建筑光伏一体化立面技术应用思考

作者 | Author：师劭航 SHI Shaohang，褚英男 CHU Yingnan，高唯芷 GAO Weizhi，宋晔皓 SONG Yehao/ 清华大学建筑学院 School of Architecture,Tsinghua University;清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室，Key Laboratory of Eco Planning &Green Building,Ministry of Education (Tsinghua University)

1.引言

随着全球变暖等环境问题的日益严重，能源节约与低碳发展已成为世界各国的共识[1]，我国也在第七十五届联合国大会中提出了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。建筑在全生命周期产生的碳排放量在总二氧化碳排放量中占比巨大，如何通过“开源节流”的方式降低建筑的能源消耗与碳排放量具有重要意义。可再生能源建筑一体化技术是一种有效的可持续路径。而随着我国《建筑节能与可再生能源利用通用规范GB55015-2021》的颁布与执行，太阳能建筑技术也成为了诸多建筑工作者关注的焦点，规范强调了新建建筑与太阳能系统整合的重要性，并要求太阳能系统通过全年综合利用满足建筑能源需求[2]。

建筑光伏一体化（Building Integrated Photovoltaic，以下简称BIPV）立面指的是将光伏电池集成于建筑立面系统中，取代原有的建筑构件，使之成为建筑能源系统的组成部分[3]。随着分布式发电技术日渐普及，BIPV立面可以通过就地发电，在一定程度上满足建筑运行能耗需求，从而提高了建筑的节能潜力[4,5]。

图2.丹麦根本哈根国际学校的BIPV 立面（图片来源：参考文献[10]）

图3 -a.柔性铜铟镓硒光伏电池（图片来源：参考文献[11]）

图3 -b.柔性CIGS 光伏在曲线型立面中的应用（图片来源：参考文献[12]）

近年来，随着绿色建筑技术的快速发展和新型BIPV产品的不断涌现，BIPV立面设计实践与研究成果越来越多，为相关建筑设计的落成和前沿技术的开发提供了更多可能性[6,7]。本文立足光伏产品、控制策略和整合设计三个方面，对不同BIPV立面技术原型在设计实践中的应用进行了讨论与分析，旨在为高品质BIPV立面项目提供参考或启示。

2.BIPV立面技术的应用思考

建筑立面作为建筑围护结构的重要组成部分，是直观表达建筑艺术的载体，并极大程度上影响了建筑能耗水平[8]，因此，可持续建筑技术在建筑立面中的设计和应用，具有重要的研究意义。BIPV设计实践与建筑形体、建筑功能、项目选址的气候条件与经济水平等密切相关，伴随BIPV材料与工艺的多样化趋势，不同BIPV立面技术的应用可归纳为三个层面：丰富的光伏产品满足了建筑不同的功能与场景需求、性能可调策略提高了建筑节能潜力、整合设计方法实现了外观效果与性能目标的协同优化。

2.1.光伏产品

随着光伏电池技术的不断发展和绿色建筑系统的迫切需要，光伏材料和产品加工工艺的种类越来越多，已有的多样化光伏产品可以满足建筑师的设计需求，建筑设计不再受到产品种类和样式的限制。根据光伏产品在不同类型立面围护结构中的应用，可划分为不透光BIPV立面和透光BIPV立面。

（1）不透光BIPV立面中的光伏产品

对于不透光围护结构，将光伏电池加装于其外表面是一种节约空间、提高能源性能的选择，该BIPV立面原型不会影响室内人员窗景的视线，同时可以实现就地发电。例如位于加拿大的SOLO House（图1），在建筑南立面上安装了32kW的光伏电池，实现了住宅的“离网”运行目标[9]，有效降低了建筑在运行期间的碳排放。

彩色不透光光伏电池为建筑立面创作提供了新机遇。此类光伏立面采用彩色光伏电池固定于建筑外墙，在颜色、模数和表面肌理上打破了人们对光伏建筑的“标签印象”，可以打造独特的建筑外观效果。例如丹麦哥本哈根国际学校（图2）在建筑立面上安装了由SolarLab定制设计的12000块相同的蓝绿色的太阳能玻璃，与常见的晶硅光伏的颜色与肌理都不同，该项目的光伏模块还通过角度的随机设计使得建筑立面形成了丰富的视觉效果；在满足产能需求方面，该国际学校采用的太阳能电池可以在建筑全生命周期层面带来显著收益，据估算该项目可以在投入使用多年后实现能源碳足迹回收，成为一座“免费发电”的学校[10]。

在参数化设计与建造技术蓬勃发展的当下，曲线立面建筑层出不穷，柔性光伏电池具有良好弯曲能力（图3-a），为曲线型BIPV立面的设计和应用提供了可能性（图3-b）。此外，柔性光伏电池在材料运输方面，还发电量最大；而倾斜角度为20°时，光伏系统的全年总电力效益最大。

光伏组件集成于BIPV窗、BIPV幕墙系统中，可以在发电的同时，保留透光围护结构的部分采光性能，适当减少太阳辐射室内得热量，还具有节约建筑材料、节约空间等优势。例如中国北京旭辉零碳空间示范项目的立面中采用的光伏模块阵列分布的光伏玻璃（图9），在外观效果上营造了整齐的立面形态模数；建筑性能方面，同时实现了采光、得热和发电。此项目还结合了屋顶光伏板、太阳能热水等技术措施，多种策略的结合应用有效降低了建筑的运行能耗[18]。而澳大利亚新南威尔士大学的Yang等人[19]则采用建筑性能模拟的方法量化了四种光电光热建筑一体化（BIPV/T）幕墙原型在澳大利亚不同气候区应用的综合性能表现，涉及非晶硅光伏、染料敏化太阳能电池和钙钛矿基太阳能电池三种光伏材料。结果表明，相比于传统技术，基于设定工况，三个代表城市达尔文、悉尼和堪培拉的BIPV幕墙实现的总节能率均可达30%以上，堪培拉地区性能表现最佳的幕墙原型总节能率可达106%，有效论证了BIPV幕墙的综合节能效益。

较为特殊的是，染料敏化电池、碲化镉电池等彩色透光薄膜光伏可以打造出特色建筑空间与室内光环境，并一定程度上优化室内热环境。例如瑞士科技会展中心（图10）的建筑立面采用了300平方米的透光染料敏化电池光伏玻璃，采用的红色和橙色电池模块可以阻挡一部分太阳辐射进入室内，避免了室内温度过高[20]。此外，碲化镉电池同样可以拥有彩色透光的特性，例如瑞典 Vallastaden 立体车库的立面（图11）采用的双层皮结构，外侧表皮使用了彩色碲化镉薄膜电池；该双层皮结构还集成了LED照明设计，可以在夜间焕发光彩[21]。但此类BIPV立面技术的应用也存在一定短板，在特殊功能的建筑或房间中使用时，需要综合考虑人员的视觉与色彩感知问题[22]。

2.2.控制策略

随着建筑节能技术的推广与人们对室内环境要求的不断提高，BIPV立面逐渐从以往的稳定性立面转向性能可调立面。BIPV产品应结合智控系统、性能可变材料等前沿技术，实现室内物理环境的动态优化、挖掘性能可调BIPV构造的节能效益。基于不同的构造方式，性能可调BIPV立面主要可分为三类：光伏构件可调立面、性能可调光伏幕墙和光伏智能窗。

（1）光伏构件可调立面

光伏构件可调立面通过对环境的动态响应，可以调控建筑的室内被动辐射得热和天然光分布，有效优化了建筑的“光电热”性能，从而达到节能目的。例如瑞士苏黎世联邦理工学院的Nagy等人[23]提出了一种模块化的动态BIPV遮阳系统（图12），基于建筑性能模具有重量轻、灵活性强、运输成本较低和不易发生运输损坏等优势[11]。

图4.不同光伏产品模拟建筑立面应用场景的实验测试（图片来源：作者自摄）

图5.不同光伏产品在模拟建筑立面实验中的光电转化率对比（图片来源：作者自绘）

图6.不同光伏产品在模拟建筑立面实验中的温度对比（图片来源：作者自绘）

表1.不同光伏产品户外实验中的热性能分析（表格来源：作者自绘）

在性能实测方面，笔者研究团队采用单晶硅、多晶硅、碲化镉和铜铟镓硒四种不透光光伏产品，模拟它们在建筑立面中的应用场景（图4），并以北京地区夏季为例，探究了不同光伏产品的电热性能差异。通过性能测试与数据挖掘建立了光伏性能实测数据集，包含光伏产品的光电转化率、光伏温度、环境温度、太阳辐射强度等指标（图5，图6，表1）。

由实验数据可知，光电转化效率方面，四种光伏电池的转化效率平均值排序为单晶硅＞铜铟镓硒＞碲化镉＞多晶硅。光伏板温度方面，碲化镉在夏季温度可达近70℃，平均温度高于另外三种光伏电池；结合光伏板温度与环境参数的相关性分析，可以看出，与不同光伏产品温度高度相关的变量参数主要包括太阳辐射强度、室外温度和风温，而太阳辐射强度对光伏板温度的影响排序为碲化镉＞多晶硅＞铜铟镓硒＞单晶硅，究其原因，主要与不同光伏产品的表面发射率有关。

虽然不同的光伏产品的光电转化效率、热性能存在差异，但是它们有各自适用的立面场景。以碲化镉电池为例，在弱光条件下其性能表现更佳[13]；此外，当前研究实验是夏季进行的，BIPV立面的光伏选材需要根据设计与技术目标综合考虑光伏产品全年的性能表现，以及光伏系统经济性[14]、能源回收期和温室气体排放回收期[15]等因素。

（2）透光BIPV立面中的光伏产品

基于绿色建筑“少费多用”的理念和BIPV产品的一体化特征，光伏构件在透光立面围护结构中的应用往往可以集成多种功能。BIPV产品不再局限于发电，还可结合建筑遮阳、余热利用等技术优化特定能源目标，拓展建筑节能的维度。

光伏遮阳设备兼具了遮热和光伏产能两方面效益，可以有效减少夏季室内得热，从而减少建筑制冷能耗，因此尤其适用于我国夏热冬暖地区等炎热气候区。例如中国广州珠江城大厦在建筑窗檐中加入了光伏组件（图7），形成了光伏遮阳立面[16]，有效提高了建筑的节能潜力。但需要注意的是，光伏遮阳设备在不同气候区的适用性存在差异，其全年总节能潜力应进行综合模拟评估，以确定最佳设计参数能否满足预期的建筑能源目标。中国香港理工大学的Zhang等人[17]采用EnergyPlus建筑性能模拟软件研究了在香港地区将光伏板作为固定式外遮阳构件（图8）的最佳角度，选取的评价指标包括光伏遮阳系统的热性能、采光性能和发电性能，即综合考虑了遮阳设备导致的冬季供暖和人工照明能耗的增加。结果表明，不同能源目标导向的光伏遮阳构造的最佳设计角度并不相同——光伏遮阳构造倾斜角度为30°时，光伏系统的拟软件数据显示，在温和地区的设定情况下，该系统的总节能率可达25%；如果在炎热气候应用该构造，其综合节能效果可能更好。

图7.中国广州珠江城大厦项目中的光伏遮阳一体化设计（图片来源：参考文献[16]）

图8.固定式光伏外遮阳系统示意图（图片来源：参考文献[17]）

图9.中国北京旭辉零碳空间示范项目中的光伏玻璃（图片来源：素朴工作室）

（2）性能可调光伏幕墙

光伏幕墙可以整合通风可调、传热可调等功能，从而根据环境变化或室内人员需求做出快速响应，以实现建筑节能目标。以通风性能可调幕墙为例，由于双层幕墙空腔的温室效应，当空腔关闭时，在太阳辐射主导作用下，其内的温度会比开启状态下的温度更高，因此在不同季节，开启和关闭BIPV幕墙可以在一定程度上改进室内热舒适。例如韩国农村研究所未来农业部的Lee等人[24]在一间南向办公室安装了一种通风和发电性能可调的BIPV幕墙系统（图13），并通过软件模拟与性能实测结合的方式，针对该幕墙原型研究了不同季节调控策略的节能潜力。冬季和夏季该幕墙有不同的操作模式——冬季关闭光伏组件减少对流换热，夏季则通过开启光伏组件增加对流换热；此外，在夏季，当角度可调的光伏组件开启时，太阳能电池由垂直转变为倾斜，增加了光伏表面辐射量，一定程度上提高了光伏系统的产能。实验结果显示，该构造可以有效改进冬季室内热舒适，还可以降低夏季至少10%的制冷能耗。

（3）光伏智能窗

将性能可变材料集成于BIPV窗系统中形成的光伏智能窗，具有就地发电、不额外占用空间等优点。整合了变色玻璃的光伏器件在变色过程中，太阳辐射透过率和可见光透过率均会发生改变，因此未来如果能将相关构造应用于窗系统中，将实现巨大的减碳效益。例如意大利CNR纳米科学研究所的Malara等人[25]研发了一种电致变色智能光伏组件（图14），其可以实现光伏发电的同时，调整其光学透过率，即改变室内得热与采光分布情况，可以有效降低建筑制冷能耗水平。而英国诺丁汉大学的Connelly等人[26]研制了一种新型光伏热致变色窗模块（图15），该组件中的热致变色层可以根据环境温度变化被动地呈现出不同的透光性能，智能地调控室内得热与采光，实现节能目标——冬季室外温度较低，光伏智能窗呈现透明状态，可以有效增加太阳辐射室内得热量；夏季室外温度较高，窗户呈现半透明状态，与之对应的太阳辐射室内热增益减少。但是应当注意的是，变色玻璃在窗系统中应用时需要评估其变色能力的循环稳定性，因为这可能会在一定程度上限制BIPV智能窗的使用寿命。

2.3.整合设计

随着国内外绿色标准的推广普及，以及各类光伏产品的市场化，BIPV立面项目应关注设计与技术的深度整合，避免以光伏系统发电量作为唯一设计目标，旨在保障建筑外观效果、集成优化建筑采光传热等多方面性能。具体而言，BIPV立面项目的整合设计可以从建筑单体、建筑与周围环境两个层面开展优化设计。

（1）建筑单体整合设计

整合设计导向的BIPV立面建筑单体，应采取适宜的外观设计与技术策略来回应建筑空间功能、所处的气候环境等，使得光伏系统与建筑单体具有良好的协调性。BIPV产品不只是简单的立面构件，还在建筑外观效果、建筑性能优化、空间利用等方面兼顾一定支持作用。例如位于韩国首尔的FKI大厦（图16-a）的折线形建筑立面，交替地采用了晶硅光伏组件和采光玻璃，营造了立面形态整齐的韵律感，同时，光伏系统还可以有效满足建筑能耗需求。该项目的光伏板与采光玻璃的角度经过了精细化设计，二者分别设置为30°和15°（图16-b），以保证不透光的光伏部分发电量最大和透光部分辐射得热最小化[27]，实现了建筑美观与性能优化的协调统一。而在中国河北省的“2021国际太阳能十项全能竞赛”的草原方舟项目（图17）中，设计团队采用了屋顶立面一体化光伏设计，基于玻璃衬底的碲化镉电池可以在日间反射出周围景物及天空的镜像效果，具有创新性。此外，该项目的光伏构造的倾斜角度经过预先的模拟计算，确保可再生能源系统发电量充足。光伏构造背后还预留出了空腔，便于维修人员进入空腔中检修机电系统，还可以用于储物，实现了空间的高效利用；性能优化层面，此空腔还保证了光伏电池的有效散热——防止温度过高导致的光伏系统损坏或光电转化率降低。因此，草原方舟的BIPV设计将建筑外观效果、光伏系统产能、闲置空间综合利用等多项要素自然地集成在一起，实现了整合优化设计。

（2）建筑与周围环境整合设计

BIPV立面的外观效果设计应当保证与周围环境有良好的协调效果，在光伏立面设计的过程中应当充分关注建筑所在片区的城市街道肌理、场地周围建筑的体量模数、场地周围建筑表皮的色彩与材料等；BIPV立面技术的应用还应考虑建筑本体对太阳光的自遮挡，或场地环境对建筑立面光伏系统的遮挡（图18），以减少因遮挡现象导致的光伏系统发电量的折损[28]。

图10.瑞士科技会展中心的染料敏化光伏立面（图片来源：参考文献[20]）

图11.瑞典 Vallastaden 立体车库的彩色幕墙（图片来源：参考文献[21]）

图12.动态BIPV 遮阳系统的构造原型（图片来源：参考文献[23]）

图13.一种性能可调的光伏双层幕墙（图片来源：参考文献[24]）

图14.光伏器件变色前后的光学透过效果（图片来源：参考文献[25]）

3.总结

BIPV立面可以有效利用可再生能源实现产能，不仅降低了建筑能耗水平，还可以优化建筑外观效果，是一种极具前景的建筑技术。本文基于国内外建成项目与前沿研究中的BIPV立面原型，提出了BIPV立面技术的应用思考，相关讨论与分析可以为未来的设计实践提供参考或启示。丰富的光伏产品满足了建筑不同的功能与场景需求，性能可调策略提高了建筑节能潜力，整合设计方法实现了外观效果与性能目标的协同优化。BIPV立面在建筑的设计与技术两个维度有着长足的应用前景与推广价值，将会在我国“2030碳达峰”、“2060碳中和”背景下助力打造越来越多的可持续建筑。

图16.韩国首尔FKI 大厦

图15.光伏智能窗在夏季和冬季具有不同的光学透过率（图片来源：参考文献[26]）

图17.草原方舟采用的BIPV 技术

图18.BIPV 项目受到的太阳辐射遮挡（图片来源：参考文献[28]）

本研究由国家自然科学基金项目(52078264)支持