【AT设计研究】整体设计导向的国际建筑光伏一体化技术策略（by 宋晔皓团队）
在各个国家积极应对地球气候变化的时代背景下，习近平总书记提出了中国于2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。目前，我国低碳转型任务艰巨，充分利用太阳能等可再生能源对促进节能减排有重大意义。据《中国建筑能耗研究报告 2020》中的统计数据显示，2018年全国建筑全寿命周期能耗总量为 21.47亿t标准煤，占全国能源消费总量的46.5%，其中建筑运行阶段能耗占建筑全生命周期的42.8%[1]，由此可见，减少建筑运行阶段能耗是节能减排和实现“双碳”目标的有效途径。可高效利用太阳能的建筑光伏一体化技术（Building Integrated Photovoltaic, 以下简称BIPV）拥有巨大节能潜力：集成了光伏发电系统的建筑通过产出电能，不仅能满足建筑自身运行用电，甚至能创造额外能源收益，助力建筑与环境的可持续发展。
政策层面，我国近年来出台了若干光伏建筑一体化标准，积极推动了BIPV项目的发展（表 1），生态环境部、国家能源部、住建部等多个部委也通过出台相关政策等方式，关注和支持光伏产业发展[2]（表 2）。
▲表 1 现行光伏建筑一体化的主要标准
▲表 2 国家部委对光伏产业的关注与支持
历史背景层面，早在1954年，贝尔实验室研发出第一块发电效率为6%的单晶硅太阳能电池[3]。随着相关技术的不断发展，BIPV在项目中的应用可追溯到20世纪70年代，人们通过在建筑表皮上安装带有铝框的太阳能光伏模块，实现了偏远地区建筑的离网运行[4]。直到20世纪90年代，在建筑围护结构中才有了首个投入商用的集成光伏系统。在此期间，美国能源部也开始关注光伏建筑一体化，研发了若干BIPV组件，如屋顶光伏瓦和玻璃幕墙等新型结构[5]（图1），但由于经济成本原因，BIPV技术的推广受到了一定程度的限制。
▲图1 BIPV 发展时间线
如今，相关技术日渐成熟，2019年标准光伏组件成本已不到1990年成本的十分之一[6]（图2），BIPV技术已具有广泛普及的经济基础。此外，在发电效率层面，光伏电池的发电效率也在不断提升，以硅电池为例，太阳能电池的效率从1954年的6%提高到了2004年的18.2%[7]，BIPV技术已具有相关技术推广的基础。
▲图2 基于统计信息与预测数据的美国光伏系统平均价格（1998—2013）
研究立足整体设计导向的国际BIPV项目发展的现状和趋势，通过搭建案例数据库，探讨国际BIPV项目的时空分布、建构策略、综合效能三个层面的可持续路径。
2.1 国际BIPV案例数据库的建立
数据库的搭建基于国际影响力较高的建筑媒体谷德设计网和Archdaily网站两个建筑平台，收集具有示范意义、整体设计效果出色的BIPV项目及相关指标信息，案例类型包括办公、居住、学校、交通、餐饮、商业和医院等。
2.2 数据库案例的指标体系优化
由于BIPV项目的建成与运维效果受到多方面因素的影响，且各个BIPV项目的指标信息来源和统计方式存在差异，因此在指标信息校核时需进行标准化处理[8]。在本数据库指标统计及校核过程中，发现的相关问题及解决方式包括但不限于：信息部分缺失和统计误差问题，通过项目图纸和建成照片校核；项目图纸与实际工程出现矛盾，以项目建成信息为准；项目计算书中的模拟值与建成后项目运维的实测值存在差异时，以实测值为准。
项目关键指标与技术路径解析
3.1 整体设计导向的国际BIPV项目时空分布
以三年为一个时间区间，对案例建成年份进行分析，发现近年来BIPV项目逐渐增多（图3），这与BIPV的成本降低和技术日益成熟有关，同时说明了BIPV技术体系已经逐渐获得了建筑行业的认可——与二十年前工程师从单一效率角度出发的光伏建筑不同，整合效果导向的BIPV项目逐渐走入建筑师的视野，在建筑中集成应用的光伏构造渐渐脱离了“附加产品”的标签。
▲图3 数据库项目建成年份统计
基于Global Solar Atlas的光伏发电潜力地图，将数据库中案例的地理位置坐标整合其中，结果显示BIPV项目选址与所在地区光伏发电潜力无直接关联，欧洲项目数量最多，占63%（图4）。究其原因，BIPV项目建设数量与所在国家的政策法规有关，自20世纪80年代前后开始，欧洲国家、日本和美国等就有了各种光伏示范工程和实验项目，进而促进了相关创新技术的研发和产品制造[9]。各国为了发展和推广可再生能源的使用，出台了各类太阳能技术扶持政策，推进了BIPV项目的发展。
▲图4 数据库项目大洲分布
以德国为例，2000年颁布了《可再生能源法案（EEG）》，先后通过上网电价调整等策略有效启动了德国的光伏市场，推动了光伏技术的进步，据《世界能源统计回顾2011》的统计数据显示，十年间德国光伏装机容量在全世界占比已增长至43.5% [10]，印证了政策支持对光伏技术推广的积极作用。
3.2 整体设计导向的BIPV项目建构策略
3.2.1 基于数据库的BIPV建构策略
对数据库中BIPV项目光伏构造的整合位置进行分析，光伏构造整合于屋顶的BIPV项目占比最多，为72.34%+11.70%=84.04%；光伏构造整合于建筑立面的项目占比为15.96%+11.70%=27.66%。将光伏构造整合于屋顶的项目数量远高于建筑立面光伏项目数量（图5）。
▲图5 数据库光伏产品位置（左）及光伏系统组件类型（右）
究其原因，与以下三方面有关：1）基于太阳能光伏电池的发电原理，由于太阳倾角与建筑遮挡等原因，光伏板整合在建筑屋顶可以获得更多太阳辐射，进而有更高的产能效益[11]；2）屋顶被称为建筑的“第五立面”，如果光伏构造集成于屋顶，对建筑立面窗户的采光遮挡相对较小，可以实现发电和采光效益总和的最大化；3）基于数据库统计（图6），以附加结构形式整合于屋顶的BIPV项目占比为57.45%，远高于其他类型，这种建构方式比起立面BIPV技术路径整合度低，但施工难度较小、产能效益较大，因此较为普及。
▲图6 数据库 BIPV 整合位置与建构形式统计
在光伏产品组件类型与集成方式方面，通过对案例的整理和分析发现本数据库中的国际BIPV项目采用晶硅光伏组件最多，占比为82.98%+2.13%=85.11%（图5）。究其原因，晶硅BIPV构造工艺相对简单、技术难度较小，但在项目整合度方面，薄膜BIPV项目相对较好。
3.2.2 光伏构造屋顶整体设计策略
基于国际BIPV项目数据库，进一步分析整体设计导向的屋顶设计策略。数据库中的BIPV屋顶案例可以分为透光屋面和不透光屋面两类，其中透光屋面占比17.72%（约五分之一），不透光屋面占比82.28%。
透光屋面的整体设计类型可以分为五类，分别是中庭空间、交通空间、完整高大空间、过渡空间的透光屋顶和光伏天窗采光，典型案例分析如表3所示。
▲表 3 透光屋面整体设计案例及解析
不透光屋面的整体设计类型，可以分为三类，分别是屋顶整合光伏板、过渡空间的不透光屋顶和附加遮阳棚架，典型案例分析如表4所示。
▲表 4 不透光屋面整体设计案例及解析
3.2.3 光伏构造立面整体设计策略
基于国际BIPV项目数据库，进一步对整体设计导向的立面设计策略进行分析。此类案例可以按照设计目标，分为产能效率导向和外观协调导向两类。产能效率导向的案例将光伏构造设置在辐射照度较强的外立面，占比45.45%；外观协调导向的案例出于保障建筑各个立面协调统一的目的，将光伏组件设置在多个立面上，占比54.55%。
产能效率导向的BIPV项目立面整体设计类型，可以分为三类，分别是透光围护结构、不透光围护结构和采光遮阳构件，典型案例分析如表5所示。
▲表 5 产能效率导向的 BIPV 项目立面整体设计案例及解析
外观协调导向的BIPV项目立面整体设计类型，与上述分类相同，典型案例分析如表6所示。
▲表 6 外观协调导向的 BIPV 项目立面整体设计案例及解析
3.3 项目效能导向的BIPV设计策略
BIPV建筑的特征是，通过整合在建筑中的光伏构造实现太阳能发电，产生的电能用以满足建筑日常需求，从而降低运行能耗。近年来，BIPV项目整体效能导向的设计路径逐渐走入建筑师视野[12]，随着光伏组件成本的降低和转化效率的提升，采用适宜的整体设计策略可以实现BIPV建筑的产用平衡。
国际BIPV项目数据库中实现产用平衡的建筑，通常采用三类技术路径，分别是建筑通体整合光伏、外挑结构整合光伏构造和低耗高产导向的整体设计。
（1）建筑通体整合光伏
通体整合光伏的BIPV项目，将光伏构造整合在所有建筑外围护结构中，实现光伏面积最大化，从而保障了发电效益。以弗莱堡市政厅为例，能源层面，该项目通过在建筑屋顶和立面整合光伏构造（图7，8），实现了高产能效益，实测数据显示市政厅达到了建筑净零能耗目标[13]（图9）；整体设计层面，大楼立面集成了高隔热性能的BIPV遮阳构件，这些构件优化了建筑的自然采光效果，减少了空调负荷和采光能耗；可持续策略层面，热泵、分区制热系统、热回收系统等方式降低了建筑运维能耗[14]。
▲图7 弗莱堡市政厅的屋顶和立面整合的大面积光伏
▲图8 弗莱堡市政厅立面上的光伏板
▲图9 弗莱堡市政厅 2018 年初级能源平衡统计
（2）外挑结构整合光伏构造
通过在BIPV建筑的外挑结构中加设光伏构造，可以有效增加建筑整体的光伏面积，从而增加了产能效益。以佛罗里达州度假村麦当劳旗舰店为例，该项目除了在屋顶整合BIPV构造，还在外挑顶棚上加设了大面积光伏板。项目运行期间，建筑还通过主/被动策略相结合的方式，实现了净零能耗运维，相关举措包括：尽可能利用自然通风、通过温湿度传感器实现百叶窗的智能控制、绿色节能灯具、整合绿植的亲生物性建筑外墙等[15]（图10,11）。
▲图10 佛罗里达州度假村麦当劳旗舰店外观
▲图11 佛罗里达州度假村麦当劳旗舰店屋顶光伏板
（3）低耗高产的整体设计
相同条件下，同一BIPV项目采用的光伏板面积越大，光伏系统的产能效益高。小规模建筑通常运维能耗需求较低，如果此类BIPV项目集成一定数量的光伏构造，并保证光伏板接收到足够多的天空水平面投影面积，则更容易实现近零能耗建筑目标[16]。低耗高产型BIPV项目往往体量较小，基于整体设计路径，在建筑中集成足够规模的光伏系统并采取合理的主/被动措施，可以实现建筑的产用平衡，甚至达到能量盈余。
以加拿大的SoLo House单层住宅为例，BIPV建筑面积约380㎡，能够在偏远地区离网运行。设计师在南立面整合了大面积光伏板，同时采用若干被动房的设计策略，使建筑的围护结构具有极强的保温隔热性能。在氢能源、废水利用等策略的辅助下，建筑的产能超过了自身需求，获得了PHI低能耗建筑认证[17]（图12，13）。
▲图12 SoLo House 南立面
▲图13 SoLo House 建筑细部
研究基于国际BIPV整体设计案例数据库，对项目的关键指标信息、整体设计策略和建筑运维性能进行了讨论，为日后研究BIPV相关理论和实践提供了一定数据支持与理论基础。主要结论如下：
（1）立足多驱动的发展趋势，整体设计导向的国际BIPV项目的建成分布受到了技术、设计和政策三方面的促进作用，BIPV技术已逐渐受到了建筑行业的青睐。
（2）立足多元化的建构策略，整体设计导向的国际BIPV项目可根据光伏构造的不同集成位置、不同材质、不同的预期空间效果采取适宜的设计手法。随着建筑师可持续设计观的不断进步，整合设计导向的BIPV将发展出更多示范项目和建构的可能性，助力各国建筑师的设计创作。
（3）立足高产能的技术路径，整体设计导向的国际BIPV项目采用合理光伏系统集成方式，可以实现发电量的最大化。在此基础上，结合适宜的主/被动策略，能够实现建筑的近零能耗目标甚至“产能盈余”目标。随着各国“双碳”政策的逐步落实和低能耗建筑技术体系的普及应用，采用BIPV技术降低建筑能耗、助力节能减排将成为未来可持续建筑技术的发展趋势。
上述结论可以为中国BIPV项目的设计、推广和实践提供借鉴与启示：光伏作为一种建筑元素，将具有更多的表现力和应用潜力。新阶段以整体效果为导向的建筑光伏一体化项目，若将可持续的理念融入设计策略中，则可以形成独特的空间效果，脱离效率优先的传统技术路径。
* 注：本研究得到国家自然科学基金面上项目（52078264）、河北省重点研发计划项目（20374507D）联合资助。
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图表来源1 来源于文献 [5]2 来源于文献 [6]3−6, 表 1 作者自绘7 Fraunhofer ISE 摄影8 HG Esch 摄影9 来源于 www.ntnu.edu10−13 来源于 www.archdaily.com表 2 根据文献 [2] 整理绘制表 3 图片来源于 www.archdaily.com, www.gooood.cn表 4 图片来源于 soltechenergy.com,www.archdaily.com 表 5 图片来源于龙焱能源科技有限公司国外项目案例手册 ，www.archdaily.com表 6 图片来源于 www.archdaily.com, bipv.sg, www.gooood.cn
师劭航，清华大学建筑学院博士研究生，生态城市与绿色建筑教育部重点实验室。
褚英男，清华大学建筑学院博士研究生，生态城市与绿色建筑教育部重点实验室。
何逸，清华大学建筑学院博士后，生态城市与绿色建筑教育部重点实验室。
宋晔皓，清华大学建筑学院建筑与技术研究所所长、教授，博士生导师，SUP 素朴建筑工作室创始主持建筑师，生态城市与绿色建筑教育部重点实验室副主任。
本文刊登于《建筑技艺》杂志
2021年8月刊
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