根据《中国建筑节能年度发展研究报告2015》能耗状况统计, 从用能总量来看, 既有公共建筑的能耗已经成为中国建筑能耗中比例最大的一部分。清华大学调查数据显示:我国国家机关办公楼和大型公共建筑虽占城镇面积不足4%的占有量, 却消耗着近22%的城镇总耗电量。这个数目为同等面积普通民居的10~20倍, 是发达国家同类建筑的1.5~2倍。将既有公共建筑节能改造作为重点, 带动其他既有建筑节能改造的实施, 可以以点带面地为建筑节能发展起到积极示范作用。正如清华大学江亿院士所说, 我国建筑用电主要集中在住宅和公共建筑 (一般性和大型公共建筑) 2个主要类型, 其中, 仅部分设备改造就可以节约能耗30%~50%, 而全面节能措施应用可以节约能耗50%~70%。可见, 既有公共建筑的绿色节能改造已成为建筑节能减排和发展绿色城市面临的主要待解决问题之一。

光伏建筑一体化 (BIPV) , 是指与建筑物同时设计、施工、安装, 并与建筑物形式结合的太阳能光伏发电系统, 也称为“构件型”或“建材型”太阳能光伏一体化建筑。BIPV中的光伏系统既为建筑提供电力, 又在形式上作为建筑构件和材料而存在。

基于这个意义, 本文提出既有公共建筑光伏一体化EPBIPV (existing public building integrated photovoltaic) 的概念, 即首先在既有公共建筑改造前对建筑进行评估, 确定建筑具有安装光伏系统的可实施性, 然后将光伏系统融入建筑改造设计和施工中, 使其既满足建筑职能 (围护功能和设计美学) 又能满足光电转换职能。

物尽其用是建立资源节约、环境友好型社会的原则。EPBIPV正是以该原则为核心的改造模式。首先, 既有公共建筑光伏一体化设计的对象是既有公共建筑, 相对于拆除老建筑再造新建筑的环境影响、资源消耗、经济投入来说, 在既有建筑上进行改造更具有可持续的综合效益。其次, 经过评估, 具有采用光伏系统一体化改造设计可能性的既有公共建筑, 其成本主要由初始投资和维护费用两部分组成。而光伏一体化系统运行简单, 维护费用不高, 主要的经济成本分析主要集中在初始投资和有效发电量。初始投资中, 光伏组件及逆变器等关键设备部分投入占了整个系统投资成本的60%。从2009年开始, 该部分的成本直线下降;根据IHS分析, 欧洲太阳能组件价格可能降低20%;2016年4月欧洲太阳能联盟 (SAFE) 新研究证实, 太阳能价格可以更低。

既有公共建筑光伏一体化设计的附加效益体现在建筑形式、技术、造价等各个方面: (1) 对建筑外围护结构表面有效利用 (屋顶和墙面) 这使得既有公共建筑在不破坏原有建筑功能、结构和周边环境的基础上, 能够更加高效地利用昂贵的土地。 (2) 光伏电池的形式多样化也为光电一体化在既有公共建筑中的融合提供了条件。为了适应多元需要, 光伏电池的形式从单面不透光超白玻电池, 衍生出双面发电透光电池;由硬质电池板, 发展出半柔性和柔性电池;另外, 还有新型彩色光伏模块。 (3) 光伏构件安装在屋顶或者墙体上, 可以直接吸收太阳能, 同时遮挡直射阳光, 降低室内热负荷。

随着光伏与建筑一体化水平不断提高, 一体化形式的可行性选择也日益丰富: (1) 屋顶结合安装坡屋顶、平屋顶, 功能:保温隔热、采光、照明、遮阳、通风; (2) 立面结合安装光伏幕墙、光伏遮阳板, 功能:保温隔热、采光、遮阳、节省建筑面积。光伏与建筑一体化应用技术可以利用太阳能的可再生能源来发电, 又可作为多功能建筑材料构成实际的建筑构件, 为建筑提供采光、遮阳、通风等附加功能。

建筑物屋顶具有日照条件好、不易受遮挡、可以充分接受太阳辐射等优势。利用光伏屋顶一体化可以充分利用屋顶空间。设计中, 屋顶光伏系统存在3种做法:开放支架安装、封闭屋顶支架安装、多功能直接支架安装 (见图1) 。既有公共建筑屋面BIPV改造要解决的问题比较复杂, 要根据改造工程的实际现状来选择相适合的改造措施, 过程中应特别注意保温和防水两方面的处理。

公共建筑的屋顶形式中采用斜坡屋顶较为广泛。其中包括单坡、双坡、四坡、弧形坡等形式, 具体因设计需要而异。安装在坡屋面上的光伏组件应选择顺坡镶嵌或顺坡架空设置。顺坡架空在坡屋面上的光伏组件与屋面间宜留>100mm的通风间隙, 以降低光伏组件背面的升温和确保安装维护的空间。

平屋顶上设置光伏模块时, 组件与水平面之间应该有一个倾角。为了使光伏阵列获得单位活动面积上最多最理想的全年太阳能发电量, 光伏阵列的倾角应该按照光伏方阵所在的地理位置考虑。

由于各地接受太阳辐射情况均不同, 在水平面直射和散射辐射已知的条件下, 需要根据太阳高度角和方位角计算倾斜面辐射总量。通过公式计算, 可以得出不同地区最佳倾角, 如上海30°, 北京36°, 广州22°, 昆明24°等。另外, 由于模块间会互相遮挡, 因此屋顶只有一部分面积可布置阵列, 要降低“模块面积/屋顶面积”的比值。平屋顶的光伏一体化设计结合太阳朝向形成锯齿状屋面, 也可以起到采集光能, 同时丰富内部空间的效果。

在屋顶的BIPV应用中, 不同种类的结合方式可以被利用起来, 如与传统集成框架、非集成框架、屋顶材料等结合, 如图2, 3所示。而在光伏模块上, 选择也非常广泛, 如框架式模块、金属基底的透明可变或薄膜结构、太阳能电池屋面瓦、透明单晶模块、彩色太阳能电池模块等。基于不同的结合要求, 所有的模块参数 (机械的和电动的) 都可以预制。

光伏屋面体系的防水可以分为3部分:屋面板内部防水、屋面板上下连接防水和屋面板左右连接防水。光伏屋面板内部防水存在于与边框组件和框架之间的缝隙处, 可以将密封橡胶条放置于缝隙之上, 然后装上防水盖条。屋面板上下连接防水系统是常见的屋面板搭接防水, 所以屋面板的施工方向是严格按照从下到上安装的。光伏屋面左右连接防水是在左右连接缝隙上加防水盖条, 这个系统中施工可以不用依照顺序, 比较灵活, 屋面系统完成后统一安装防水盖条。

光伏屋顶的保温性能可以从屋顶的热惰性指标和传热阻2个方面来分析。如封闭通风流道的光伏屋顶的热惰性指标和传热阻最大, 带通风流道的光伏屋顶的次之, 不带通风流道的光伏屋顶的再次, 但要比普通屋顶的指标都高。因此在相同条件下封闭通风流道的光伏屋顶单位时间内、单位面积上的热损失最小, 对建筑节能最有利。

建筑的外立面可以提供给光伏系统采集光能, 其优势在于立面往往有足够的面积。根据BIPV与建筑立面结合的位置不同, 光伏发电系统在立面整合中通常主要有光伏遮阳和光伏幕墙。

遮阳构件在建筑中的应用不仅可以遮挡太阳辐射, 保证建筑通风, 节约夏季空调制冷用能, 同时也能成为建筑立面的一种重要的组成元素。将光伏模块与建筑外遮阳面板结合, 不仅不影响建筑功能使用, 满足建筑遮阳需要, 还能利用太阳能为建筑提供电力, 实现遮阳、装饰和发电等多项功能的协调统一。光伏遮阳构件的布置方式有水平、垂直, 以及由此演化出的综合遮阳方式, 如图4所示。

光伏幕墙是光伏电池与建筑立面结合的另一种形式, 能够充分利用建筑的立面面积。但光伏幕墙若完全垂直于水平面, 则光电转化效率只有光伏板朝向阳光最佳倾角效果的30%~40%。根据玻璃结构和建筑立面结合情况的不同, 光伏幕墙主要有外挂式光伏幕墙 (见图5a) 、夹层玻璃光伏幕墙、双层光伏幕墙、光伏窗、结构式光伏幕墙等。

内置百叶式光伏幕墙 (见图5b) 属于双层光伏幕墙中的一种常见做法, 是在双层玻璃中加入1层倾斜百叶状的非晶硅光伏组件。通过光伏百叶发电, 同时遮阳。百叶式光伏幕墙中的关键点在于百叶的倾斜角度β的确定。设定一个H×L的百叶式光伏幕墙单元, 百叶尺寸为h×L, 倾角为β, 百叶受光面积S与倾角和太阳阴影范围的关系为:

式中:H为幕墙单元高度 (mm) ;h为光伏百叶高度 (mm) ;L为光伏百叶宽度 (mm) ;h'为太阳直射点到光伏百叶阴影端距离 (mm) ;h-h'为太阳直射点到光伏百叶受光端距离 (mm) ;h_s为当地夏至日太阳高度角;β为光伏百叶倾斜角度。

为了保证光伏建筑的高效性、实用性、美观性等因素, 既有公建光伏一体化设计要综合考虑各方面因素, 如与既有公建的整合设计、安全要求、技术措施等。在设计过程中, 应采用整体设计理念, 在保证建筑功能、结构和美观原则的前提下, 充分发挥光伏系统的作用。

光伏组件的安全性是光伏一体化设计中的首要原则。在既有公建中, BIPV系统除了其本身的光电转化职责外, 必须同时满足作为建筑物构件所承担的受力、隔热、防水、遮阳等建筑职能。在整合过程中, 光伏组件根据不同的安装方式和部位, 会有相应的力学性能要求, 同时也要做好电气安全性的处理。主要包括: (1) 光伏组件在建筑上的分布应尽可能均匀, 过于集中的布置对受力不利; (2) 针对既有建筑的特殊性, 应对改造加建光伏构件部位的结构安全性进行检测; (3) 置于屋顶的光伏构件或者光伏幕墙的结构安全要按照国家相关的规范设计, 通过计算确定光伏玻璃组件的厚度与强度, 满足风压变形、空气渗透和雨水渗透3种性能要求; (4) 光伏组件安装时要注意连接器的安装位置和性能要求, 要满足电气安全要求, 并且根据设计规范配置带电警示标示, 提供安全措施。

在对既有公共建筑进行光伏一体化设计之前, 需对其进行屋顶结构功能性评估、立面太阳辐射量分析以及发电量与用电负荷及变压并网能力需求匹配评估。既有公共建筑中作为光伏开发过程中可利用性评估的一部分, 屋顶结构性评估主要依据建筑物屋顶的结构类型、建筑物已使用的年限以及是否存在安全隐患;立面太阳辐射量则是分析建筑所在地太阳各个季节的高度角和方位角;能力需求匹配评估是以日间用电量匹配值K_d和变压器容量匹配值K_t为变量, 来衡量光伏电站电量的消耗与变压并网能力。以这3方面的前期分析作为基础, 可使EPBIPV设计更高效。

光电转化是BIPV系统的主要职能。在保证其安全、适用等基本原则的基础上, 要考虑如何实现光伏发电系统的电量输出最大化。保证光电转化效率可以通过以下一些方法: (1) 建筑为南向可较好地争取日照; (2) 若既有建筑为其他朝向, 光电构件的安装应尽可能朝向太阳直射光方向, 若有遮挡, 也至少应满足4h/d的日照时间要求; (3) 光伏系统设计中, 应注意组件排列与形状, 以及电缆的长度, 这些均会造成电压和电流的不同。要根据实际情况调整光伏组件的连接, 优化整体发电效率; (4) 设计时, 应使组件的安装倾角>10°, 利于雨水冲刷积尘或积雪, 保持表面洁净, 以保证光电转化率。

光伏技术因为其采集太阳光的特殊性, 对建筑立面的外观效果有重要的影响。好的改造设计应是整体化的设计, 将光伏系统融入建筑立面, 运用点线面的统一与对比、比例与尺度、节奏与韵律等的美学法则, 使光伏系统成为建筑中不可或缺的元素。

在设计中, 光伏组件和建筑的风格与尺寸关系可以是和谐统一的, 与建筑的其他构件融为一体。如德国EWE体育馆, 可动的光伏单元既作为太阳能遮阳系统, 又作为发电系统, 与传统玻璃结构融为一体。仅从色彩深度上做了区分。在一些情况下, 根据设计风格的需要, 光伏组件也可以与建筑其他构件产生对比。通过对比来达到色彩或者形式的碰撞。如Oekotec3柏林办事处外立面, 上部采用光伏系统作为材质, 下部采用传统石材和周边建筑呼应。上下色彩、材质均产生强烈对比, 使建筑在传统形式中也诠释了现代建筑的技术魅力。

光伏组件的比例尺度应与建筑整体相协调。如瑞士巴塞尔的诺华公司办公楼 (见图6) , 建筑屋顶有85%的面积为光伏电池。光伏系统与建筑整体已融为一体, 以一种统一的比例尺度将立面与屋顶不同的材质联系起来。

节奏与韵律代表着规律性, 是重复与变化过程中的统一。这种有秩序的变化会在动态的发展中产生建筑的整体美感。如Sainsbury的一个自助加油站屋顶采用了曲线形的光伏构件排布方式, 既符合屋顶的建筑形式需要, 又满足了采集太阳能的要求。曲线形的韵律感给原本单调的建筑带来了灵动感 (见图7) 。

公共建筑因其耗能巨大, 位于所有建筑单位面积能耗量之首。在公建能耗中, 室内温度调节所占的耗能量比例相当大, 约占建筑总能耗的70%。公建用电时间段比较集中, 虽然耗电量大, 但管理集中, 因此节能存在很大潜力。另外, 因为公共建筑往往为多功能、大体量建筑, 外观造型因此多样。这为光伏组件的整合设计提供了可利用的因素。

结合公建的用电及造型特点, 既有建筑光伏一体化改造的方法可以总结为针对光伏系统建筑职能与发电职能设计、优化的过程。总结为以下3点: (1) 优化设计流程利用BIM软件, 建立EPBIPV的外观、幅照度和电气一体化设计的支持平台。平台使用建筑组件与光伏组件进行光伏建筑的集成设计, 通过C#编程扩展接口获取模型的全部数据, 进行转化后分析, 最终得出可视化结果。以此来判断项目设计的合理性和可行性, 并且就现有光伏利用与建筑设计脱节的问题, 实现设计和分析上的无缝化。 (2) 优化布置范围为了最大化利用太阳能, 可以通过改造时扩大南向屋顶面积, 将屋顶与立面整体设计, 增加光伏遮阳构件等方法增加光伏组件的布置面积。 (3) 优化接受光照条件这里涉及到设置方位角、倾斜角和阴影遮挡3方面要求。首先, 北半球地区太阳东升西落, 0° (正南向) 为最佳方位角, 朝向偏离则接收太阳辐射量较少。因此, 最佳方位角应尽可能控制在正南 (0°) 向东西偏转20°以内;其次, 最佳倾角数值上接近当地纬度值, 当然也要考虑到系统供热与供电需求。如, 若是优先考虑夏季发电量, 最佳倾角可取当地纬度减15°;若优先考虑冬季发电量, 最佳倾角可取纬度加15°。再次, 避免周边环境和建筑自身产生的阴影可借助专业软件 (Ecotect analysis, Sunlight等) 模拟基地范围内1d可能存在的阴影区域, 合理规划光伏组件的布置范围;避免相邻光伏组件形成的阴影可以利用公式 (d为相邻光伏组件之间的距离, l为光伏组件的长度, β为光伏组件倾斜角, ε为冬至日太阳正午时方位角) , 计算出合理间距和组件倾斜角。

公共建筑的能耗在总建筑能耗中占据比重大, 节能空间也大, 而且示范效应强。因此, 从既有公共建筑改造的角度考虑光伏系统整合具有显著意义。在此背景条件下, 本文立足于既有建筑光伏一体化改造的经济、环境优势和附加效益, 通过对光伏建筑一体化模式的分析与量化研究, 以及既有公共建筑改造中光伏一体化的原则和优化方法的提出, 以期为大量现存的既有公建提供节能改造参考, 实现其更好的经济和环境效益。