建筑光伏集成设计要点分析

建筑光伏集成设计要点分析

前言

当前的光伏建筑过于重视光伏装机量、发电量和投资经济性，轻视了建筑的基本功能，导致光伏构件的安装在建筑功能、发电性能和建筑美观等方面产生了一系列问题。本文从建筑设计的视角，对建筑光伏集成的基本设计要求、建筑安装部位与构件集成方式、光伏构件的选型等提出要求，并形成建筑光伏集成设计要点。

正文

1 建筑光伏应用存在的问题

长期以来建筑光伏的应用主要由光伏行业主导，建筑行业参与程度较低，导致在建筑应用中，建筑师过于重视装机量、发电量和投资经济性，轻视了建筑的基本功能和建筑美观。

1.1 对建筑功能的影响

建筑采用光伏幕墙时，如果过分追求发电量，而选用透光性不足的光伏构件类型，则会影响室内采光。建筑光伏构件在发电时会伴生大量的热量，夏季部分类型光伏构件的表面温度可达80 ℃以上，如果设计时未能考虑散热措施，可能会对室内的热环境造成不利影响，增加空调负荷。此外，光伏构件连接不当或发生故障时，可能会产生直流电弧而引发火灾。

1.2 对发电性能的影响

部分建筑形体凹凸转折过多，导致建筑自遮挡，而且自遮挡的时间变化不一，不但影响光伏构件自身的发电效率，还对光伏系统的组串设计、电气系统控制等造成不利影响。

1.3 对建筑美观的影响

建筑光伏构件与常规建筑材料的外观不同，其本身尺寸较大，且与建筑本体的颜色、材质等都存在差异，未经过一体化设计，难以达到与建筑本体协调、美观的效果，安装在建筑表面会对建筑的立面美观造成影响。

2 建筑光伏基本设计要求

建筑光伏设计应该综合考虑当地地理环境、周边建筑物及功能等多种因素，在满足建筑自身使用功能和美观的前提下，尽可能地创造有利的安装条件，以提高发电效率。

2.1 朝向设计

在场地条件允许的前提下，场地设计应创造良好的日照条件。通常在建筑立面安装光伏构件时，北方地区主要安装立面宜朝南或近南向，南方地区主要安装立面宜朝南偏东向或南偏西向。在屋面安装光伏构件时，光伏方阵的方位角和倾角应根据仿真模拟来确定，以确保年发电量处在高位。典型城市的年最大发电量方位角和屋面安装倾角见表1和表2。

2.2 避免遮挡

建筑场地的设计应重点关注阴影遮挡对光伏构件发电的影响，通过合理的场地布局，减少周围建筑对南立面的遮挡，创造有利的日照条件。光伏安装位置较低的建筑，还应对其周边植被景观进行优化，选择合适的树种，避免树木造成遮挡。

2.3 形体设计

建筑的形体设计除了考虑使用功能外，还应为安装光伏构件创造有利条件。在建筑立面安装光伏构件时，建筑的形体宜规整，适当减少建筑形态凹凸，以减少建筑的自遮挡，增加光伏构件的可安装面积。在建筑屋顶安装光伏构件时，应将设备集中布置，留出充足的安装场地；将屋顶凸出的楼梯间、设备等设置在北侧，减少不必要的装饰构件，减少遮挡。

3 建筑光伏集成设计

3.1 典型建筑形体特征与光伏安装部位

不同类型的建筑有其独有的形体特征，因而光伏构件的安装部位与集成方式也有所不同。本文结合城市中建筑光伏的实际应用场景，主要选择居住建筑、办公建筑、商业建筑三种类型建筑展开研究。

3.1.1 住宅建筑

1）形体特征。城市新建住宅主要为板式住宅，其特点是以南北朝向为主。住宅南立面以窗户、窗槛墙、阳台、空调机位百叶等元素来组织，形象较丰富。住宅东、西立面多为山墙，相对简洁，以实墙面为主。住宅屋顶有坡屋顶和平屋顶两种形式。住宅立面的饰面多以涂料为主，很少采用幕墙的形式。

2）光伏安装部位。对于住宅建筑而言，在进行建筑集成光伏设计时，宜优先利用具有充足日照的屋顶空间。此外，南立面可以利用窗槛墙、阳台栏板的部位，将光伏构件作为设计元素融入立面设计中。而东、西山墙立面由于受到遮挡，日照时间较短，若安装光伏构件则经济性不高，若以幕墙的形式安装，则与住宅的特征不符，故不宜安装。因此，住宅建筑中能够安装光伏组件的部位主要集中在屋顶、窗槛墙与阳台栏板三个部位（图1）。

图1 住宅建筑

3.1.2 办公建筑

1）形体特征。当前城市新建办公建筑多为框架结构、框筒结构等形式；外墙处理灵活，多用玻璃幕墙、石材幕墙或铝板幕墙；屋顶多为混凝土平屋面，并布置空调设备或设备间。部分办公建筑为增加自然采光而设置中庭，顶部设有采光顶。办公建筑整体风格简约，形体规整。

2）光伏安装部位。对于办公建筑而言，建筑形体多规整，可利用墙面和幕墙安装光伏构件。由于主要使用空间对采光要求较高，光伏幕墙的透光率应满足室内采光的要求。部分地区的办公建筑对遮阳有一定要求，可结合遮阳板，设置光伏遮阳构件。此外，办公建筑多为平屋顶，且规模较大，可在无遮挡部分通过附加式方法安装光伏构件，或者结合使用功能设置采光顶，改善室内自然采光效果（图2）。

图2 办公建筑

3.1.3 商业建筑

1）形体特征。商业建筑通常为一栋建筑，或者由共同裙房连接的多栋高层建筑，一般为多层或高层建筑，多为简单的几何形体造型。建筑立面造型多通过外挂饰面板或玻璃幕墙展示，面积较大，且具有连续性。建筑低层部分多呈现多元、开放的状态。建筑屋顶多为平屋面，为满足用户对功能和内部空间趣味性需求，多设有中庭，顶部设置采光顶。

2）光伏安装部位。对于商业建筑而言，建筑立面主要为实墙或玻璃幕墙，且面积较大，适宜安装光伏组件。此外，商业建筑多为平屋顶，少部分为金属屋面，规模较大，可大面积安装光伏构件。对于有中庭的建筑，可将光伏板与玻璃采光顶相结合，设置一体化的光伏采光顶。另外，可以与建筑立面遮阳构件结合，设置光伏遮阳构件，并将之作为建筑立面设计元素，满足商业建筑形象个性化的需求（图3）。

图3 商业建筑

通过对光伏系统在建筑中应用形式的分析，以及对不同建筑类型特点和其可安装光伏系统部位的分析，本文总结了住宅、办公、商业三种典型建筑中光伏系统可安装部位，具体见表3。

3.2 建筑光伏集成方式

3.2.1 屋顶

建筑物的屋顶遮挡较少，是最适合的光伏组件安装位置之一。建筑屋顶类型不同，选用的光伏构件类型也不一样。常见类型屋顶的光伏构件集成方式与构件选型如下：

1）瓦屋面。一般采用光伏瓦安装，可直接取代传统的瓦片，铺装方法和节点处理与普通屋面瓦相同。

2）混凝土屋面。一般采用附加形式安装。对于新建建筑而言，光伏基座宜与建筑结构进行一体化设计施工。对于后改建的建筑而言，当风荷载标准值不大时，宜采用混凝土配重块作为基础，利用配重自身重量稳固光伏构件，不破坏原有屋面结构；对于风荷载标准值较大的地区，应采取植筋的方式，将光伏构件的基座与屋面结构固定，并做好防水措施。

3）金属屋面。一般采用与金属板集成安装。金属板可根据光伏构件的尺寸定制，通过结构胶或专用金属连接件，实现光伏构件与金属板的一体化安装。金属板与屋面结构的安装方式和传统压型钢板相似，但还需要考虑光伏构件的抗风掀性能。

4）采光顶。一般采用一体化安装，以具有透光性能的光伏构件来替代传统的玻璃。其安装方式与常规的采光顶相似，需重点考虑光伏构件接缝处的防水问题（图4）。

图4 采光顶的光伏一体化应用

3.2.2 玻璃幕墙

南向和东西向的玻璃幕墙具有良好的光照条件，是适合光伏构件安装的理想位置。在有采光需求的玻璃幕墙上安装光伏时，应选用透光型光伏构件直接取代或部分取代传统的玻璃幕墙（图5）。光伏玻璃幕墙的安装构造也与常规玻璃幕墙相似，按支撑方式主要分为框支式、单元式和点支式。采用光伏幕墙时，应根据相关规范的要求做好防火措施。

图5 光伏玻璃幕墙

除了常规的安装方式外，光伏玻璃幕墙还可以采用双层幕墙的安装方式：外层为透光型光伏构件，内层为常规玻璃。由于双层幕墙设有可内外循环的进风口和出风口，能够及时排走光伏发电伴生的热量，不会对发电效率和室内热环境造成不利影响。

3.2.3 墙面

光伏构件在墙面上的应用形式（图6）是以光伏构件作为饰面板，取代传统的石材幕墙、金属板幕墙。墙面位置没有采光需求，无须考虑光伏构件本身的透明度。当日照条件良好时，可以选用发电效率高的晶硅类光伏构件；当建筑立面有日照遮挡时，应选择弱光发电性能较好的薄膜类光伏构件。

图6 墙面光伏系统

光伏构件在墙面的安装方式与普通饰面板外墙的安装方式类似，但应注意无论何种构造方式都应在光伏构件和墙面之前留有间隙，以便通风散热，避免因高温而导致发电效率降低的情况，同时减少对建筑热环境的影响。

3.2.4 栏板

住宅的南向阳台一般凸出于建筑表面，日照遮挡较少，因此阳台栏板也是安装光伏构件的合适位置（图7）。设计一般选用晶硅类光伏构件，当有遮挡产生阴影时，宜选用弱光发电性能较好的薄膜类光伏构件。

图7 阳台栏板光伏系统

光伏构件可直接作为阳台栏板进行集成设计安装，也可以附加安装在建筑原有的阳台外。附加安装方式与安装外墙光伏的方式相同，阳台外挂的光伏组件可以垂直布置，也可以按一定角度倾斜布置，利用光伏组件的材质、颜色及透明度，对其进行合理设计。

在阳台栏杆上安装光伏构件时，应与预埋件连接牢固，防止构件坠落，还应满足建筑阳台栏板的防护高度及抗侧推强度的要求。在夏季，光伏构件的背部会产生高温，需要采取必要的保护措施，避免使用者与光伏构件直接接触。

3.2.5 遮阳板

光伏遮阳构件（图8）主要作为水平遮阳构件安装在建筑南立面的窗上部，或作为垂直遮阳构件安装在建筑立面上。其能够遮挡从窗户上方照射下来的阳光，适用于窗口朝南及附近朝向的窗户。垂直光伏遮阳构件主要设置在窗户两侧，多用于东西向，南向也有设置，目的是阻止从倾斜角射入的阳光。

图8 光伏遮阳系统

光伏遮阳构件一般采用晶硅类光伏构件，有遮挡时宜选用薄膜类光伏构件。应根据太阳高度角的变化，合理确定光伏构件的倾角，使其在夏季遮阳而冬季不挡阳光的同时，提高光伏构件的发电效率。光伏遮阳构件的安装方式与常规遮阳构件的安装方式相似，通过支架与预埋件同建筑主体结构相连。光伏遮阳构件应具有良好的防排水构造，避免积水积尘，防止坠物冲击造成损坏和危险。

4 建筑光伏构件的选型

4.1 光伏构件类型特征

从建筑应用的角度看，建筑光伏构件按外形特征可分为传统晶硅光伏组件、非透光双玻加胶光伏构件、透光型光伏构件和光伏瓦。其特点如下：

1）传统晶硅光伏组件采用较厚的铝合金边框，只有发电功能，不承担建筑功能，且具有效率高、安装方便等优点，但多为深蓝色、蓝黑色或黑色，颜色单调，难以满足立面美观的设计要求。

2）非透光双玻夹胶光伏构件由玻璃面板、胶膜、晶硅电池片和玻璃背板层压制而成。该类构件发电效率与传统晶硅光伏组件相似，但抗冲击能力和美观性比传统晶硅光伏组件好。光伏构件颜色与传统晶硅光伏组件类似。

3）透光型光伏构件是通过调整电池片的间隔来控制透光率，实现采光，主要用于有自然采光需求的建筑部位。其电池片可采用晶硅、碲化镉薄膜或铜铟镓硒薄膜。碲化镉薄膜或铜铟镓硒薄膜的透光型光伏构件的发电效率偏低，但弱光发电性能较好，颜色和图案可以定制，满足建筑美观的需求，但会损失一定的发电性能。

4）光伏瓦可直接取代传统瓦，其中平板型的光伏瓦主要采用晶硅电池，曲面型的光伏瓦主要采用铜铟镓硒薄膜电池。光伏瓦的颜色也可以根据需求定制，但会损失一定的发电性能。

综上整理如表4。

4.2 光伏构件选型

光伏构件的安装部位和选型直接影响光伏系统的发电效率，通过前文对建筑光伏集成方式与光伏构件类型的分析，总结了不同建筑安装部位的光伏构件选型表，如表5所示。

5 结论

在建筑集成设计过程中，设计师应首先对项目场地进行分析，充分考虑场地和建筑功能需求，通过合理的场地布局与建筑形体设计，为光伏系统应用创造良好的日照条件。然后，再根据建筑类型，确定光伏构件的安装部位与光伏构件集成方式，合理选择光伏构件类型，以避免光伏构件对建筑性能和使用功能造成不利影响，并与建筑风格相协调，确保建筑的整体美观。