對原有建筑結構產生破壞，同時設計安裝完成后的太陽能光伏構件需要有可靠的固定安裝設計方式，不能出現墜落等；美觀性方面，太陽能光伏構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件材料、顏色、規格以及局部細節構造等，突出建筑的美觀性，避免因為太陽能光伏構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件的協調統一，既要注重局部設計，也要兼顧整體性，避免局部設計影響到整個建筑的設計風格；2.設計、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件以及整個系統等應采取同步設計、同步施工，既能夠保證整體施工質量，也能在太陽能光伏構件施工中充分利用土建施工的相關防護措施、安裝設備等。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構，也可能增加高空作業風險等，同步設計與施工原則能夠保證兩者的融合，發揮技術優勢，達到預期設計目的；3.建筑設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。考慮到不同地區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，與當地緯度相比，光電板設置角度應增加5-10°。光電板的安裝形式可分為固定式與自動跟蹤兩種。固定式設計中主要是通過不同參數的分析，選擇出光電板發電量最大的一些角度參數等，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太陽光的變化而調整，保證太陽能光電板可持續性接收太陽能，但是與固定式相比，其設備更加復雜，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勢。總之，在太陽能技術與建筑立面設計一體化過程中，應同時考慮到建筑設計的基本要求以及對太陽能的有效利用。

（二）設計方法分析

1.建筑設計。設計人員在建筑設計中需要明確建筑施工區域所在位置、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；不同光伏構件與建筑本身的協調也是在具體設計中需要考慮的，避免光伏構件加入使得建筑整體顯得突兀。

2.太陽能設計。太陽能設計中主要是結合不同地區的太陽能利用情況、光照條件等，理論性計算出光伏電池的發電效率、發電功率等，便于靈活地選擇光電板不同構件，如逆變器、控制器、電池容量等。太陽能設計中光伏組件的朝向問題、結構安全性以及光伏構件角度都是重要的設計內容[3]。

3.光伏構件與建筑美學設計。在單獨建筑設計與光伏設計的基礎上，通過運用靈活的布置方式，提高整體設計的美觀性。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的照明。

（三）太陽能與建筑立面一體化設計具體分析

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

1.太陽能與墻體的有機結合。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，設計過程中可將墻面不同材料與太陽能光電板結合起來進行設計，利用光伏構件的顏色、肌理變化等豐富建筑墻體的外觀，增加建筑墻體外觀元素，發揮一定的裝飾作用。

當前在太陽能光伏組件中有多種規格可供選擇，尤其是一些大尺寸的光伏組件能夠直接發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件在結合中，考慮到窗欞較大時會產生陰影，影響太陽能的接收，設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.太陽能光伏構件與遮陽一體化設計分析。部分地區建筑設計中有遮陽設計，而在遮陽設計中可靈活加入太陽能光伏構件，通過太陽能構件利用太陽能，間接發揮遮陽作用，減少太陽光照對室內溫度等影響。根據建筑一體化設計原則，設計中在窗戶等區域挑出太陽能光電板，使其發揮遮陽板的作用，遮陽同時不同樓層之間的還能夠在陽光下出現陰影，表現出立面中的層次感與美感。整個設計中需要同時兼顧遮陽效率與發電效率，突出遮陽系統的智能化，便于靈活調整，即隨著外界環境條件的改變，光伏等可對葉片角度等予以調整，保證夏季遮陽效果較好，冬季室內有光照等。

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

結束語

隨著全球能源危機，提高太陽能的有效利用已經成為各行各業發展的重點，尤其是在建筑行業中通過太陽能的利用能夠明顯降低建筑能耗。太陽能技術與建筑立面設計一體化過程中，需要同時兼顧太陽能要求與建筑設計要求，提高對太陽能的充分利用，并不斷積累設計經驗，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，為太陽能技術與建筑立面設計一體化提供更多選擇，全面推動我國綠色建筑設計與發展。