摘要: 在世界能源危機(jī)與生態(tài)危機(jī)的大背景下,充分利用太陽(yáng)能這種可再生的清潔能源對(duì)節(jié)約資源 與保護(hù)環(huán)境具有重要意義。 光伏發(fā)電系統(tǒng)作為利用太陽(yáng)能的一種有效途徑已得到廣泛關(guān)注, 但在與建筑表皮結(jié)合的過(guò)程中由于一體化程度低往往會(huì)帶來(lái)立面效果差、發(fā)電量不足等問(wèn) 題。 通過(guò)結(jié)合建筑不同位置不同構(gòu)件來(lái)探討光伏與建筑表皮的一體化設(shè)計(jì)策略,使光伏與建 筑表皮有機(jī)結(jié)合,在充分利用太陽(yáng)能的同時(shí)美化建筑立面效果,對(duì)建筑師的光伏與建筑一體 化設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。
關(guān)鍵詞: 光伏系統(tǒng); 建筑表皮; 一體化設(shè)計(jì)
0 引言
世界能源危機(jī)與生態(tài)危機(jī)的出現(xiàn)使人們對(duì)清潔 能源的使用及環(huán)境保護(hù)提高了重視,太陽(yáng)能作為一種 可再生的清潔能源成為了人們視線中的焦點(diǎn),光伏系 統(tǒng)可以將太陽(yáng)能有效轉(zhuǎn)化為電能,技術(shù)日趨成熟與完 善,但在建筑的應(yīng)用中經(jīng)常存在由于一體化設(shè)計(jì)程度 低帶來(lái)的建筑立面效果雜亂無(wú)章、發(fā)電量不足等問(wèn) 題。 建筑表皮被稱(chēng)作是建筑的“名片”,是展現(xiàn)建筑形 象的一個(gè)重要窗口,由于可以直接獲取陽(yáng)光并直觀地 體現(xiàn)先進(jìn)的材料技術(shù)理念,所以也是光伏組件與建筑 結(jié)合的最佳部位。 因此,為推廣光伏系統(tǒng)在建筑中的 應(yīng)用,使運(yùn)用光伏系統(tǒng)的建筑立面效果更加美觀,探討光伏與建筑表皮的一體化設(shè)計(jì)策略具有重要意義。
本文將從建筑表皮的屋頂及立面兩個(gè)層面,針對(duì) 不同的部位及構(gòu)件分別探討與光伏的一體化設(shè)計(jì)方 法,使光伏組件作為表皮設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本要素,達(dá) 到與建筑相得益彰的效果,展現(xiàn)建筑的時(shí)代性及技術(shù) 的先進(jìn)性,為推動(dòng)光伏系統(tǒng)在建筑中的合理應(yīng)用提供 借鑒與參考。
1 光伏與建筑表皮一體化
建筑光伏一體化設(shè)計(jì)(Building Integrated Photovltaic, 下文簡(jiǎn)稱(chēng) BIPV)是指將光伏系統(tǒng)作為一種元素與建筑 物集成在一起,把按照要求做好的光伏組件按照一定 的原則和方法安裝在建筑的屋頂、墻面或其他構(gòu)件 上,使光伏組件與建筑表皮成為一個(gè)有機(jī)的整體,實(shí)現(xiàn)各方面最優(yōu)化的結(jié)果。
隨著當(dāng)今建筑行業(yè)材料技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展,建 筑表皮代替了傳統(tǒng)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在人們的視 野中,由于它突出的表現(xiàn)力故常被稱(chēng)作是建筑的“名 片”。 光伏系統(tǒng)與建筑表皮一體化設(shè)計(jì)具有如下優(yōu) 點(diǎn):(1)建筑表皮作為光伏系統(tǒng)的載體省去了光伏系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)支撐體系,節(jié)省了用地面積。 (2)光伏系統(tǒng) 除了具有自身發(fā)電功能以外還可代替原本的建筑材 料,因此節(jié)省了常規(guī)材料的使用費(fèi)用,光伏與建筑一 體化程度越高節(jié)省的安裝成本就約越低。 (3)白天是 辦公、商業(yè)等建筑的用電高峰期,同時(shí)也是光伏系統(tǒng) 發(fā)電的有效期,所以光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)用電高峰期具有 調(diào)節(jié)作用。 (4)光伏系統(tǒng)與建筑表皮的一體化設(shè)計(jì)能 夠體現(xiàn)現(xiàn)代建筑技術(shù)的優(yōu)越性,展現(xiàn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理 念。 (5)光伏系統(tǒng)能夠在一定程度上改善建筑表皮的 熱工性能。
2 光伏與建筑屋頂一體化設(shè)計(jì)策略
由于光伏與建筑屋頂相結(jié)合的能源回收期時(shí)間 要小于光伏與立面相結(jié)合的時(shí)間,所以 BIPV 優(yōu)先考 慮與建筑屋頂?shù)慕Y(jié)合設(shè)計(jì)。 具體設(shè)計(jì)策略如下:
首先,優(yōu)先考慮光伏與坡屋頂結(jié)合。 由于建筑屋 頂通常分為坡屋頂與平屋頂兩類(lèi),坡屋頂可以直接作 為光伏系統(tǒng)的載體,而平屋頂為了保證光伏系統(tǒng)的發(fā) 電率,需要額外安裝結(jié)構(gòu)為光伏系統(tǒng)提供所需的角 度,因此坡屋頂與光伏系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)程度更高, 在條件允許的情況下優(yōu)先考慮光伏系統(tǒng)與坡屋頂?shù)?一體化設(shè)計(jì)。
其次,與平屋頂結(jié)合時(shí)需要注意光伏板對(duì)立面效 果的影響。 當(dāng)光伏板與平屋頂結(jié)合時(shí)一般要將光伏 板傾斜一定角度以增加發(fā)電效率,這個(gè)角度通常為當(dāng) 地緯度加 15°~20°,最簡(jiǎn)單的方法是將光伏板按照一 定的規(guī)律直接擺放在屋頂上,并使在視線所能觸及的 范圍之內(nèi)都具有一定的秩序。 也可以利用結(jié)構(gòu)支撐 將其突出于原有屋頂之上,形成平屋頂之上的第二個(gè) 屋頂層次,成為立面構(gòu)圖重要的一部分起到統(tǒng)一秩序 的作用,如圖 1 所示。 或者將光伏板與立面其他元素 呼應(yīng)統(tǒng)一成為立面構(gòu)圖的一部分,如圖 2 所示該建筑 將光伏板放置于平屋頂上,光伏板傾斜角度與頂層陽(yáng) 光房的斜面一致,二者相互銜接呼應(yīng),使整個(gè)立面效 果整體統(tǒng)一。
第三,將光伏系統(tǒng)與屋頂挑檐結(jié)合。 挑檐是屋面 挑出外墻的部分,光伏與挑檐的一體化設(shè)計(jì)除了具有 常規(guī)挑檐排水、遮陽(yáng)、保護(hù)墻體等作用之外,還具有接 收太陽(yáng)能發(fā)電的作用,是 BIPV 需要考慮的重點(diǎn)部位, 如圖 3 所示案例便將光伏與挑檐進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì),立面效果簡(jiǎn)潔整體。
第四,將光伏系統(tǒng)與透光頂結(jié)合。 在中庭的屋頂 設(shè)計(jì)中可以考慮一種新的組合形式,這種組合形式不 是光伏系統(tǒng)簡(jiǎn)單的依附在屋頂材料外側(cè),而是密封在 透明玻璃中間形成一個(gè)新的組件出現(xiàn)在建筑屋頂中, 由于光伏組件的不透光性和玻璃的透光性,組件之間 拼接組合之后在陽(yáng)光的照射下會(huì)在室內(nèi)形成光斑交 錯(cuò)的效果,在發(fā)電的同時(shí)解決了夏季中庭溫度過(guò)高室 內(nèi)熱舒適性差的問(wèn)題。 如圖 4 所示,丹麥 Brundtland 中心就是其中優(yōu)秀一例,這種方式可以運(yùn)用在有透光 需要的屋頂設(shè)計(jì)中。
3 光伏與建筑立面一體化設(shè)計(jì)策略
在建筑立面上光伏系統(tǒng)主要與墻身、陽(yáng)臺(tái)、及一 些立面遮陽(yáng)構(gòu)件相結(jié)合。
3. 1 光伏與墻身一體化設(shè)計(jì)策略
與建筑屋頂相比,建筑墻身能為光伏系統(tǒng)提供更 多的裝配面積,因此當(dāng)建筑屋頂光伏系統(tǒng)不能滿足建筑所需用電量時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮光伏與墻身的一體化設(shè)計(jì)。 由于光伏系統(tǒng)與墻身結(jié)合時(shí)光伏組件暴露在人們視 野中對(duì)建筑立面效果影響極大,因此在光伏系統(tǒng)與墻 身一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)技術(shù)、藝術(shù)都提出了更高的要 求,具體設(shè)計(jì)策略如下:
首先,將光伏系統(tǒng)與墻身部分結(jié)合。 當(dāng)建筑對(duì)發(fā) 電量要求不大或通過(guò)其他方式已經(jīng)滿足發(fā)電需求時(shí), 考慮光伏系統(tǒng)與墻身的一體化設(shè)計(jì)時(shí)可以采用與墻 身部分結(jié)合的方式。 這時(shí)需要注意構(gòu)件與建筑整體 的關(guān)系,通過(guò)對(duì)比統(tǒng)一、比例與尺度、節(jié)奏和韻律等形 式美規(guī)律使建筑立面達(dá)到整體美觀效果。 當(dāng)光伏和 建筑材料在同一平面上時(shí),光伏材料可以作為點(diǎn)元 素,在主要建筑材料之間作為點(diǎn)綴間隔出現(xiàn)在立面 上,增強(qiáng)立面的趣味性如圖 5(a)所示,也可以作為線 元素與墻面進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),在立面上形成一定的韻 律感,如圖 5( b)所示。 在考慮光伏與墻面的一體化 設(shè)計(jì)過(guò)程中,也可以使墻體自身產(chǎn)生傾斜,這樣更有 利于光伏板的安裝與集熱,而且在立面效果上由于面 的轉(zhuǎn)折產(chǎn)生了一定的變化與節(jié)奏感,面與面之間的陰 影關(guān)系也為遮陽(yáng)提供了便利,這種做法非常好地體現(xiàn) 了一體化的設(shè)計(jì)理念,如圖 6 所示。
其次,將光伏系統(tǒng)與墻身整體結(jié)合形成光伏墻 面。 當(dāng)在墻身整體大面積鋪設(shè)光伏板時(shí),光伏板作為 一種面元素出現(xiàn)在立面中,它作為一種新的建筑材料 替代了傳統(tǒng)建筑材料,光伏材料表面光滑的肌理感及 安裝所需金屬材質(zhì)的組件都給立面帶來(lái)了十足的現(xiàn) 代感和科技感,如圖 7 ( a) 所示。 有些建筑為了獲得 較大的發(fā)電量不僅將墻身整體與光伏板結(jié)合,而且為 了提高采光效率將墻身進(jìn)行一定角度的傾斜, 如 圖 7(b)所示。 在大面積鋪設(shè)光伏板時(shí),除了光伏板 自身材料的顏色、肌理、形狀會(huì)對(duì)立面效果產(chǎn)生影響之 外,光伏板之間的組合排列形式也會(huì)形成一種新的肌理影響立面效果,在一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該充分考慮。
第三,將光伏系統(tǒng)與玻璃幕墻結(jié)合。 當(dāng)墻面大面 積使用玻璃幕墻時(shí),與透光頂類(lèi)似,光伏組件可以?shī)A 在玻璃板材之間,組件之間不同的組合排列可以在室 內(nèi)形成不同的光影效果,如圖 8 所示,但是要注意避 免光伏組件對(duì)室內(nèi)視線遮擋。
第四,將光伏系統(tǒng)與建筑墻身并列形成雙層外墻 系統(tǒng)。 光伏系統(tǒng)可以獨(dú)立于原有建筑墻面,兩者間相 隔一定距離形成氣候緩沖區(qū),不僅有利于光伏板的降 溫還有利于建筑室內(nèi)冬季保溫和夏季降溫,如圖 9 所 示。 需要注意光伏墻面對(duì)室內(nèi)采光及視線的影響,這 種設(shè)計(jì)方法對(duì)舊建筑改造尤為適合。
3.2 光伏與陽(yáng)臺(tái)一體化設(shè)計(jì)策略
建筑立面除了墻身之外,陽(yáng)臺(tái)作為立面的重要構(gòu) 件也需要與光伏系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)策略 如下:
首先,將光伏系統(tǒng)與開(kāi)敞式陽(yáng)臺(tái)頂部結(jié)合。 當(dāng)陽(yáng) 臺(tái)為開(kāi)敞式陽(yáng)臺(tái)時(shí),光伏系統(tǒng)可以作為陽(yáng)臺(tái)頂限定圍 合出陽(yáng)臺(tái)空間,陽(yáng)臺(tái)頂部具有接收太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì),在 保證光伏板發(fā)電率的同時(shí)為使用空間起到遮陽(yáng)效果, 如圖 10 所示。
其次,將光伏系統(tǒng)與封閉式陽(yáng)臺(tái)頂部及立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合。 當(dāng)陽(yáng)臺(tái)為封閉式陽(yáng)臺(tái)時(shí),光伏系統(tǒng)除了與 開(kāi)敞式陽(yáng)臺(tái)一樣與陽(yáng)臺(tái)頂部結(jié)合外,在保證陽(yáng)臺(tái)正常 采光需求的情況下還能與陽(yáng)臺(tái)立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合,這 時(shí)要注意不要一味追求發(fā)電量而對(duì)視線造成阻礙。 陽(yáng)臺(tái)立面也可以進(jìn)行傾斜,不僅可以為光伏系統(tǒng)提供 更好的發(fā)電條件,而且也是建筑立面更加活潑,如 圖 11所示。
3.3 光伏與遮陽(yáng)構(gòu)件一體化設(shè)計(jì)策略
在建筑立面上光伏系統(tǒng)通常與有遮陽(yáng)效果的遮 陽(yáng)構(gòu)件相結(jié)合,即可以降溫節(jié)能為室內(nèi)提供良好的光 環(huán)境,同時(shí)還能利用陽(yáng)光進(jìn)行發(fā)電。 具體設(shè)計(jì)策略 如下:
首先,將光伏系統(tǒng)與窗口遮陽(yáng)板結(jié)合。 窗口作為 室內(nèi)接受陽(yáng)光的部位一方面需要充足的陽(yáng)光保證室 內(nèi)的工作學(xué)習(xí)質(zhì)量,另一方面要防止陽(yáng)光過(guò)于強(qiáng)烈引 起的室內(nèi)眩光及溫度急劇上升等情況,因此很多建筑 需要對(duì)窗口進(jìn)行外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)。 光伏板可傾斜一定角 度安裝在窗口水平遮陽(yáng)板上,也可以疊合在窗口水 平、垂直遮陽(yáng)板上,或者光伏板直接作為遮陽(yáng)構(gòu)件,省 去了傳統(tǒng)遮陽(yáng)板的材料費(fèi)用,如圖 12 所示,光伏遮陽(yáng) 板在立面上形成了一定的陰影效果,使立面效果更富 有變化。
其次,將光伏系統(tǒng)與窗口遮陽(yáng)百葉結(jié)合。 窗口百 葉作為活動(dòng)式遮陽(yáng)的一種方式,可以根據(jù)室內(nèi)使用需要隨時(shí)進(jìn)行遮陽(yáng)角度的調(diào)整,控制室內(nèi)的進(jìn)光量。 現(xiàn) 在很多設(shè)計(jì)中將光伏系統(tǒng)與活動(dòng)式遮陽(yáng)百葉相結(jié)合, 如圖 13 所示,遮陽(yáng)百葉在立面上作為一種新的元素 反復(fù)出現(xiàn),統(tǒng)一了立面秩序,并增強(qiáng)了立面的韻律感 與節(jié)奏感。 有些光伏系統(tǒng)具有智能追蹤太陽(yáng)功能,可 以自動(dòng)控制百葉角度,增加太陽(yáng)能接收效率,很好地 控制室內(nèi)進(jìn)光量,而且光伏百葉兩側(cè)通暢的氣流還可 以有效降低光伏板的溫度。
第三,將光伏系統(tǒng)與雨篷結(jié)合。 將光伏板附加在 雨篷之上,或者密封在兩層玻璃之間作為雨篷的頂面 材料如圖 14 所示,在起到為入口處行人提供遮陽(yáng)避 雨等功能的同時(shí), 將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能為建筑物 使用。
4 結(jié)論
在世界能源危機(jī)、空氣污染、熱島效應(yīng)等城市問(wèn) 題頻發(fā)的今天,太陽(yáng)能作為一種可再生清潔能源已得 到越來(lái)越多的重視。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為利用太陽(yáng) 能的一種重要途徑,在為我們的生產(chǎn)生活提供便利的 同時(shí)也面臨著發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn),探討如何與建筑進(jìn) 行一體化設(shè)計(jì)使光伏系統(tǒng)在建筑物中得到良好的應(yīng) 用,對(duì)于光伏系統(tǒng)的推廣運(yùn)用具有積極意義。 本文基 于對(duì)光伏與建筑表皮一體化的了解,將建筑表皮分為 屋頂和立面兩個(gè)層面,分別探討與光伏系統(tǒng)的一體化 設(shè)計(jì)策略。 在探討與屋頂?shù)囊惑w化設(shè)計(jì)方法時(shí)分別 提出與平屋頂、坡屋頂、屋頂挑檐、透光屋頂結(jié)合的一 體化設(shè)計(jì)策略,在探討立面與光伏系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì) 方法時(shí)分別提出與墻身、陽(yáng)臺(tái)、遮陽(yáng)構(gòu)件結(jié)合的一體 化的設(shè)計(jì)策略。 通過(guò)本文的探討,相信會(huì)對(duì)建筑師的 太陽(yáng)能光伏與建筑表皮的一體化設(shè)計(jì)提供方法與借 鑒,相信在不久的將來(lái),太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)會(huì)在我們的 建筑中得到更多美觀高效的利用,使我們賴(lài)以生存的 家園變得更加美好。
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