摘 要：隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的不斷加劇，可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用早已被各個(gè)國(guó)家置于重要位置。作為清潔能源的重要代表，太陽(yáng)能光伏技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。特別是在住宅建筑領(lǐng)域，光伏技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)的深度融合——住宅建筑光伏一體化，不僅顯著提升了建筑的能源效率，降低了碳排放，還為居民提供了清潔、安全的電力供應(yīng)。因此，深入研究住宅建筑光伏一體化的設(shè)計(jì)策略，對(duì)于推動(dòng)建筑行業(yè)向綠色低碳、節(jié)能減排、可持續(xù)方向發(fā)展，以及實(shí)現(xiàn)全球能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，具有重大的戰(zhàn)略意義和實(shí)際價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光伏建筑一體化；BIPV；太陽(yáng)能利用；設(shè)計(jì)策略；低碳發(fā)展

一、光伏建筑一體化簡(jiǎn)介

光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）是一種太陽(yáng)能電池集成到建筑上的前沿技術(shù)，讓建筑在為我們提供生活?yuàn)蕵?lè)空間的同時(shí)，也成為能源的創(chuàng)造者。隨著光伏技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和公眾對(duì)綠色建筑需求的增長(zhǎng)，光伏建筑一體化技術(shù)逐漸發(fā)展壯大，助推建筑行業(yè)邁向綠色、低碳未來(lái)。

光伏建筑一體化技術(shù)的獨(dú)特之處在于，它將光伏組件與建筑材料融為一體，使建筑本身成為發(fā)電系統(tǒng)的一部分。這不僅提升了建筑的能源利用效率，還增強(qiáng)了建筑的自我供應(yīng)能力，降低了對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴(lài)。此外，光伏建筑一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還在于能夠替代傳統(tǒng)建筑材料，減少建筑物的熱量損失，進(jìn)而降低建筑物的能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本。除了技術(shù)層面的優(yōu)勢(shì)外，光伏建筑一體化還為建筑設(shè)計(jì)提供了更廣闊的創(chuàng)新空間。光伏組件的色彩和紋理為建筑師提供了豐富的設(shè)計(jì)靈感，使得建筑外觀更加獨(dú)特和美觀。

與簡(jiǎn)單地將光伏系統(tǒng)附著在建筑上（Building Attached Photovoltaic，BAPV）的方式相比，光伏建筑一體化實(shí)現(xiàn)了光伏與建筑的深度融合。光伏組件不僅是建筑的一部分，而且能夠履行建筑材料的多種功能，如遮風(fēng)避雨、透光隔熱等。相比之下，BAPV只是通過(guò)簡(jiǎn)單的支撐結(jié)構(gòu)將光伏組件貼附在建筑上，大多是對(duì)建筑的光伏化改造，并不參與建筑的主要功能。因此，光伏建筑一體化真正實(shí)現(xiàn)了光伏技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)的深度融合，是名副其實(shí)的“一體化”。

二、光伏建筑一體化類(lèi)型

光伏建筑一體化按照所使用的材料，可以大致分為晶硅型和薄膜型兩大類(lèi)。目前市場(chǎng)上，晶硅型電池占據(jù)主導(dǎo)地位，這得益于其高效的光電轉(zhuǎn)換率、緊湊的尺寸、較低的空間占用以及成熟的生產(chǎn)技術(shù)，因此占據(jù)了太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)的顯著份額。隨著晶硅型電池的不斷發(fā)展，目前單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)到驚人的24%，而多晶硅也穩(wěn)定在18%左右[1]。這意味著晶硅型電池在清潔、可再生能源的供應(yīng)方面展現(xiàn)出更高的效率和更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

薄膜型電池市場(chǎng)則主要由碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池構(gòu)成。其中薄膜型電池的量產(chǎn)效率約為15%，由于其相較于晶硅型電池的整體技術(shù)尚顯不足，因此在光伏電池總產(chǎn)量中，薄膜電池的占比相對(duì)較低[2]。但薄膜型也有晶硅型不具備的優(yōu)勢(shì)，如可調(diào)控的透明度、卓越的弱光性能、更佳的溫度系數(shù)，以及更易于與建筑立面融合的特點(diǎn)。這些特性使得薄膜型電池在光伏幕墻市場(chǎng)中占據(jù)了一席之地，為建筑的整體風(fēng)格和外觀效果增添了新的可能性。

在建筑設(shè)計(jì)中，色彩和比例是塑造建筑視覺(jué)形象的關(guān)鍵因素。光伏組件的多樣色彩和紋理為建筑師提供了豐富的靈感和元素[3]。單晶硅光伏材料顏色比較單一，通常以藍(lán)色、褐色或黑色呈現(xiàn)。多晶硅光伏材料表面有結(jié)晶狀花紋，顏色一般為深藍(lán)、褐色或淡紫色。薄膜光伏材料則可以展現(xiàn)出豐富多彩的顏色，如紫色、綠色、深紅色等。現(xiàn)在市場(chǎng)上已有多種基于碲化鎘材料的光伏板材。這些產(chǎn)品不僅模仿了傳統(tǒng)建筑材料的外觀和質(zhì)感，還具備卓越的光伏性能，為建筑師提供了靈活的設(shè)計(jì)選擇（圖1）。

三、住宅建筑與光伏結(jié)合方式

根據(jù)建筑與光伏組件的結(jié)合方式，住宅建筑的光伏應(yīng)用可被劃分為兩類(lèi)：傳統(tǒng)型光伏應(yīng)用和建筑集成光伏應(yīng)用。這兩種形式共同構(gòu)成了“光伏建筑”或“建筑光伏”的概念。傳統(tǒng)型光伏應(yīng)用指的是太陽(yáng)能電池板被安裝在住宅建筑的外表面。這種安裝方式確保了在維護(hù)和更換電池板時(shí)，不會(huì)對(duì)住宅的居住功能造成任何干擾。建筑集成光伏應(yīng)用則更進(jìn)一步，它將太陽(yáng)能電池與建筑材料或建筑構(gòu)件緊密結(jié)合，形成一體化的光伏組件。這種“光伏與建筑一體化”的理念，強(qiáng)調(diào)了光伏系統(tǒng)的安裝與建筑的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程的同步進(jìn)行。在這種形式下，光伏組件不僅是建筑的組成部分，更是其不可或缺的核心要素。光伏組件與住宅建筑有機(jī)集成在一起，主要可以分為四種形式：平屋頂、坡屋頂、建筑立面與建筑構(gòu)件[4]。

（一）平屋頂建筑的光伏利用

平屋頂作為現(xiàn)代住宅建筑的主流形式，其構(gòu)造簡(jiǎn)潔且適用性廣泛。當(dāng)它與光伏組件結(jié)合時(shí)，常采取平鋪的策略，不僅保持了建筑的外觀美感，還實(shí)現(xiàn)了綠色能源的生產(chǎn)?？紤]到地球不同緯度地區(qū)太陽(yáng)高度角的差異，安裝光伏組件時(shí)，往往需要選擇最優(yōu)的傾角，以確保最大限度地接收太陽(yáng)輻射，從而提升發(fā)電效率。在實(shí)際操作中，根據(jù)屋頂不同部位的特點(diǎn)，可以靈活調(diào)整安裝角度。例如：在主屋面部分，傾向于選擇最佳傾角以獲取最多的太陽(yáng)輻射；而在如屋面構(gòu)件、樓梯電梯間屋頂?shù)燃?xì)節(jié)區(qū)域，為了保持建筑的整體美感，可能會(huì)選擇水平安裝，以確保不破壞建筑的整體造型。

巴西里約熱內(nèi)盧Recreio社區(qū)是一個(gè)光伏與公寓類(lèi)住宅結(jié)合的優(yōu)秀案例，是一個(gè)兼具現(xiàn)代感與技術(shù)性的摩登建筑（圖2、3）。該項(xiàng)目在屋頂安裝了833塊435瓦的晶硅型光伏板，總?cè)萘考s為377千瓦。經(jīng)計(jì)算，每年可發(fā)電約45萬(wàn)千瓦時(shí)，相當(dāng)于減排350噸二氧化碳。該項(xiàng)目已于2021年實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，用于社區(qū)的電力需求，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。

（二）坡屋頂建筑的光伏利用

坡屋頂?shù)男螒B(tài)豐富多樣，包括單坡、雙坡和四坡等多種形式。在安裝光伏組件時(shí)，坡屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)往往順應(yīng)其自然的坡度。一種常見(jiàn)的安裝方法是，在坡屋頂上安裝支架，將光伏組件穩(wěn)固地附著在上面；另一種創(chuàng)新做法則是直接使用光伏瓦片替代原有的屋頂瓦片，使得光伏組件成為屋頂結(jié)構(gòu)不可或缺的一部分。在低層住宅中，坡屋頂?shù)膽?yīng)用尤為廣泛，與光伏的結(jié)合效果也更為突出。近年來(lái)，一些老舊建筑在進(jìn)行“平改坡”的改造過(guò)程中，巧妙地融入了光伏技術(shù)，取得了不同凡響的成果。

在湖北省荊州市的八嶺山鎮(zhèn)，一項(xiàng)創(chuàng)新的光伏項(xiàng)目正在改變村民的生活。該項(xiàng)目在每戶(hù)居民的屋頂上安裝了10千瓦的分布式光伏系統(tǒng)，總計(jì)500千瓦，覆蓋了50戶(hù)家庭。這一舉措不僅促進(jìn)了農(nóng)民的增收致富，而且充分利用了可再生資源，推動(dòng)了綠色能源的生產(chǎn)和利用（圖4）。而在荷蘭的蒙特福德小鎮(zhèn)普爾特街29—47號(hào)，一排獨(dú)特的“主動(dòng)式住宅”引人注目。這些住宅經(jīng)過(guò)改造，融入了威盧克斯和丹佛斯的一體化太陽(yáng)能解決方案。這些住宅在位于西向入口的屋頂上安裝了總面積達(dá)21平方米的光伏板。據(jù)建筑師介紹，與改造前相比，這些住宅的日常能量使用減少了約80%至90%（圖5）。

（三）建筑立面的光伏利用

盡管多層和高層住宅的建筑墻面面積遠(yuǎn)大于屋頂面積，從而提供了更豐富的太陽(yáng)能資源，但住宅的南立面往往開(kāi)有洞口巨大的采光窗。因此，光伏組件的安裝必須確保不影響室內(nèi)的自然采光。在實(shí)際操作中，光伏組件通常被掛附在建筑墻面的外側(cè)，與立面的外部裝飾元素融合。對(duì)于配備玻璃幕墻的建筑，光伏組件甚至可以直接嵌入幕墻結(jié)構(gòu)中，直接作為建筑的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，又能有效地利用太陽(yáng)能。

西安隆基集團(tuán)總部大樓的光伏幕墻巧妙地平衡了太陽(yáng)能技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)，使太陽(yáng)能與普通幕墻和諧共存，形成良好的外立面效果（圖6）。該項(xiàng)目裝機(jī)容量達(dá)到183.94千瓦，據(jù)預(yù)計(jì)，在25年的使用期內(nèi)，其年平均發(fā)電量將達(dá)到10.4萬(wàn)千瓦時(shí)。這不僅有助于節(jié)約近826噸的標(biāo)準(zhǔn)煤，還能分別減少二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物的排放量約為2 590噸、78噸以及39噸。從環(huán)保角度來(lái)看，這一成果相當(dāng)于種植了58棵樹(shù)。而在山西大同的未來(lái)能源館（圖7），設(shè)計(jì)師們則通過(guò)建筑外表面實(shí)現(xiàn)了光伏建筑一體化技術(shù)的應(yīng)用，裝機(jī)容量高達(dá)1兆瓦。該項(xiàng)目的外立面創(chuàng)新地采用了1 300多片白色仿鋁材型碲化鎘薄膜組件，不僅滿(mǎn)足了光伏建材與建筑物結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，還充分展現(xiàn)了綠色建筑技術(shù)的魅力。

（四）建筑構(gòu)件的光伏利用

在建筑立面上集成光伏組件，除了與墻面和幕墻的緊密結(jié)合外，還可以與建筑立面的構(gòu)件元素相融合。其中，陽(yáng)臺(tái)和遮陽(yáng)構(gòu)件是最常見(jiàn)的結(jié)合點(diǎn)，它們共同構(gòu)成了一種創(chuàng)新的發(fā)電模式——發(fā)電遮陽(yáng)板和陽(yáng)臺(tái)板。

當(dāng)光伏組件與遮陽(yáng)構(gòu)件結(jié)合時(shí)，遮陽(yáng)板的角度設(shè)置需要特別關(guān)注。為了確保光伏組件能夠獲得最佳的發(fā)電效率，通常建議按照最優(yōu)的傾斜角度進(jìn)行安裝。此外，除了防止上下遮陽(yáng)構(gòu)件之間的相互遮擋，還必須確保不影響室內(nèi)太陽(yáng)光線的接收（圖8）。陽(yáng)臺(tái)，通常是建筑外觀的突出部分，由于其較少受到遮擋，因此成為安裝光伏組件的理想之地。陽(yáng)臺(tái)外掛的光伏組件（圖9）可以根據(jù)需要進(jìn)行垂直布置，或者按一定的角度進(jìn)行傾斜布置。這種設(shè)計(jì)不僅為建筑增添了一份獨(dú)特的美感，同時(shí)也充分利用了陽(yáng)臺(tái)的表面太陽(yáng)輻射，實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用。

四、結(jié)語(yǔ)

BIPV，即光伏建筑一體化，是推動(dòng)建筑業(yè)走向低碳、綠色和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵路徑之一。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，光伏產(chǎn)品價(jià)格不斷下探，且品種日趨多樣，為建筑設(shè)計(jì)師提供了前所未有的選擇與創(chuàng)意空間。這些光伏產(chǎn)品不僅滿(mǎn)足了建筑的美學(xué)需求，更以其獨(dú)特的創(chuàng)新魅力，為建筑造型注入了新的活力與機(jī)遇。

在建筑中，光伏技術(shù)可以靈活結(jié)合于多個(gè)部位，以最大化其效用。屋頂作為最理想的安裝位置，不僅提供了廣闊的安裝面積，還確保了最佳的太陽(yáng)輻射條件。此外，墻面和建筑構(gòu)件也是常見(jiàn)的光伏應(yīng)用場(chǎng)所。設(shè)計(jì)師在建筑設(shè)計(jì)初期就應(yīng)考慮如何將光伏技術(shù)巧妙地融入建筑表面，從而提高其能源轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效轉(zhuǎn)化。

隨著光伏技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新與進(jìn)步，光伏建筑一體化將在未來(lái)建筑設(shè)計(jì)中占據(jù)更加核心的地位。它不僅能為建筑提供清潔、可再生的能源，更將推動(dòng)建筑行業(yè)邁向更加環(huán)保、綠色的未來(lái)。因此，建筑師和設(shè)計(jì)師應(yīng)深入挖掘光伏建筑一體化的應(yīng)用潛力，將其全面融入建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，共同為人類(lèi)創(chuàng)造更加美好、宜居的生態(tài)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉佳鷺.中國(guó)光伏產(chǎn)品在建筑可再生能源設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].建筑科技，2022（6）：6-8.

[3]徐燊，廖維，黃靖.太陽(yáng)能景觀的集成設(shè)計(jì)[J].中國(guó)園林，2014（2）：119-124.

[4]徐燊，黃靖.太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015：125-131.

作者簡(jiǎn)介：

雷詠潤(rùn)，河南工業(yè)大學(xué)碩士研究生。研究方向：建筑技術(shù)科學(xué)。

張華（通訊作者），博士，河南工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向：綠色建筑設(shè)計(jì)和太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)。