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市场动态

【资讯】光伏建筑的整体造型和细部设计!

时间:2018/8/7 10:21:10   作者:本站编辑   来源:绿建斯维尔   阅读:2087   评论:0

【资讯】光伏建筑的整体造型和细部设计!

【资讯】光伏建筑的整体造型和细部设计!

光伏建筑的整体造型和细部设计

作者:徐燊  李保峰

原文发表于《建筑学报》2010年1月,本微信推文在原文基础上有一定删减。

《建筑学报》是建筑学学科的权威期刊

光伏建筑

(Building Integrated Photovoltalic)是将光伏材料继承与建筑外维护结构的节能建筑。其核心关键词——集成(Integrated),具有三层含义:第一,设计中需要考虑光伏构建的布置方式以获得更多的电能;第二,光伏材料的使用应以符合其工程特性的造型展现新的建筑美学;第三,集成光伏材料的建筑维护结构要具有良好的热工性能和防水性能。

光伏材料在太阳辐射下会产生“光伏效应”(Photovoltaic Effect)。目前市场上批量生产用于建筑的光伏材料主要是单晶体硅、多晶体硅、非晶体硅。其中单晶体硅和双晶体硅光伏材料的光电转化效率高,但造价高,并且光电转化效率受太阳直接辐射和表面温度的影响较大;非晶体硅光伏材料的光转化率低,造价也较低,光电转化效率受太阳直接辐射和表面温度的影响较小。

光伏材料在建筑中使用的发电效果,不仅材料本身特性有关,还与建筑所在环境气候条件、光伏模块的布置方式和位置、以及周边场地等因素相关。

一、光伏建筑整体造型

在光伏建筑的设计阶段,建筑师就要考虑挖掘太阳能利用的潜力,采用更有利光伏构建布置的建筑造型。

1.1 竖直面(或者水平面)

竖直的墙面和水平的平屋顶,只要朝向合适,都可以布置光伏构件。但具体采用何种布置方式,要考虑当地的地理纬度和墙面或者屋面的面积。考虑到太阳高度角,高纬度地区(50  °以上) ,竖直面接收太阳直接辐射较多,而低纬度地区(50 °以下),水平面接收的太阳直接辐射较多。

对于高层建筑(图1-1),竖直墙面的面积较多而屋顶面面积有限,南向墙面可布置光伏材料。高纬度地区,光伏墙面更适合采用单晶硅或者多晶硅光伏材料,因为其光电转化效率较高。而低纬度地区的高层建筑,光伏墙面更适合选用非晶体硅光伏材料,因为低纬度地区建筑的南向墙面获得太阳直接辐射明显少于屋面和东西墙面,在室外较高的气温情况下,非晶体硅材料的光电转化率随表面温度衰减较小,加上造价远低于晶体硅材料,因而更适宜低纬度的高层建筑墙面。

【资讯】光伏建筑的整体造型和细部设计!图1-1 竖直面

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图1-2 CIS 大厦

工程实例: CIS大厦(CIS Tower,Manchester, UK,图1-)

1.2 倾斜面

南向的倾斜面可获得最佳的太阳直接辐射,有利于光伏构件的布置。基于建筑造型的考虑:对于住宅和别墅,南向坡屋顶是天然的倾斜面;对于公共建筑,可考虑协调建筑功能,在造型上设计出南向倾斜面(图1-3)。

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图1-3 倾斜面

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图1-4 多克斯福德国际办公楼

工程实例:多克斯福德国际办公楼(Doxford International, Sunderland, UK, 图1-4)

1.3 退台

南向退台(图1-5) 可以增加接收太阳辐射的面积,同时也有利于降低周边建筑遮挡对光伏材料发电的不利影响。

工程实例:中意清华大学环境能源楼(Sino-Italian Environment and Energy Building, Beijing, China, 图1-6)

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图1-5 退台

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图1-6 中意清华大学环境能源楼

二、光伏建筑的细部设计

2.1 坡屋面

坡屋面的布置方式较平屋面和竖直墙面,光伏材料发电效率更高。坡屋面布置光伏构件分为 两种方式:一种是在现有的屋面系统上铺设光伏构件,称为铺设式(图2-1);另一种是把光伏构件集成到屋面系统内,称为嵌入式(图2-3)。前一种方式光伏构件只负责发电,原有的屋面系统负责保温防水,二者相互独立,这种方式特别适合改建和加建项目,可根据屋面的不同材料(瓦、金属)采用不同的构造连接方式。后一种方式,光伏材料和屋面系统合二为一,具有光伏发电、保温防水防噪、屋顶采光等多种功能,结构更可靠,但造价较高。

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图2-1 坡屋面-铺设

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图2-2 坡屋面-铺设

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图2-3 嵌入式

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图2-4 意大利罗马儿童博物馆

工程实例:荷兰尼乌兰住宅(House in Nieuwland, Amersfoort, Netherland, 图2-2);意大利罗马儿童博物馆(The Children’s Museum of Rome, Italy, 图2-4)。

2.2 平屋面

平屋面光伏构件的布置有支架式和嵌入式两种。支架式布置光伏构件以倾斜面接收太阳辐射,其光伏阵列可以调整倾斜角、方位角和间距,获取最大发电效率。支架式构造简单,适用于各类平屋面建筑。光伏构建和建筑之间相对独立,对提升建筑美观的作用较小(图2-5)。嵌入式布置方式是在屋面系统集成光伏材料。光伏构件的使用可以与被动式利用太阳能、自然采光相互协调,有利于降低建筑能耗(图2-7)。但水平的光伏构件难以利用雨水自洁,灰尘和树叶会降低其发电效率,因此需要定期清扫。平屋顶的建筑也可以同时使用两种布置方式,不需要天窗的部分屋面采用支架式,需要设置天窗的部分采用嵌入式。

工程实例:北加州日本文化社区中心(Japanese Cultural and Community Center of Northern California, San Francisco, USA, 图2-6);德国蒙塞尼斯培训中心(Mont Cenis Academy, Herne, Germany, 图2-8)。

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图 2-5 平屋面-架设

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图 2-6 北加州日本文化社区中心

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图 2-7 平屋面-嵌入

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图 2-8 德国塞尼斯培训中心

2.3 曲屋面

曲线光伏屋面有铺设式和嵌入式两种。曲屋面的造型本身往往是建筑设计的亮点,需精心选择光伏材料的光泽、色彩和纹理,设计中突出光伏材料的视觉表现力(图2-9)。

工程实例:德国壳牌太阳能电池工厂(Shell Solar Factory in Gelsenkirchen, Germany, 图2-10)

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图 2-9 曲屋面

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图 2-10 德国壳牌太阳能电池工厂

2.4 中庭

中庭上铺设光伏构件的构造处理方式,同嵌入式的墙面或屋面类似。办公楼、商场展览建筑中,往往设有中庭,夏季大量的太阳辐射使中庭成为建筑节能的薄弱环节。在中庭上布置光伏构件,一方面可获得电能,另一方面可有效控制室内照度,避免室内热负荷过大(图2-11)。

工程实例:荷兰生态公园游客中心(Information center for ecological building in Boxtel, Netherland,图2-12)

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图 2-11 中庭

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图 2-12 荷兰生态公园游客中心

2.5 竖直墙面

在竖直的墙面上布置光伏构件是较直接的方式。考虑到建筑立面效果,光伏的颜色需要与其他建筑材料协调。光伏构件的构造方式可根据不同墙面系统(实墙、窗户与窗间墙、玻璃幕墙)来确定,总体上可分为外挂和内嵌两种方式。考虑到采光和视线的因素,在竖向高度上要区分光伏材料的不透明度,如视线范围内采用透明玻璃窗或半透明光伏材料,其他可采用不透明光伏材料(图2-13)。

工程实例:苏黎世理工学院学生之家(Student housing, the swiss federal institue of technology in Lausanne, Switzerland, 图2-14) 。

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图 2-13 竖直墙面

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图 2-14 苏黎世理工学院学生之家

2.6 水平向锯齿状墙面

建筑平面布局有时不能面向太阳光辐射最优的朝向,局部采用水平向锯齿状布置方式,以此优化光伏构件布置的方向,变化的造型也改变了建筑的视线和景观(图2-15)。

工程实例:德国柏林环境技术中心(Environmental Technol- ogy Centre in Berlin, Germany, 图2-16) 

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图 2-15 水平向锯齿状墙面

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图 2-16 德国柏林环境技术中心

2.7 竖直向锯齿状墙面

为使光伏构件获得更多的太阳辐射,可采用竖直向锯齿状墙面的设计方式。人视线以上的墙面倾斜向上,外侧布置光伏构件;人视线以下的墙面倾斜向下,布置窗和墙体。从剖面上看,建筑每层锯齿状凸出,景观视线和遮阳问题一并解决。但该方式会造成建造施工和清洁维护的不便(图2-17)。

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图 2-17 竖直向锯齿状墙面

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图2-18 奥地利低能耗办公楼

工程实例:奥地利低能耗办公楼(Energy Base office, Vienna, Austria, 图2-18)

2.8 遮阳

光伏构件可布置在遮阳板上,成为建筑的附属构件,光伏遮阳板与建筑表皮独立,不影响外墙的保温、防水和防噪。对于新建或改建的情况都比较适用,建造成本也较低(图2-19)。

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图 2-19 遮阳

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图 2-20 荷兰能源研究中心31号建筑

工程实例:荷兰能源研究中心31号建筑(ECN 31,Petten,Netherland, 图2-20)

三、结语

随着化石燃料的日渐枯竭及有关的环境污染,可再生能源的利用受到世界范围的重视和关注。欧美日等发达国家十多年前就启动了各自的“太阳能屋顶计划”,光伏建筑在这些国家有一定程度的普及。光伏建筑在我国的发展尚处于示范工程为主,逐步走向普及的阶段。2009年3月和7月国家先后出台两道“光电新政”,以国家财政补贴支持利用可再生能源的建筑项目,无疑为光伏建筑的推广提供了助推器。我国建筑师当以此为契机,在学习和分析已建光伏建筑设计手法的基础上,从建筑的全局观出发,创作融合建筑美学和光伏技术的新作品。

 


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