建筑改造中应用光伏技术的建筑实例研究

    太阳能光伏技术是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式。1839年，法国物理学家贝克勒尔(Becqurel)发现了“光生伏打效应”‘photovoltaic effect)，1954年美国贝尔实验室首创了转化效率为6%的实用单晶硅太阳能电池。最初光伏技术主要应用于航空领域，但随着光伏电池制造成本的下降和光电转化效率的提高，光伏技术广泛应用于各个民用领域。    
            

    将光伏材料集成于建筑的屋面和墙面就产生了光伏建筑（Building Integrated Photovoltaic，简称BIPV )。这种做法既扩展了可再生能源的应用范围，又为建筑创作注入了新的活力。在建筑改造项目中。因地制宜地应用太阳能光伏技术，可提升原有建筑物的性能并适用于新的用途。本文先分析两个应用光伏技术的建筑改造工程实例。

    罗马儿童博物馆(The Children's Museum of Rome, Italy)位于罗马的中心城区。改建前是市属公交系统的废旧综合仓库，建筑原建于1920年。其结构采用的是钢材和铸铁搭建的桁架(图1)。它突出反映了当时的建造工艺。因而该建筑的结构体系被纳入历史保护目录。市政府在城市更新的建设中决定把这座大通间的厂房改造成儿童博物馆，并提出了两点构想：其一是为孩子们提供寓教于乐的体验，其二是体现对环境的尊重。因此当设计者提出将太阳能光伏技术引入建筑改造时，得到了业主的认可和支持。他们申请了欧盟支持替代能源示范性应用的专项基金THERMIE，为将昂贵的光伏组件应用于改造项目铺平了道路。


    

    该建筑改造有两处集成了光伏组件，屋面上有8.2kWp的光伏天窗。南面屋檐处有7kWp的光伏遮阳篷(图2)。光伏遮阳篷可以根据太阳高度角和方位角，在机械控制下伸出或者收回，避免夏天过多的太阳辐射进入室内。屋顶的光伏天窗包括沿屋脊通长天窗和展览空间上部长方形天窗，整个多晶硅光伏遮阳篷和天窗的发电量可以满足建筑运行电力需求的30%，并可节省60%的人工照明。在光伏天窗的设计中，建筑现有桁架的间距和标准光伏组件难以取得模式上的协调。如果采用非标准的光伏组件则会增加造价。建筑师的解决方案是把光伏组件与透明的Low-E玻璃模块相间布置来满足桁架间距(图3)，这样设计不仅有利于保证室内天然采光，而且阳光通过透明的玻璃和不透明的光伏电池单元。在室内形成了光影斑驳的美妙效果。在光伏遮阳篷的设计过程中，建筑师曾设计了多达9种光伏组件的布局方案(图4)。并利用计算机模拟分析各种方案的室内热环境和光环境状况，核算相应的经济造价，综合权衡室内环境效果和经济因素而确定最终的实施方案(图5)。

    在该建筑改造中。光伏技术还与其他生态技术相得益彰。可调节的光伏天窗减少了室内的采暖(冬季)和制冷(夏季)的负荷。建筑在冬季和夏季设有不同的被动式通风模式(图6, 7)，提高室内舒适度的同时也减少建筑运行能耗。此外，室内还设置了一处浅浅的喷泉嬉戏池。位于长方形光伏天窗之下(图8)。意大利的夏季炎热干燥，水喷在多孔的石制表面，加速的自然蒸发可保证室内温度维持在人舒适的范围内。在罗马儿童博物馆中，光伏技术突显了高科技的特色，迎合了建造初衷，光伏系统本身也成为展品。设计者特别把太阳能光伏系统各个电器组件和电路走线暴露出来，并以各种鲜艳的颜色标示其相互关系，向儿童们生动地展示了太阳能如何转化为电能，而电流又流向何处。展厅中还有一处新奇的响铃和喷水装置吸引儿童的关注。它是由光伏系统供电，从旁边的指示牌还显示出累计产生了多少电能。

    由于建筑结构体系纳入了历史保护名录，安装光伏天窗和遮阳笼的构造设计细致考虑了与原有结构的搭接方式，既没有替换现有结构组件,也没有直接向原组件上打入螺钉。光伏组以不显眼的方式与原有结构连接，构造方案在文物和美术保护办公室的批准后才得以实施。罗马儿童博物馆是意大利首个在建筑中大规模使用光伏技术的项目，在其具体建造实施的许多细小环节中也出现过一些麻烦，设计师、工程师、光伏组件供应商和建筑施工人员通过密切协作逐一化解了各种问题。建筑改造完工后对其进行了近5个月的监测，光伏系统发电8800kWh，折算到一年估计可发电1.8万kWh,相比传统建筑每年减少建筑能耗3万kWh，每年减少CO₂排放18.9t。这个建筑改造项目收录在德国意大利合作研究项目“PVACCEPT"中，该研究旨在促进建筑视觉美学成为光伏建筑设计中的重要考虑因素，特别是在既有建筑文脉和历史建筑中让光伏材料与建筑以一体化的方式集成起来。

    荷兰能源研究中心(Energy Research Centre of the Netherlands)是欧洲著名的能源科研机构，位于荷兰的小镇帕滕(Petten)。其研究领域包括能源产业政策、工业能效、可再生能源、清洁能源燃料等，该研究中心也致力于前沿科技开发在市场普及应用，因而其建筑自然成为应用其科研成果的实验场。
  

    该研究中心的31号建筑建于1963年，主要功能是办公室和实验室(图9)。“建筑环境中的可再生能源”研究小组对现有的31号建筑作了细致的分析评估，发现存在诸多问题:建筑的保温性能差。存在建筑热桥;有些地方太阳辐射过度，而有些地方则日照不足;实验室的通风频率过高，能效低且室内不舒适;采暖和电力的能耗过大，经测算分别为140kWh/m3和80kWh/m3;室内比较干燥。基于建筑评估，建筑改造确定为提高室内环境和舒适性。降低建筑能耗，充分利闲太阳能以此减少温室气体的排放。改造的目标是减少75%的采暖能耗和35%的用电能耗，使建筑综合能耗下降到80kWh/m3。拟采用的措施包括:墙体改造、安装光伏系统、改善自然光的利用、提高供热通风系统以及使用低能耗的设备。另外，建筑使用功能稍作调整。原来南向的实验室改作办公室。而原来北向的房间用作实验室。

    为解决室内过热的问题，可考虑的措施是空调和遮阳，而使用空调会增加运行能耗。荷兰7月平均气温约21℃，极端高温的日子很少，经计算机模拟测算，如果遮阳设置合理，不需要空调也能满足夏季室内热舒适。综合这些因素，考虑把光伏材料集成到遮阳构件上，为确定光伏遮阳的实施方案。研究人员采用三步骤进行研究性设计和建造。

    第一步是初步设计和计算机模拟分析。综合考虑室外的美观与室内采光，确定光伏遮阳的细节—是紧靠墙面还是与墙面间隔一段距离。遮阳板采用宽度较小、间距较小的密集布置方式，还是采用宽度较大、间距较大的稀疏布置方式。考虑到美观和原有墙面、窗户的清洁。加建的遮阳板距离原有墙面80cm，与原有建筑结构连在一起。考虑到自然采光，遮阳板的宽度和间距与其后房间的进深有关，经过计算机模拟，得到一些初步数据。第二步是制作1:10的遮阳板实体模型并进行天然光实验。以此确定综合考虑太阳能利用、遮阳、室内采光等因素的最优布置方式是:每层设里4片光伏遮阳板。每片遮阳板与水平面的夹角为37。，每层齐视线高度的遮阳板可手动改变角度(图10)。第三步是局部1:1的足尺建造并进行监测实验。在建筑的一个开间单元上按1:1的尺寸局部建造了一楼和二楼的光伏遮阳板(图11), 并随后进行了为期4个月监测实验。结果发现，遮阳板的效率达85%(只有15%的太阳直射光落在建筑立面墙体上)，与安装前相比，室内光环境和热环境都得到了明显改善，有充足的天然光照度并均匀度较好。1:1建造也验证了光伏组件与金属遮阳板的机械连接、光伏系统的电路连接等问题。在局部1:1建造和监测阶段，遮阳板半成品的样子令人对其在整栋大楼安装后的外在形象有所担心(图12)，但整个建筑改造完工后，焕然一新的立面造型、水平向线条形成的韵律获得了较好的视觉主观评价(图13)。

    此外31号建筑还加建了一个光伏屋顶，原有屋顶层作为新增的设备层。具体做法是在原有屋顶上架设新的钢结构曲线屋架，钢屋架上铺设保温层和防水层。并把定制的光伏组件支架锚固在屋架上，最后将光伏材料固定在支架上(图14)。其构造方式兼顾了光伏组件布置和屋面防水。

    上述两个建筑改造项目在应用太阳能光伏技术上各有特色。罗马儿童博物馆的改造项目把光伏系统纳入建筑展示功能，光伏材料和其他建筑材料的结合既满足了建筑模数，又产生了奇妙的光影艺术效果。光伏组件和原有结构“无缝”衔接。光伏技术与建筑改造全面地融合。而荷兰能源研究中心31号建筑的改造项目突出了光伏技术对建筑环境的影响，基于严谨的实验、细致的分析、循序渐进的建造方式把光伏组件和建筑融合起来。两个工程实例的共性是对既有建筑进行了评估，充分考虑运用光伏技术的基本条件，借助计算机模拟分析和设计。把造价因素作为重要的设计考虑因素，重视光伏材料的集成方式，在建成后进行相关评估和监测。

    利用太阳能光伏技术改善原有建筑物的能耗性能，满足其新的功能需要而进行的建筑改造是一项富有挑战的工作，应该遵循科学严谨的方法和步骤。
   

    1、气候场地分析和现有建筑评估

    首先要掌握建筑所在地的气候条件，包括常年的温度、湿度、太阳辐射、降雨、风向风速等气候数据。其次，光伏技术依靠太阳能，因而对遮挡较为敏感。建筑场地周边是否有高大的建筑或者茂密的树木、建筑形体是否会形成自遮挡。都影响到建筑改造中是否适宜采用或者如何布置光伏组件。

    其次应分析、评估既有建筑的环境性能，包括建筑运行能耗、保温隔热性能、天然光利用、通风组织、室内人体舒适性等，寻找现状中导致能耗表现不佳的主要原因。同时还要了解现有建筑的结构状况。对改造中功能方面的调整和光伏组件的布置方式提供结构支持。
 

    2、建筑改造方案的考虑因素

    (1)建筑形象与光伏一体化策略。相比于其他生态节能改造技术。如地源热泵或者雨水收集，基本不对建筑形体产主直接影响,集成在现有建筑表皮上的光伏技术则显著地改变了建筑形象;为适应现有建筑状况，选择光伏材料的颜色、材质、装饰以及尺寸模数须十分慎重。比如在色彩上，以硅为原料的光伏材料一般呈现黑色、蓝色、深蓝色和褐色，而带有罩面材料的光伏组件还能呈现绿色、青色、紫色等。此外，为实现光伏材料与建筑墙体或屋面的一体化，要在满足建筑围护结构热工性能和建筑防水的基础上，优化光伏组件的架设措施和构造方式。

    (2)光伏技术与其他生态技术的协调。为降低建筑能耗，改善建筑环境性能的改造往往会采用多种生态技术。它们之间需要配合和协调，力求“1+1>2”的效果。比如光伏天窗可能造成室内眩光和过热。因而设置光伏天窗时要考虑布置的位置、大小和间距;又如光伏材料容易在太阳辐射下被晒热而减少光电转化率，光伏组件背后的空气流动有利于阻止其温度升高。因而光伏组件的布置要考虑通风的因素。简言之。光伏技术需要与采光、通风、被动式利用太阳能等统一考虑。基于建筑整体节能而确定改造方案。

    (3)经济可行性分析。虽然光伏材料的价格呈下降趋势并预测将近一步降低，近30年其价格已经减少了2个数量级，但是相对传统建材仍然价格不菲，因而需要对光伏技术在建筑改造项目中作经济可行性分析。为改造方案的优选和决策提供依据。

    3、使用后评价与监测

    在建筑改造完成并投入使用后一定时间内，宜对其运行物理状况进行监测，并对使用者的意见和需求进行社会调查和评估。通过反馈数据的统计和分析，并与设计预期目标相对照，可以及时发现缺陷加以补救并为日后其他建筑改造设计积累经验。实测的物理数据可包括光伏系统性能、建筑能耗和室内舒适性等指标，而通过问卷调查和人员访谈，可以了解人们对建筑改造的认同和主观评价，对光伏建筑形象的喜好和美学感受。

    三   结  语

    可持续发展已经成为当今时代人们的共识。也是人类社会应对资源枯竭、能源转型、全球变暖等诸多问题的唯一选择。可持续发展不是一句漂亮的口号，在建筑领域不仅要减少建造过程中的资源浪费，而且要减少建筑运行能耗和废物排放，不让使用中或建造中的房子成为子孙后代的负担。在欧美发达国家。现有建筑的生态节能改造已成为严峻的课题和承重的负担。中国目前还处于大兴土木的发展阶段。但若干年后现今的新建和在建的房屋就可能列入建筑改造的名单。因此我们应把握现有的机会并融入可持续发展的理念，减少未来建筑改造中面临的麻烦，从这个意义上说，应用光伏技术的建筑改造不仅直接作用于改造项目，对新建的项目也有苦示和借鉴意义。即使我们目前尚不具备条件在所有建筑上应用光伏技术，但是我们可以在当下的设计和建设中考虑一些弹性和余地，使光伏技术能更便利地纳入将来的建筑改造和改建中。

    图片来源:图1, 4, 6一8由Abbate&Vigevano Design Studio提供;图2, 3, 5由Studio Italplan提供;图9一14由BEAR Architecten提供。