首页、鼎点娱乐主管首页，浅析光伏技术在建筑设计中的应用原则与策略摘要：在能源问题日益突出的今天，降低能耗已成为全社会的共识。建筑作为耗能大户正面临节能减排的严峻挑战，本文通过结合设计作业介绍了光伏技术在建筑中应用的可能性、应用策略及原则，意在说明光伏技术对于降低建筑能耗的巨大作用，并阐述了将光伏技术融入建筑设计的一般方法和注意事项。关键词：建筑与太阳能一体化、光伏技术、建筑设计据住建部统计,我国现有建筑430亿平方米，另外每年新增建筑16~20亿平方米左右，目前我国建筑相关能耗占全社会能耗的467%，这其中包括建筑的能耗包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等约30%，以及建材生产过程中的能耗167%。而现在我国每年新建建筑中，99%以上是高能耗建筑，而既有的约430亿平方米建筑中，也只有4%采取了能源效率措施。这些数据说明我国整体建筑行业要顺应社会发展进行节能减排面临着巨大挑战。在我国，绝大部分的建筑能耗都来自其建成后的运行过程，并且绝大部分建筑根本没有采用能源效率措施。在这样一个大背景下，在建筑设计中应用光伏技术以降低建筑的能源消耗正在成为建筑行业重要的节能减排途径。光伏技术的原理是利用一些半导体材料在光线照射下会产生电子跃迁现象的特性，将光能转化为电能的技术。常用的光电池主要由硅制成，依光电池中硅的不同形态分为单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池，不同类型的光电池具有不同的物理外观和光电转化率。目前光伏技术在我国建筑行业中的应用还处于初级阶段，一方面我国没有形成连续的完善的且面向建筑行业的光伏产业链；一方面在建筑设计中应用光伏技术也没有系统的设计方法。因而造成的现状就是有些建筑可能采用了光伏技术，但是建筑设计和光伏技术并没有有机地联系在一起，比如有时我们会看到太阳能光伏发电阵列机械地通过钢架一排排布置在建筑屋顶上，但与建筑的一体化程度并不高。采用光伏技术是值得鼓励的，但如果我们要依靠光伏技术解决我们面临的节能减排重大课题时，仅仅是应用还远远不够，作为建筑师，我们还必须考虑建筑的美学要求及建构的逻辑关系，因此我们追求建筑与太阳能一体化（BuildingIntegratedPhotovoltaic即BIPV）。BIPV要求将光伏技术同建筑设计有机结合起来，在实际设计过程中，这种要求诉诸于形式就表现为光伏技术同建筑构件的有机融合以及光伏技术同建筑本身的有机融合。作为建筑师，如果要想在建筑设计中应用光伏技术并尽量做到建筑与太阳能一体化，首先要了解光伏技术的基本知识，其次要了解面向建筑行业的光伏产品的种类和类型，最后则要发挥掌控全局的能力努力寻求光伏技术的合理切入点。在这样一个过程中，我认为以下四点需要尤其重视。其一，收集和分析项目所在地的气象数据是进行BIPV设计的基础。收集建筑所在地的环境信息是进行建筑设计的基础，当建筑采用光伏技术时我们首先需要了解当地的太阳能资源处于什么水平，是否适合采用相应的光伏技术。反应当地太阳能资源情况的主要有年日照时数（h）和年辐射总量（MJm）两个物理量，这两个数据的值越大说明当地的太阳能资源越丰富。影响一个地区的太阳能资源丰富程度的因素很多，当地的海拔高度、当地的纬度、当地的污染程度等都对以上两个物理量有影响，而其中最具影响力的是海拔因素。一般来说纬度低而海拔高且空气污染程度小的地区太阳能资源最为丰富。结合我国的地理特点，我们大致可以总结出以下特点：首先太阳能分布由东向西逐渐丰富，以青藏高原为最丰富；其次太阳能资源的丰富程度自南向北逐渐递减；最后郊区相对于城市拥有较好的太阳能资源。我国的青藏高原就符合以上所说的特征因而拥有绝佳的太阳能资源，拉萨市全年多晴朗天气，年日照时间为3000小时以上，素有“日光城”之称；而四川盆地因为地势低洼，其太阳能资源尚不及高纬度地区的黑龙江省的部分地区。作为建筑师应当对太阳能资源的分布规律有大致了解，具体到项目本身所在地的确切太阳能资源分布情况则可以查阅当地的气象资料和相关手册，这些普遍规律则能够在设计初期起到正确引导思维，避免原则性错误的作用。其二，寻找合适的一体化切入点是进行BIPV设计的中心环节。作为建筑师要找寻这个切入点需要考虑到许多因素。技术上，建筑师必须通过方案比较确定光伏构件放在建筑的什么部位才能够发挥最大效率，比如通过计算机模拟确定将光伏发电板布置在建筑的西墙还是建筑的屋顶。美学上，建筑师必须在形式美原则的大框架下将光伏构件有机结合到建筑特定部位的构件上，或是干脆将光伏构件组成建筑的特定部位。要平衡这两点是不容易的，就BIPV而言，光伏构件的设置主要分为两类，一类是屋顶BIPV系统；一类是立面BIPV系统。屋顶BIPV系统依建筑本身屋顶的不同又可分为平屋顶BIPV系统、坡屋顶BIPV系统以及异形屋顶BIPV系统（如诺曼福斯特主持的德国议会大厦改造方案）。立面BIPV系统根据光伏构件的位置不同一般分为BIPV遮阳系统和BIPV幕墙系统。每一种细分类都有自己独立的结构、技术以及美学体系，因此也就具有不同的一体化体系。坡屋顶BIPV系统的光伏构件主要是光伏发电板，在处理光伏发电板与坡屋顶的一体化关系时，我们要从形式、材质关系、构造细部等方面综合考虑。具体来说，我们将光伏发电板紧贴倾斜屋面，这样光伏构件与建筑屋顶保持了一致的倾斜角度，这种安排方法当然比用钢架将之水平搁置在屋面上的一体化程度高；其次光伏光电池的颜色应当尽可能与它四周的瓦片颜色保持一致，至少相近而不显得突兀；再次我们考虑光伏发电板与屋顶构造层次之间的连接关系，如果光伏发电板能够成为屋顶保温层的保护层，那么就又增加了一体化程度；最后我们考虑光伏发电板的布线问题，如果光电板的逆变器能够隐藏在其后方，各发电板的线路能够综合布置在一个线槽内，就达到了了比较理想的一体化程度了；或许我们也可以使用采用了薄膜光伏技术的光伏瓦片来代替传统瓦片材料，那么一体化程度可能会更高，并表现出完全不同的美学特征。BIPV幕墙系统用光电板代替了传统的玻璃嵌板，相对于BIPV屋面系统来说，它必须拥有较高的一体化程度才能产生比较理想的立面效果，而这在很大程度上依赖于构件本身的精致性以及构件搭接的精确性。BIPV幕墙系统通过调整光电池之间的间隔来控制光线的透过率，实际环境下由于存在光的衍射作用，室内并不会偏暗。如果工艺过硬，装配精良，BIPV幕墙系统能够营造非常富有韵律的室内光环境。这种效果即满足技术要求又符合建构逻辑，体现出了可持续建筑独特的内部协调性。值得一提的是，对于光伏技术以及其它节能技术的大众美学观念尚未完全形成，对于采用了这些技术的建筑，怎样的一种形式才是“美”的还无确定的指导原则，即使按照形式美法则进行设计也不能充分发掘其美学特征，这种来源于技术本身的美感一方面有赖建筑师努力发掘；另一方面也需要得到大众的普遍认可。其三，估算投入产出值是进行BIPV设计的有力依据。如今随着BIM技术的飞速发展，我们几乎可以再建筑尚未动工之时就模拟出它全生命周期的表现，这也为光伏技术的应用提 供了收益预测。具体到实际工程，建筑师们往往要面对有限的工程预算，且光伏系统的造价 目前而言并不便宜而其收益则是相对缓慢和长期的，因此建筑师掌握估算 BIPV 系统投资与 产出的方法对于估算项目造价和说服投资方追加造价有重要作用。BIPV 的效益应当着眼于 建筑的全生命周期，尽管会增加前期造价，但业主能够因此获得长久而免费的能源供应，除 去经济利益外，其社会效益同样值得考虑。下面将结合设计作业介绍 BIPV 投入产出的计算 方法，此方法采用人工手算，仅用于前期估算，更为可靠的计算则可以借助计算机模拟完成。 设计作业一： 此项目为商业综合体，项目位于山东日照市。日照市太阳能资源较为丰富，年日照时数 2405 小时，水平面太阳辐射照度为7367Wm 至18时），项目的太阳能电池板总表面积 为1195m ，本项目采用自动跟踪型光伏发电板，将提高40%的日照时数。发电年收益： 光伏发电板接收的年太阳辐射功率为： 7367Wm （2405h1412h）=2480468900W此处取光电转化率为20%，则转化后的电功率为： 2480468900W02=496093780W=49609378kW 即每年的发电量为49609378kWh 按照商业电价1 元度计算，每年可以节约电价496093 成本计算：系统小时电功率为： 49609378kWh（240514）=147340W 太阳能光伏发电板成本为20 元W，共计为： 20 元W147340W=2946800 逆变器成本为0625元W，共计为： 0625 元W147340W=920875 总成本为：2946800 元+920875 元+100000 元=31388875 收回成本时间：31388875 元496093 元年=63 年，最多7 年就可收回太阳能光伏发电系统的投资 剩余年限收益： 太阳能光伏发电板的寿命通常在25 年左右，在余下的187 年中，系统的总收益为： 496093 元年187 年9276940 政府补贴：根据财政部[2009]397 号文件第4 章第七条规定，项目最多将获得总投资50%的资金补助。 补助资金为：31388875 元051600000 系统净收益：9276940 元+1600000 元=10876940 设计作业二：此项目为公共厕所，项目位于安徽合肥市。合肥市太阳能资源较为丰富，年日照时数 2100 小时，水平面太阳辐射照度为8120Wm 至18时），项目的太阳能电池板总表面积 为119m 发电年收益：光伏发电板接收的年太阳辐射功率为： 8120Wm （2100h12h）=169099000W此处取光电转化率为20%，则转化后的电功率为： 169099000W02=33819800W=338198kW 即每年的发电量为338198kWh 按照商业电价1 元度计算，每年可以节约电价33820 成本计算：系统小时电功率为： 338198kWh2100h=16105W 太阳能光伏发电板成本为20 元W，共计为： 20 元W16105W=322093 逆变器成本为0625元W，共计为： 0625 元W16105W=10065 总成本为：322093 元+10065 元+20000 元=352158 收回成本时间：352158 元33820 元年=104 年，最多11 年就可收回太阳能光伏发电系统的投资 剩余年限收益： 太阳能光伏发电板的寿命通常在25 年左右，在余下的146 年中，系统的总收益为： 33820 元年146 年493772 政府补贴：根据财政部[2009]397 号文件第4 章第七条规定，项目最多将获得总投资50%的资金补助。 补助资金为：352158 元05176079 系统净收益：493772 元+176079 元=669851 通过这种估算，建筑师对于光伏系统的投资与收益就会有一个大致的了解，对于说服业主和投资方在方案中应用光伏技术提供了有力支撑，因为单纯的数字对于业主或投资方来说 可能更具吸引力。通过以上两个案例我们可以得出以下结论：其一，即使是在合肥这样的太 阳能资源分布四类地区，布置光伏构件依然能够带来可观的能源收益；其二，光伏技术的应 用规模越大，越有利于较早地收回前期成本，这是因为系统的安装费用等与光伏技术的应用 规模并不成线性相关的缘故。 其四，政府政策是推动 BIPV 设计的强大动力。欧美和日本早在十年前就制定了相关鼓 励措施，优先将光伏技术应用在政府机构建筑和商业建筑中，并向居住建筑中渗透，对于那 些自愿在住宅中安装光伏构件的住户，政府不但一次性补贴材料和安装费用，并且在系统运 行过程中，在满足住户自身需求的基础上还可以通过电网向外部供电，抵消部分住户的用电 费用。建筑师对于这些政策的了解有助于最大限度地争取政府支持以降低前期投入。 目前我国也制定了一些相关的激励政策，如财政部[2009]397 号文件等，但从宏观上看 并没有实现系统性的政策体系，也未在整个行业形成积极应用光伏技术的共识。对比一些太 阳能技术发达的国家，我们尚有很长的路要走。 随着光伏技术的进一步发展和建筑师对 BIPV 理解的加深，光伏技术在建筑上的应用将 逐步普及并在客观上催生一下几方面的现象：其一，越来越多的建筑师与普通民众将认识到 BIPV 设计的正确性；其二，光伏技术将同其它节能技术一道综合应用于建筑设计中去；其 三，各种主动式节能技术的应用，包括光伏技术的应用将带来新的建筑形式并形成新的美学 观念；其四，借助于 BIM 平台对各项节能措施进行评估将会更加准确更加全面；其五，光 伏技术以及其它节能技术的发展及其在建筑中的应用将促使建筑师学习相关知识，形成更加 全面的知识结构体系。 总而言之，光伏技术在建筑中的应用一方面将缓解当下建筑与能源之间的尖锐矛盾；另 一方面也在客观上推动着整个建筑行业向更加绿色的方向发展。在这样一个背景下，建筑师 是否拥有相应的基础知识，是否拥有统筹协调的能力将成为光伏技术能否有机融入建筑设计 的关键，从长远来说也是建筑行业能否迅速转型的关键。 参考文献： 《Designing wi th solar power》 Deo Prasad《建筑热环境》 ntegratedPhotovol taic Designs CommercialBuildings Patrina Eiffert