建筑改造中應(yīng)用光伏技術(shù)的建筑實例研究

    太陽能光伏技術(shù)是直接將太陽光轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。1839年，法國物理學(xué)家貝克勒爾(Becqurel)發(fā)現(xiàn)了“光生伏打效應(yīng)”‘photovoltaic effect)，1954年美國貝爾實驗室首創(chuàng)了轉(zhuǎn)化效率為6%的實用單晶硅太陽能電池。最初光伏技術(shù)主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域，但隨著光伏電池制造成本的下降和光電轉(zhuǎn)化效率的提高，光伏技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個民用領(lǐng)域。    
            

    將光伏材料集成于建筑的屋面和墻面就產(chǎn)生了光伏建筑（Building Integrated Photovoltaic，簡稱BIPV )。這種做法既擴(kuò)展了可再生能源的應(yīng)用范圍，又為建筑創(chuàng)作注入了新的活力。在建筑改造項目中。因地制宜地應(yīng)用太陽能光伏技術(shù)，可提升原有建筑物的性能并適用于新的用途。本文先分析兩個應(yīng)用光伏技術(shù)的建筑改造工程實例。

    羅馬兒童博物館(The Children's Museum of Rome, Italy)位于羅馬的中心城區(qū)。改建前是市屬公交系統(tǒng)的廢舊綜合倉庫，建筑原建于1920年。其結(jié)構(gòu)采用的是鋼材和鑄鐵搭建的桁架(圖1)。它突出反映了當(dāng)時的建造工藝。因而該建筑的結(jié)構(gòu)體系被納入歷史保護(hù)目錄。市政府在城市更新的建設(shè)中決定把這座大通間的廠房改造成兒童博物館，并提出了兩點構(gòu)想：其一是為孩子們提供寓教于樂的體驗，其二是體現(xiàn)對環(huán)境的尊重。因此當(dāng)設(shè)計者提出將太陽能光伏技術(shù)引入建筑改造時，得到了業(yè)主的認(rèn)可和支持。他們申請了歐盟支持替代能源示范性應(yīng)用的專項基金THERMIE，為將昂貴的光伏組件應(yīng)用于改造項目鋪平了道路。


    

    該建筑改造有兩處集成了光伏組件，屋面上有8.2kWp的光伏天窗。南面屋檐處有7kWp的光伏遮陽篷(圖2)。光伏遮陽篷可以根據(jù)太陽高度角和方位角，在機(jī)械控制下伸出或者收回，避免夏天過多的太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)。屋頂?shù)墓夥�天窗包括沿屋脊通長天窗和展覽空間上部長方形天窗，整個多晶硅光伏遮陽篷和天窗的發(fā)電量可以滿足建筑運行電力需求的30%，并可節(jié)省60%的人工照明。在光伏天窗的設(shè)計中，建筑現(xiàn)有桁架的間距和標(biāo)準(zhǔn)光伏組件難以取得模式上的協(xié)調(diào)。如果采用非標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件則會增加造價。建筑師的解決方案是把光伏組件與透明的Low-E玻璃模塊相間布置來滿足桁架間距(圖3)，這樣設(shè)計不僅有利于保證室內(nèi)天然采光，而且陽光通過透明的玻璃和不透明的光伏電池單元。在室內(nèi)形成了光影斑駁的美妙效果。在光伏遮陽篷的設(shè)計過程中，建筑師曾設(shè)計了多達(dá)9種光伏組件的布局方案(圖4)。并利用計算機(jī)模擬分析各種方案的室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境狀況，核算相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)造價，綜合權(quán)衡室內(nèi)環(huán)境效果和經(jīng)濟(jì)因素而確定最終的實施方案(圖5)。

    在該建筑改造中。光伏技術(shù)還與其他生態(tài)技術(shù)相得益彰�？烧{(diào)節(jié)的光伏天窗減少了室內(nèi)的采暖(冬季)和制冷(夏季)的負(fù)荷。建筑在冬季和夏季設(shè)有不同的被動式通風(fēng)模式(圖6, 7)，提高室內(nèi)舒適度的同時也減少建筑運行能耗。此外，室內(nèi)還設(shè)置了一處淺淺的噴泉嬉戲池。位于長方形光伏天窗之下(圖8)。意大利的夏季炎熱干燥，水噴在多孔的石制表面，加速的自然蒸發(fā)可保證室內(nèi)溫度維持在人舒適的范圍內(nèi)。在羅馬兒童博物館中，光伏技術(shù)突顯了高科技的特色，迎合了建造初衷，光伏系統(tǒng)本身也成為展品。設(shè)計者特別把太陽能光伏系統(tǒng)各個電器組件和電路走線暴露出來，并以各種鮮艷的顏色標(biāo)示其相互關(guān)系，向兒童們生動地展示了太陽能如何轉(zhuǎn)化為電能，而電流又流向何處。展廳中還有一處新奇的響鈴和噴水裝置吸引兒童的關(guān)注。它是由光伏系統(tǒng)供電，從旁邊的指示牌還顯示出累計產(chǎn)生了多少電能。

    由于建筑結(jié)構(gòu)體系納入了歷史保護(hù)名錄，安裝光伏天窗和遮陽籠的構(gòu)造設(shè)計細(xì)致考慮了與原有結(jié)構(gòu)的搭接方式，既沒有替換現(xiàn)有結(jié)構(gòu)組件,也沒有直接向原組件上打入螺釘。光伏組以不顯眼的方式與原有結(jié)構(gòu)連接，構(gòu)造方案在文物和美術(shù)保護(hù)辦公室的批準(zhǔn)后才得以實施。羅馬兒童博物館是意大利首個在建筑中大規(guī)模使用光伏技術(shù)的項目，在其具體建造實施的許多細(xì)小環(huán)節(jié)中也出現(xiàn)過一些麻煩，設(shè)計師、工程師、光伏組件供應(yīng)商和建筑施工人員通過密切協(xié)作逐一化解了各種問題。建筑改造完工后對其進(jìn)行了近5個月的監(jiān)測，光伏系統(tǒng)發(fā)電8800kWh，折算到一年估計可發(fā)電1.8萬kWh,相比傳統(tǒng)建筑每年減少建筑能耗3萬kWh，每年減少CO₂排放18.9t。這個建筑改造項目收錄在德國意大利合作研究項目“PVACCEPT"中，該研究旨在促進(jìn)建筑視覺美學(xué)成為光伏建筑設(shè)計中的重要考慮因素，特別是在既有建筑文脈和歷史建筑中讓光伏材料與建筑以一體化的方式集成起來。

    荷蘭能源研究中心(Energy Research Centre of the Netherlands)是歐洲著名的能源科研機(jī)構(gòu)，位于荷蘭的小鎮(zhèn)帕滕(Petten)。其研究領(lǐng)域包括能源產(chǎn)業(yè)政策、工業(yè)能效、可再生能源、清潔能源燃料等，該研究中心也致力于前沿科技開發(fā)在市場普及應(yīng)用，因而其建筑自然成為應(yīng)用其科研成果的實驗場。
  

    該研究中心的31號建筑建于1963年，主要功能是辦公室和實驗室(圖9)�！敖ㄖ�環(huán)境中的可再生能源”研究小組對現(xiàn)有的31號建筑作了細(xì)致的分析評估，發(fā)現(xiàn)存在諸多問題:建筑的保溫性能差。存在建筑熱橋;有些地方太陽輻射過度，而有些地方則日照不足;實驗室的通風(fēng)頻率過高，能效低且室內(nèi)不舒適;采暖和電力的能耗過大，經(jīng)測算分別為140kWh/m3和80kWh/m3;室內(nèi)比較干燥。基于建筑評估，建筑改造確定為提高室內(nèi)環(huán)境和舒適性。降低建筑能耗，充分利閑太陽能以此減少溫室氣體的排放。改造的目標(biāo)是減少75%的采暖能耗和35%的用電能耗，使建筑綜合能耗下降到80kWh/m3。擬采用的措施包括:墻體改造、安裝光伏系統(tǒng)、改善自然光的利用、提高供熱通風(fēng)系統(tǒng)以及使用低能耗的設(shè)備。另外，建筑使用功能稍作調(diào)整。原來南向的實驗室改作辦公室。而原來北向的房間用作實驗室。

    為解決室內(nèi)過熱的問題，可考慮的措施是空調(diào)和遮陽，而使用空調(diào)會增加運行能耗。荷蘭7月平均氣溫約21℃，極端高溫的日子很少，經(jīng)計算機(jī)模擬測算，如果遮陽設(shè)置合理，不需要空調(diào)也能滿足夏季室內(nèi)熱舒適。綜合這些因素，考慮把光伏材料集成到遮陽構(gòu)件上，為確定光伏遮陽的實施方案。研究人員采用三步驟進(jìn)行研究性設(shè)計和建造。

    第一步是初步設(shè)計和計算機(jī)模擬分析。綜合考慮室外的美觀與室內(nèi)采光，確定光伏遮陽的細(xì)節(jié)—是緊靠墻面還是與墻面間隔一段距離。遮陽板采用寬度較小、間距較小的密集布置方式，還是采用寬度較大、間距較大的稀疏布置方式�？紤]到美觀和原有墻面、窗戶的清潔。加建的遮陽板距離原有墻面80cm，與原有建筑結(jié)構(gòu)連在一起�？紤]到自然采光，遮陽板的寬度和間距與其后房間的進(jìn)深有關(guān)，經(jīng)過計算機(jī)模擬，得到一些初步數(shù)據(jù)。第二步是制作1:10的遮陽板實體模型并進(jìn)行天然光實驗。以此確定綜合考慮太陽能利用、遮陽、室內(nèi)采光等因素的最優(yōu)布置方式是:每層設(shè)里4片光伏遮陽板。每片遮陽板與水平面的夾角為37。，每層齊視線高度的遮陽板可手動改變角度(圖10)。第三步是局部1:1的足尺建造并進(jìn)行監(jiān)測實驗。在建筑的一個開間單元上按1:1的尺寸局部建造了一樓和二樓的光伏遮陽板(圖11), 并隨后進(jìn)行了為期4個月監(jiān)測實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遮陽板的效率達(dá)85%(只有15%的太陽直射光落在建筑立面墻體上)，與安裝前相比，室內(nèi)光環(huán)境和熱環(huán)境都得到了明顯改善，有充足的天然光照度并均勻度較好。1:1建造也驗證了光伏組件與金屬遮陽板的機(jī)械連接、光伏系統(tǒng)的電路連接等問題。在局部1:1建造和監(jiān)測階段，遮陽板半成品的樣子令人對其在整棟大樓安裝后的外在形象有所擔(dān)心(圖12)，但整個建筑改造完工后，煥然一新的立面造型、水平向線條形成的韻律獲得了較好的視覺主觀評價(圖13)。

    此外31號建筑還加建了一個光伏屋頂，原有屋頂層作為新增的設(shè)備層。具體做法是在原有屋頂上架設(shè)新的鋼結(jié)構(gòu)曲線屋架，鋼屋架上鋪設(shè)保溫層和防水層。并把定制的光伏組件支架錨固在屋架上，最后將光伏材料固定在支架上(圖14)。其構(gòu)造方式兼顧了光伏組件布置和屋面防水。

    上述兩個建筑改造項目在應(yīng)用太陽能光伏技術(shù)上各有特色。羅馬兒童博物館的改造項目把光伏系統(tǒng)納入建筑展示功能，光伏材料和其他建筑材料的結(jié)合既滿足了建筑模數(shù)，又產(chǎn)生了奇妙的光影藝術(shù)效果。光伏組件和原有結(jié)構(gòu)“無縫”銜接。光伏技術(shù)與建筑改造全面地融合。而荷蘭能源研究中心31號建筑的改造項目突出了光伏技術(shù)對建筑環(huán)境的影響，基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒�、�?xì)致的分析、循序漸進(jìn)的建造方式把光伏組件和建筑融合起來。兩個工程實例的共性是對既有建筑進(jìn)行了評估，充分考慮運用光伏技術(shù)的基本條件，借助計算機(jī)模擬分析和設(shè)計。把造價因素作為重要的設(shè)計考慮因素，重視光伏材料的集成方式，在建成后進(jìn)行相關(guān)評估和監(jiān)測。

    利用太陽能光伏技術(shù)改善原有建筑物的能耗性能，滿足其新的功能需要而進(jìn)行的建筑改造是一項富有挑戰(zhàn)的工作，應(yīng)該遵循科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ê筒襟E。
   

    1、氣候場地分析和現(xiàn)有建筑評估

    首先要掌握建筑所在地的氣候條件，包括常年的溫度、濕度、太陽輻射、降雨、風(fēng)向風(fēng)速等氣候數(shù)據(jù)。其次，光伏技術(shù)依靠太陽能，因而對遮擋較為敏感。建筑場地周邊是否有高大的建筑或者茂密的樹木、建筑形體是否會形成自遮擋。都影響到建筑改造中是否適宜采用或者如何布置光伏組件。

    其次應(yīng)分析、評估既有建筑的環(huán)境性能，包括建筑運行能耗、保溫隔熱性能、天然光利用、通風(fēng)組織、室內(nèi)人體舒適性等，尋找現(xiàn)狀中導(dǎo)致能耗表現(xiàn)不佳的主要原因。同時還要了解現(xiàn)有建筑的結(jié)構(gòu)狀況。對改造中功能方面的調(diào)整和光伏組件的布置方式提供結(jié)構(gòu)支持。
 

    2、建筑改造方案的考慮因素

    (1)建筑形象與光伏一體化策略。相比于其他生態(tài)節(jié)能改造技術(shù)。如地源熱泵或者雨水收集，基本不對建筑形體產(chǎn)主直接影響,集成在現(xiàn)有建筑表皮上的光伏技術(shù)則顯著地改變了建筑形象;為適應(yīng)現(xiàn)有建筑狀況，選擇光伏材料的顏色、材質(zhì)、裝飾以及尺寸模數(shù)須十分慎重。比如在色彩上，以硅為原料的光伏材料一般呈現(xiàn)黑色、藍(lán)色、深藍(lán)色和褐色，而帶有罩面材料的光伏組件還能呈現(xiàn)綠色、青色、紫色等。此外，為實現(xiàn)光伏材料與建筑墻體或屋面的一體化，要在滿足建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和建筑防水的基礎(chǔ)上，優(yōu)化光伏組件的架設(shè)措施和構(gòu)造方式。

    (2)光伏技術(shù)與其他生態(tài)技術(shù)的協(xié)調(diào)。為降低建筑能耗，改善建筑環(huán)境性能的改造往往會采用多種生態(tài)技術(shù)。它們之間需要配合和協(xié)調(diào)，力求“1+1>2”的效果。比如光伏天窗可能造成室內(nèi)眩光和過熱。因而設(shè)置光伏天窗時要考慮布置的位置、大小和間距;又如光伏材料容易在太陽輻射下被曬熱而減少光電轉(zhuǎn)化率，光伏組件背后的空氣流動有利于阻止其溫度升高。因而光伏組件的布置要考慮通風(fēng)的因素。簡言之。光伏技術(shù)需要與采光、通風(fēng)、被動式利用太陽能等統(tǒng)一考慮。基于建筑整體節(jié)能而確定改造方案。

    (3)經(jīng)濟(jì)可行性分析。雖然光伏材料的價格呈下降趨勢并預(yù)測將近一步降低，近30年其價格已經(jīng)減少了2個數(shù)量級，但是相對傳統(tǒng)建材仍然價格不菲，因而需要對光伏技術(shù)在建筑改造項目中作經(jīng)濟(jì)可行性分析。為改造方案的優(yōu)選和決策提供依據(jù)。

    3、使用后評價與監(jiān)測

    在建筑改造完成并投入使用后一定時間內(nèi)，宜對其運行物理狀況進(jìn)行監(jiān)測，并對使用者的意見和需求進(jìn)行社會調(diào)查和評估。通過反饋數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，并與設(shè)計預(yù)期目標(biāo)相對照，可以及時發(fā)現(xiàn)缺陷加以補(bǔ)救并為日后其他建筑改造設(shè)計積累經(jīng)驗。實測的物理數(shù)據(jù)可包括光伏系統(tǒng)性能、建筑能耗和室內(nèi)舒適性等指標(biāo)，而通過問卷調(diào)查和人員訪談，可以了解人們對建筑改造的認(rèn)同和主觀評價，對光伏建筑形象的喜好和美學(xué)感受。

    三   結(jié)  語

    可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)今時代人們的共識。也是人類社會應(yīng)對資源枯竭、能源轉(zhuǎn)型、全球變暖等諸多問題的唯一選擇。可持續(xù)發(fā)展不是一句漂亮的口號，在建筑領(lǐng)域不僅要減少建造過程中的資源浪費，而且要減少建筑運行能耗和廢物排放，不讓使用中或建造中的房子成為子孫后代的負(fù)擔(dān)。在歐美發(fā)達(dá)國家�，F(xiàn)有建筑的生態(tài)節(jié)能改造已成為嚴(yán)峻的課題和承重的負(fù)擔(dān)。中國目前還處于大興土木的發(fā)展階段。但若干年后現(xiàn)今的新建和在建的房屋就可能列入建筑改造的名單。因此我們應(yīng)把握現(xiàn)有的機(jī)會并融入可持續(xù)發(fā)展的理念，減少未來建筑改造中面臨的麻煩，從這個意義上說，應(yīng)用光伏技術(shù)的建筑改造不僅直接作用于改造項目，對新建的項目也有苦示和借鑒意義。即使我們目前尚不具備條件在所有建筑上應(yīng)用光伏技術(shù)，但是我們可以在當(dāng)下的設(shè)計和建設(shè)中考慮一些彈性和余地，使光伏技術(shù)能更便利地納入將來的建筑改造和改建中。

    圖片來源:圖1, 4, 6一8由Abbate&Vigevano Design Studio提供;圖2, 3, 5由Studio Italplan提供;圖9一14由BEAR Architecten提供。