住宅建筑光伏一體化設計探究

摘 要：隨著全球能源危機和環境污染問題的不斷加劇，可再生能源的開發與利用早已被各個國家置于重要位置。作為清潔能源的重要代表，太陽能光伏技術憑借其獨特優勢，在全球范圍內得到了廣泛的推廣與應用。特別是在住宅建筑領域，光伏技術與建筑設計的深度融合——住宅建筑光伏一體化，不僅顯著提升了建筑的能源效率，降低了碳排放，還為居民提供了清潔、安全的電力供應。因此，深入研究住宅建筑光伏一體化的設計策略，對于推動建筑行業向綠色低碳、節能減排、可持續方向發展，以及實現全球能源轉型和環境保護目標，具有重大的戰略意義和實際價值。

關鍵詞：光伏建筑一體化；BIPV；太陽能利用；設計策略；低碳發展

一、光伏建筑一體化簡介

光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）是一種太陽能電池集成到建筑上的前沿技術，讓建筑在為我們提供生活娛樂空間的同時，也成為能源的創造者。隨著光伏技術的持續創新和公眾對綠色建筑需求的增長，光伏建筑一體化技術逐漸發展壯大，助推建筑行業邁向綠色、低碳未來。

光伏建筑一體化技術的獨特之處在于，它將光伏組件與建筑材料融為一體，使建筑本身成為發電系統的一部分。這不僅提升了建筑的能源利用效率，還增強了建筑的自我供應能力，降低了對傳統電網的依賴。此外，光伏建筑一體化技術的優勢還在于能夠替代傳統建筑材料，減少建筑物的熱量損失，進而降低建筑物的能源消耗和運營成本。除了技術層面的優勢外，光伏建筑一體化還為建筑設計提供了更廣闊的創新空間。光伏組件的色彩和紋理為建筑師提供了豐富的設計靈感，使得建筑外觀更加獨特和美觀。

與簡單地將光伏系統附著在建筑上（Building Attached Photovoltaic，BAPV）的方式相比，光伏建筑一體化實現了光伏與建筑的深度融合。光伏組件不僅是建筑的一部分，而且能夠履行建筑材料的多種功能，如遮風避雨、透光隔熱等。相比之下，BAPV只是通過簡單的支撐結構將光伏組件貼附在建筑上，大多是對建筑的光伏化改造，并不參與建筑的主要功能。因此，光伏建筑一體化真正實現了光伏技術與建筑設計的深度融合，是名副其實的“一體化”。

二、光伏建筑一體化類型

光伏建筑一體化按照所使用的材料，可以大致分為晶硅型和薄膜型兩大類。目前市場上，晶硅型電池占據主導地位，這得益于其高效的光電轉換率、緊湊的尺寸、較低的空間占用以及成熟的生產技術，因此占據了太陽能光伏市場的顯著份額。隨著晶硅型電池的不斷發展，目前單晶硅的光電轉換效率最高可以達到驚人的24%，而多晶硅也穩定在18%左右[1]。這意味著晶硅型電池在清潔、可再生能源的供應方面展現出更高的效率和更優的經濟性。

薄膜型電池市場則主要由碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）和鈣鈦礦太陽能電池構成。其中薄膜型電池的量產效率約為15%，由于其相較于晶硅型電池的整體技術尚顯不足，因此在光伏電池總產量中，薄膜電池的占比相對較低[2]。但薄膜型也有晶硅型不具備的優勢，如可調控的透明度、卓越的弱光性能、更佳的溫度系數，以及更易于與建筑立面融合的特點。這些特性使得薄膜型電池在光伏幕墻市場中占據了一席之地，為建筑的整體風格和外觀效果增添了新的可能性。

在建筑設計中，色彩和比例是塑造建筑視覺形象的關鍵因素。光伏組件的多樣色彩和紋理為建筑師提供了豐富的靈感和元素[3]。單晶硅光伏材料顏色比較單一，通常以藍色、褐色或黑色呈現。多晶硅光伏材料表面有結晶狀花紋，顏色一般為深藍、褐色或淡紫色。薄膜光伏材料則可以展現出豐富多彩的顏色，如紫色、綠色、深紅色等。現在市場上已有多種基于碲化鎘材料的光伏板材。這些產品不僅模仿了傳統建筑材料的外觀和質感，還具備卓越的光伏性能，為建筑師提供了靈活的設計選擇（圖1）。

三、住宅建筑與光伏結合方式

根據建筑與光伏組件的結合方式，住宅建筑的光伏應用可被劃分為兩類：傳統型光伏應用和建筑集成光伏應用。這兩種形式共同構成了“光伏建筑”或“建筑光伏”的概念。傳統型光伏應用指的是太陽能電池板被安裝在住宅建筑的外表面。這種安裝方式確保了在維護和更換電池板時，不會對住宅的居住功能造成任何干擾。建筑集成光伏應用則更進一步，它將太陽能電池與建筑材料或建筑構件緊密結合，形成一體化的光伏組件。這種“光伏與建筑一體化”的理念，強調了光伏系統的安裝與建筑的設計及施工過程的同步進行。在這種形式下，光伏組件不僅是建筑的組成部分，更是其不可或缺的核心要素。光伏組件與住宅建筑有機集成在一起，主要可以分為四種形式：平屋頂、坡屋頂、建筑立面與建筑構件[4]。

（一）平屋頂建筑的光伏利用

平屋頂作為現代住宅建筑的主流形式，其構造簡潔且適用性廣泛。當它與光伏組件結合時，常采取平鋪的策略，不僅保持了建筑的外觀美感，還實現了綠色能源的生產。考慮到地球不同緯度地區太陽高度角的差異，安裝光伏組件時，往往需要選擇最優的傾角，以確保最大限度地接收太陽輻射，從而提升發電效率。在實際操作中，根據屋頂不同部位的特點，可以靈活調整安裝角度。例如：在主屋面部分，傾向于選擇最佳傾角以獲取最多的太陽輻射；而在如屋面構件、樓梯電梯間屋頂等細節區域，為了保持建筑的整體美感，可能會選擇水平安裝，以確保不破壞建筑的整體造型。

巴西里約熱內盧Recreio社區是一個光伏與公寓類住宅結合的優秀案例，是一個兼具現代感與技術性的摩登建筑（圖2、3）。該項目在屋頂安裝了833塊435瓦的晶硅型光伏板，總容量約為377千瓦。經計算，每年可發電約45萬千瓦時，相當于減排350噸二氧化碳。該項目已于2021年實現并網，用于社區的電力需求，實現了小區的社會效益和經濟效益雙贏。

（二）坡屋頂建筑的光伏利用

坡屋頂的形態豐富多樣，包括單坡、雙坡和四坡等多種形式。在安裝光伏組件時，坡屋頂的設計往往順應其自然的坡度。一種常見的安裝方法是，在坡屋頂上安裝支架，將光伏組件穩固地附著在上面；另一種創新做法則是直接使用光伏瓦片替代原有的屋頂瓦片，使得光伏組件成為屋頂結構不可或缺的一部分。在低層住宅中，坡屋頂的應用尤為廣泛，與光伏的結合效果也更為突出。近年來，一些老舊建筑在進行“平改坡”的改造過程中，巧妙地融入了光伏技術，取得了不同凡響的成果。

在湖北省荊州市的八嶺山鎮，一項創新的光伏項目正在改變村民的生活。該項目在每戶居民的屋頂上安裝了10千瓦的分布式光伏系統，總計500千瓦，覆蓋了50戶家庭。這一舉措不僅促進了農民的增收致富，而且充分利用了可再生資源，推動了綠色能源的生產和利用（圖4）。而在荷蘭的蒙特福德小鎮普爾特街29—47號，一排獨特的“主動式住宅”引人注目。這些住宅經過改造，融入了威盧克斯和丹佛斯的一體化太陽能解決方案。這些住宅在位于西向入口的屋頂上安裝了總面積達21平方米的光伏板。據建筑師介紹，與改造前相比，這些住宅的日常能量使用減少了約80%至90%（圖5）。

（三）建筑立面的光伏利用

盡管多層和高層住宅的建筑墻面面積遠大于屋頂面積，從而提供了更豐富的太陽能資源，但住宅的南立面往往開有洞口巨大的采光窗。因此，光伏組件的安裝必須確保不影響室內的自然采光。在實際操作中，光伏組件通常被掛附在建筑墻面的外側，與立面的外部裝飾元素融合。對于配備玻璃幕墻的建筑，光伏組件甚至可以直接嵌入幕墻結構中，直接作為建筑的設計語言，又能有效地利用太陽能。

西安隆基集團總部大樓的光伏幕墻巧妙地平衡了太陽能技術與建筑設計，使太陽能與普通幕墻和諧共存，形成良好的外立面效果（圖6）。該項目裝機容量達到183.94千瓦，據預計，在25年的使用期內，其年平均發電量將達到10.4萬千瓦時。這不僅有助于節約近826噸的標準煤，還能分別減少二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物的排放量約為2 590噸、78噸以及39噸。從環保角度來看，這一成果相當于種植了58棵樹。而在山西大同的未來能源館（圖7），設計師們則通過建筑外表面實現了光伏建筑一體化技術的應用，裝機容量高達1兆瓦。該項目的外立面創新地采用了1 300多片白色仿鋁材型碲化鎘薄膜組件，不僅滿足了光伏建材與建筑物結合的設計理念，還充分展現了綠色建筑技術的魅力。

（四）建筑構件的光伏利用

在建筑立面上集成光伏組件，除了與墻面和幕墻的緊密結合外，還可以與建筑立面的構件元素相融合。其中，陽臺和遮陽構件是最常見的結合點，它們共同構成了一種創新的發電模式——發電遮陽板和陽臺板。

當光伏組件與遮陽構件結合時，遮陽板的角度設置需要特別關注。為了確保光伏組件能夠獲得最佳的發電效率，通常建議按照最優的傾斜角度進行安裝。此外，除了防止上下遮陽構件之間的相互遮擋，還必須確保不影響室內太陽光線的接收（圖8）。陽臺，通常是建筑外觀的突出部分，由于其較少受到遮擋，因此成為安裝光伏組件的理想之地。陽臺外掛的光伏組件（圖9）可以根據需要進行垂直布置，或者按一定的角度進行傾斜布置。這種設計不僅為建筑增添了一份獨特的美感，同時也充分利用了陽臺的表面太陽輻射，實現了能源的高效利用。

四、結語

BIPV，即光伏建筑一體化，是推動建筑業走向低碳、綠色和可持續發展的關鍵路徑之一。隨著光伏產業的飛速發展，光伏產品價格不斷下探，且品種日趨多樣，為建筑設計師提供了前所未有的選擇與創意空間。這些光伏產品不僅滿足了建筑的美學需求，更以其獨特的創新魅力，為建筑造型注入了新的活力與機遇。

在建筑中，光伏技術可以靈活結合于多個部位，以最大化其效用。屋頂作為最理想的安裝位置，不僅提供了廣闊的安裝面積，還確保了最佳的太陽輻射條件。此外，墻面和建筑構件也是常見的光伏應用場所。設計師在建筑設計初期就應考慮如何將光伏技術巧妙地融入建筑表面，從而提高其能源轉換效率，實現太陽能的高效轉化。

隨著光伏技術的持續創新與進步，光伏建筑一體化將在未來建筑設計中占據更加核心的地位。它不僅能為建筑提供清潔、可再生的能源，更將推動建筑行業邁向更加環保、綠色的未來。因此，建筑師和設計師應深入挖掘光伏建筑一體化的應用潛力，將其全面融入建筑設計的各個環節，共同為人類創造更加美好、宜居的生態環境。

參考文獻：

[1]李寧.光伏電站效率提升策略研究[J].中國設備工程，2023（7）：101-103.

[2]劉佳鷺.中國光伏產品在建筑可再生能源設計的應用現狀及展望[J].建筑科技，2022（6）：6-8.

[3]徐燊，廖維，黃靖.太陽能景觀的集成設計[J].中國園林，2014（2）：119-124.

[4]徐燊，黃靖.太陽能建筑設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2015：125-131.

作者簡介：

雷詠潤，河南工業大學碩士研究生。研究方向：建筑技術科學。

張華（通訊作者），博士，河南工業大學建筑學副教授，碩士研究生導師。研究方向：綠色建筑設計和太陽能建筑設計。