建筑光伏一體化立面技術應用思考

作者 | Author：師劭航 SHI Shaohang，褚英男 CHU Yingnan，高唯芷 GAO Weizhi，宋曄皓 SONG Yehao/ 清華大學建筑學院 School of Architecture,Tsinghua University;清華大學生態規劃與綠色建筑教育部重點實驗室，Key Laboratory of Eco Planning &Green Building,Ministry of Education (Tsinghua University)

1.引言

隨著全球變暖等環境問題的日益嚴重，能源節約與低碳發展已成為世界各國的共識[1]，我國也在第七十五屆聯合國大會中提出了2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標。建筑在全生命周期產生的碳排放量在總二氧化碳排放量中占比巨大，如何通過“開源節流”的方式降低建筑的能源消耗與碳排放量具有重要意義。可再生能源建筑一體化技術是一種有效的可持續路徑。而隨著我國《建筑節能與可再生能源利用通用規范GB55015-2021》的頒布與執行，太陽能建筑技術也成為了諸多建筑工作者關注的焦點，規范強調了新建建筑與太陽能系統整合的重要性，并要求太陽能系統通過全年綜合利用滿足建筑能源需求[2]。

建筑光伏一體化（Building Integrated Photovoltaic，以下簡稱BIPV）立面指的是將光伏電池集成于建筑立面系統中，取代原有的建筑構件，使之成為建筑能源系統的組成部分[3]。隨著分布式發電技術日漸普及，BIPV立面可以通過就地發電，在一定程度上滿足建筑運行能耗需求，從而提高了建筑的節能潛力[4,5]。

圖2.丹麥根本哈根國際學校的BIPV 立面（圖片來源：參考文獻[10]）

圖3 -a.柔性銅銦鎵硒光伏電池（圖片來源：參考文獻[11]）

圖3 -b.柔性CIGS 光伏在曲線型立面中的應用（圖片來源：參考文獻[12]）

近年來，隨著綠色建筑技術的快速發展和新型BIPV產品的不斷涌現，BIPV立面設計實踐與研究成果越來越多，為相關建筑設計的落成和前沿技術的開發提供了更多可能性[6,7]。本文立足光伏產品、控制策略和整合設計三個方面，對不同BIPV立面技術原型在設計實踐中的應用進行了討論與分析，旨在為高品質BIPV立面項目提供參考或啟示。

2.BIPV立面技術的應用思考

建筑立面作為建筑圍護結構的重要組成部分，是直觀表達建筑藝術的載體，并極大程度上影響了建筑能耗水平[8]，因此，可持續建筑技術在建筑立面中的設計和應用，具有重要的研究意義。BIPV設計實踐與建筑形體、建筑功能、項目選址的氣候條件與經濟水平等密切相關，伴隨BIPV材料與工藝的多樣化趨勢，不同BIPV立面技術的應用可歸納為三個層面：豐富的光伏產品滿足了建筑不同的功能與場景需求、性能可調策略提高了建筑節能潛力、整合設計方法實現了外觀效果與性能目標的協同優化。

2.1.光伏產品

隨著光伏電池技術的不斷發展和綠色建筑系統的迫切需要，光伏材料和產品加工工藝的種類越來越多，已有的多樣化光伏產品可以滿足建筑師的設計需求，建筑設計不再受到產品種類和樣式的限制。根據光伏產品在不同類型立面圍護結構中的應用，可劃分為不透光BIPV立面和透光BIPV立面。

（1）不透光BIPV立面中的光伏產品

對于不透光圍護結構，將光伏電池加裝于其外表面是一種節約空間、提高能源性能的選擇，該BIPV立面原型不會影響室內人員窗景的視線，同時可以實現就地發電。例如位于加拿大的SOLO House（圖1），在建筑南立面上安裝了32kW的光伏電池，實現了住宅的“離網”運行目標[9]，有效降低了建筑在運行期間的碳排放。

彩色不透光光伏電池為建筑立面創作提供了新機遇。此類光伏立面采用彩色光伏電池固定于建筑外墻，在顏色、模數和表面肌理上打破了人們對光伏建筑的“標簽印象”，可以打造獨特的建筑外觀效果。例如丹麥哥本哈根國際學校（圖2）在建筑立面上安裝了由SolarLab定制設計的12000塊相同的藍綠色的太陽能玻璃，與常見的晶硅光伏的顏色與肌理都不同，該項目的光伏模塊還通過角度的隨機設計使得建筑立面形成了豐富的視覺效果；在滿足產能需求方面，該國際學校采用的太陽能電池可以在建筑全生命周期層面帶來顯著收益，據估算該項目可以在投入使用多年后實現能源碳足跡回收，成為一座“免費發電”的學校[10]。

在參數化設計與建造技術蓬勃發展的當下，曲線立面建筑層出不窮，柔性光伏電池具有良好彎曲能力（圖3-a），為曲線型BIPV立面的設計和應用提供了可能性（圖3-b）。此外，柔性光伏電池在材料運輸方面，還發電量最大；而傾斜角度為20°時，光伏系統的全年總電力效益最大。

光伏組件集成于BIPV窗、BIPV幕墻系統中，可以在發電的同時，保留透光圍護結構的部分采光性能，適當減少太陽輻射室內得熱量，還具有節約建筑材料、節約空間等優勢。例如中國北京旭輝零碳空間示范項目的立面中采用的光伏模塊陣列分布的光伏玻璃（圖9），在外觀效果上營造了整齊的立面形態模數；建筑性能方面，同時實現了采光、得熱和發電。此項目還結合了屋頂光伏板、太陽能熱水等技術措施，多種策略的結合應用有效降低了建筑的運行能耗[18]。而澳大利亞新南威爾士大學的Yang等人[19]則采用建筑性能模擬的方法量化了四種光電光熱建筑一體化（BIPV/T）幕墻原型在澳大利亞不同氣候區應用的綜合性能表現，涉及非晶硅光伏、染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦基太陽能電池三種光伏材料。結果表明，相比于傳統技術，基于設定工況，三個代表城市達爾文、悉尼和堪培拉的BIPV幕墻實現的總節能率均可達30%以上，堪培拉地區性能表現最佳的幕墻原型總節能率可達106%，有效論證了BIPV幕墻的綜合節能效益。

較為特殊的是，染料敏化電池、碲化鎘電池等彩色透光薄膜光伏可以打造出特色建筑空間與室內光環境，并一定程度上優化室內熱環境。例如瑞士科技會展中心（圖10）的建筑立面采用了300平方米的透光染料敏化電池光伏玻璃，采用的紅色和橙色電池模塊可以阻擋一部分太陽輻射進入室內，避免了室內溫度過高[20]。此外，碲化鎘電池同樣可以擁有彩色透光的特性，例如瑞典 Vallastaden 立體車庫的立面（圖11）采用的雙層皮結構，外側表皮使用了彩色碲化鎘薄膜電池；該雙層皮結構還集成了LED照明設計，可以在夜間煥發光彩[21]。但此類BIPV立面技術的應用也存在一定短板，在特殊功能的建筑或房間中使用時，需要綜合考慮人員的視覺與色彩感知問題[22]。

2.2.控制策略

隨著建筑節能技術的推廣與人們對室內環境要求的不斷提高，BIPV立面逐漸從以往的穩定性立面轉向性能可調立面。BIPV產品應結合智控系統、性能可變材料等前沿技術，實現室內物理環境的動態優化、挖掘性能可調BIPV構造的節能效益。基于不同的構造方式，性能可調BIPV立面主要可分為三類：光伏構件可調立面、性能可調光伏幕墻和光伏智能窗。

（1）光伏構件可調立面

光伏構件可調立面通過對環境的動態響應，可以調控建筑的室內被動輻射得熱和天然光分布，有效優化了建筑的“光電熱”性能，從而達到節能目的。例如瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Nagy等人[23]提出了一種模塊化的動態BIPV遮陽系統（圖12），基于建筑性能模具有重量輕、靈活性強、運輸成本較低和不易發生運輸損壞等優勢[11]。

圖4.不同光伏產品模擬建筑立面應用場景的實驗測試（圖片來源：作者自攝）

圖5.不同光伏產品在模擬建筑立面實驗中的光電轉化率對比（圖片來源：作者自繪）

圖6.不同光伏產品在模擬建筑立面實驗中的溫度對比（圖片來源：作者自繪）

表1.不同光伏產品戶外實驗中的熱性能分析（表格來源：作者自繪）

在性能實測方面，筆者研究團隊采用單晶硅、多晶硅、碲化鎘和銅銦鎵硒四種不透光光伏產品，模擬它們在建筑立面中的應用場景（圖4），并以北京地區夏季為例，探究了不同光伏產品的電熱性能差異。通過性能測試與數據挖掘建立了光伏性能實測數據集，包含光伏產品的光電轉化率、光伏溫度、環境溫度、太陽輻射強度等指標（圖5，圖6，表1）。

由實驗數據可知，光電轉化效率方面，四種光伏電池的轉化效率平均值排序為單晶硅＞銅銦鎵硒＞碲化鎘＞多晶硅。光伏板溫度方面，碲化鎘在夏季溫度可達近70℃，平均溫度高于另外三種光伏電池；結合光伏板溫度與環境參數的相關性分析，可以看出，與不同光伏產品溫度高度相關的變量參數主要包括太陽輻射強度、室外溫度和風溫，而太陽輻射強度對光伏板溫度的影響排序為碲化鎘＞多晶硅＞銅銦鎵硒＞單晶硅，究其原因，主要與不同光伏產品的表面發射率有關。

雖然不同的光伏產品的光電轉化效率、熱性能存在差異，但是它們有各自適用的立面場景。以碲化鎘電池為例，在弱光條件下其性能表現更佳[13]；此外，當前研究實驗是夏季進行的，BIPV立面的光伏選材需要根據設計與技術目標綜合考慮光伏產品全年的性能表現，以及光伏系統經濟性[14]、能源回收期和溫室氣體排放回收期[15]等因素。

（2）透光BIPV立面中的光伏產品

基于綠色建筑“少費多用”的理念和BIPV產品的一體化特征，光伏構件在透光立面圍護結構中的應用往往可以集成多種功能。BIPV產品不再局限于發電，還可結合建筑遮陽、余熱利用等技術優化特定能源目標，拓展建筑節能的維度。

光伏遮陽設備兼具了遮熱和光伏產能兩方面效益，可以有效減少夏季室內得熱，從而減少建筑制冷能耗，因此尤其適用于我國夏熱冬暖地區等炎熱氣候區。例如中國廣州珠江城大廈在建筑窗檐中加入了光伏組件（圖7），形成了光伏遮陽立面[16]，有效提高了建筑的節能潛力。但需要注意的是，光伏遮陽設備在不同氣候區的適用性存在差異，其全年總節能潛力應進行綜合模擬評估，以確定最佳設計參數能否滿足預期的建筑能源目標。中國香港理工大學的Zhang等人[17]采用EnergyPlus建筑性能模擬軟件研究了在香港地區將光伏板作為固定式外遮陽構件（圖8）的最佳角度，選取的評價指標包括光伏遮陽系統的熱性能、采光性能和發電性能，即綜合考慮了遮陽設備導致的冬季供暖和人工照明能耗的增加。結果表明，不同能源目標導向的光伏遮陽構造的最佳設計角度并不相同——光伏遮陽構造傾斜角度為30°時，光伏系統的擬軟件數據顯示，在溫和地區的設定情況下，該系統的總節能率可達25%；如果在炎熱氣候應用該構造，其綜合節能效果可能更好。

圖7.中國廣州珠江城大廈項目中的光伏遮陽一體化設計（圖片來源：參考文獻[16]）

圖8.固定式光伏外遮陽系統示意圖（圖片來源：參考文獻[17]）

圖9.中國北京旭輝零碳空間示范項目中的光伏玻璃（圖片來源：素樸工作室）

（2）性能可調光伏幕墻

光伏幕墻可以整合通風可調、傳熱可調等功能，從而根據環境變化或室內人員需求做出快速響應，以實現建筑節能目標。以通風性能可調幕墻為例，由于雙層幕墻空腔的溫室效應，當空腔關閉時，在太陽輻射主導作用下，其內的溫度會比開啟狀態下的溫度更高，因此在不同季節，開啟和關閉BIPV幕墻可以在一定程度上改進室內熱舒適。例如韓國農村研究所未來農業部的Lee等人[24]在一間南向辦公室安裝了一種通風和發電性能可調的BIPV幕墻系統（圖13），并通過軟件模擬與性能實測結合的方式，針對該幕墻原型研究了不同季節調控策略的節能潛力。冬季和夏季該幕墻有不同的操作模式——冬季關閉光伏組件減少對流換熱，夏季則通過開啟光伏組件增加對流換熱；此外，在夏季，當角度可調的光伏組件開啟時，太陽能電池由垂直轉變為傾斜，增加了光伏表面輻射量，一定程度上提高了光伏系統的產能。實驗結果顯示，該構造可以有效改進冬季室內熱舒適，還可以降低夏季至少10%的制冷能耗。

（3）光伏智能窗

將性能可變材料集成于BIPV窗系統中形成的光伏智能窗，具有就地發電、不額外占用空間等優點。整合了變色玻璃的光伏器件在變色過程中，太陽輻射透過率和可見光透過率均會發生改變，因此未來如果能將相關構造應用于窗系統中，將實現巨大的減碳效益。例如意大利CNR納米科學研究所的Malara等人[25]研發了一種電致變色智能光伏組件（圖14），其可以實現光伏發電的同時，調整其光學透過率，即改變室內得熱與采光分布情況，可以有效降低建筑制冷能耗水平。而英國諾丁漢大學的Connelly等人[26]研制了一種新型光伏熱致變色窗模塊（圖15），該組件中的熱致變色層可以根據環境溫度變化被動地呈現出不同的透光性能，智能地調控室內得熱與采光，實現節能目標——冬季室外溫度較低，光伏智能窗呈現透明狀態，可以有效增加太陽輻射室內得熱量；夏季室外溫度較高，窗戶呈現半透明狀態，與之對應的太陽輻射室內熱增益減少。但是應當注意的是，變色玻璃在窗系統中應用時需要評估其變色能力的循環穩定性，因為這可能會在一定程度上限制BIPV智能窗的使用壽命。

2.3.整合設計

隨著國內外綠色標準的推廣普及，以及各類光伏產品的市場化，BIPV立面項目應關注設計與技術的深度整合，避免以光伏系統發電量作為唯一設計目標，旨在保障建筑外觀效果、集成優化建筑采光傳熱等多方面性能。具體而言，BIPV立面項目的整合設計可以從建筑單體、建筑與周圍環境兩個層面開展優化設計。

（1）建筑單體整合設計

整合設計導向的BIPV立面建筑單體，應采取適宜的外觀設計與技術策略來回應建筑空間功能、所處的氣候環境等，使得光伏系統與建筑單體具有良好的協調性。BIPV產品不只是簡單的立面構件，還在建筑外觀效果、建筑性能優化、空間利用等方面兼顧一定支持作用。例如位于韓國首爾的FKI大廈（圖16-a）的折線形建筑立面，交替地采用了晶硅光伏組件和采光玻璃，營造了立面形態整齊的韻律感，同時，光伏系統還可以有效滿足建筑能耗需求。該項目的光伏板與采光玻璃的角度經過了精細化設計，二者分別設置為30°和15°（圖16-b），以保證不透光的光伏部分發電量最大和透光部分輻射得熱最小化[27]，實現了建筑美觀與性能優化的協調統一。而在中國河北省的“2021國際太陽能十項全能競賽”的草原方舟項目（圖17）中，設計團隊采用了屋頂立面一體化光伏設計，基于玻璃襯底的碲化鎘電池可以在日間反射出周圍景物及天空的鏡像效果，具有創新性。此外，該項目的光伏構造的傾斜角度經過預先的模擬計算，確保可再生能源系統發電量充足。光伏構造背后還預留出了空腔，便于維修人員進入空腔中檢修機電系統，還可以用于儲物，實現了空間的高效利用；性能優化層面，此空腔還保證了光伏電池的有效散熱——防止溫度過高導致的光伏系統損壞或光電轉化率降低。因此，草原方舟的BIPV設計將建筑外觀效果、光伏系統產能、閑置空間綜合利用等多項要素自然地集成在一起，實現了整合優化設計。

（2）建筑與周圍環境整合設計

BIPV立面的外觀效果設計應當保證與周圍環境有良好的協調效果，在光伏立面設計的過程中應當充分關注建筑所在片區的城市街道肌理、場地周圍建筑的體量模數、場地周圍建筑表皮的色彩與材料等；BIPV立面技術的應用還應考慮建筑本體對太陽光的自遮擋，或場地環境對建筑立面光伏系統的遮擋（圖18），以減少因遮擋現象導致的光伏系統發電量的折損[28]。

圖10.瑞士科技會展中心的染料敏化光伏立面（圖片來源：參考文獻[20]）

圖11.瑞典 Vallastaden 立體車庫的彩色幕墻（圖片來源：參考文獻[21]）

圖12.動態BIPV 遮陽系統的構造原型（圖片來源：參考文獻[23]）

圖13.一種性能可調的光伏雙層幕墻（圖片來源：參考文獻[24]）

圖14.光伏器件變色前后的光學透過效果（圖片來源：參考文獻[25]）

3.總結

BIPV立面可以有效利用可再生能源實現產能，不僅降低了建筑能耗水平，還可以優化建筑外觀效果，是一種極具前景的建筑技術。本文基于國內外建成項目與前沿研究中的BIPV立面原型，提出了BIPV立面技術的應用思考，相關討論與分析可以為未來的設計實踐提供參考或啟示。豐富的光伏產品滿足了建筑不同的功能與場景需求，性能可調策略提高了建筑節能潛力，整合設計方法實現了外觀效果與性能目標的協同優化。BIPV立面在建筑的設計與技術兩個維度有著長足的應用前景與推廣價值，將會在我國“2030碳達峰”、“2060碳中和”背景下助力打造越來越多的可持續建筑。

圖16.韓國首爾FKI 大廈

圖15.光伏智能窗在夏季和冬季具有不同的光學透過率（圖片來源：參考文獻[26]）

圖17.草原方舟采用的BIPV 技術

圖18.BIPV 項目受到的太陽輻射遮擋（圖片來源：參考文獻[28]）

本研究由國家自然科學基金項目(52078264)支持