BIPV綠色建筑發(fā)展及應(yīng)用

高 敏，周仁和

BIPV綠色建筑發(fā)展及應(yīng)用

高 敏，周仁和

文章主要講述能源危機(jī)環(huán)境下太陽(yáng)能作為新能源的研發(fā)必要性，太陽(yáng)能節(jié)能建筑BIPV的定義及其在我國(guó)的發(fā)展過(guò)程。介紹了BIPV建筑的構(gòu)造特點(diǎn)，可利用工業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。BIPV建筑在我國(guó)將有廣闊的發(fā)展前景。

BIPV；節(jié)能；發(fā)展；工程；設(shè)計(jì)；前景

中國(guó)政府在2009年哥本哈根氣候大會(huì)上承諾，至2020年中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值 (GDP)二氧化碳排放將比2005年減少40%—45%，體現(xiàn)了中國(guó)作為世界共同體的一部分，對(duì)于改善環(huán)境問(wèn)題負(fù)責(zé)任的態(tài)度。在提倡低碳環(huán)保理念的大環(huán)境下，中國(guó)迫切需要尋找新的、對(duì)環(huán)境友好的能源。能源危機(jī)使新能源的發(fā)掘與利用成為急切需要研究與推廣的新課題。太陽(yáng)能由于資源豐富，是可再生能源，可免費(fèi)使用，無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境污染為零等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為節(jié)能環(huán)保的首要研究目標(biāo)。我國(guó)大約有三分之二的地區(qū)年平均日輻射量在4kwh／m2以上，其中西藏西部是我國(guó)太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)，日輻射量最高可達(dá)到7kwh／m2。因此我國(guó)太陽(yáng)能能源開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力相當(dāng)巨大。

城市的快速發(fā)展使建筑能耗在我國(guó)總能耗中所占比例越來(lái)越大，從上世紀(jì)70年代的大約為百分之十，迅速增加到目前約占社會(huì)總能耗的約百分之二十七。隨著人們對(duì)建筑環(huán)境舒適性的追求程度越來(lái)越高，建筑采暖和空調(diào)的能耗也大幅度增長(zhǎng)，我國(guó)建筑耗能比例還將持續(xù)上升。國(guó)外近幾年對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)品在節(jié)能建筑中的應(yīng)用做了大量的試驗(yàn)研究，以對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。德國(guó)在2003年實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)住宅安裝10萬(wàn)套光伏屋頂，同時(shí)德國(guó)國(guó)內(nèi)建造了大量可以使用太陽(yáng)能供暖和供熱的太陽(yáng)能單體住宅、集體住宅和多戶(hù)型的公寓，可以利用太陽(yáng)能能源滿(mǎn)足住宅的熱能等需求。德國(guó)是太陽(yáng)能使用較為廣泛的國(guó)家，效果也較好。目前，德國(guó)80%左右的光伏發(fā)電應(yīng)用是與建筑相結(jié)合的，即BIPV建筑（BuildingIntegrated Photovoltaic）——太陽(yáng)能光伏一體化建筑。另一個(gè)對(duì)節(jié)能建筑中太陽(yáng)能產(chǎn)品的應(yīng)用研究較早的國(guó)家是英國(guó)。目前英國(guó)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的節(jié)能建筑中，平均太陽(yáng)能能源消耗可以占到建筑總能耗的三分之一左右。在美國(guó)，節(jié)能觀(guān)念結(jié)合政策法規(guī)，通過(guò)“太陽(yáng)能供暖降溫房屋的建筑條例”和“節(jié)約能源房屋建筑法規(guī)”等法律文件大力鼓勵(lì)太陽(yáng)能等節(jié)能產(chǎn)品在建筑中的應(yīng)用。美國(guó)太陽(yáng)能建筑由于政策扶持和巨額經(jīng)費(fèi)投入而發(fā)展迅速，現(xiàn)在已經(jīng)摒棄傳統(tǒng)太陽(yáng)能采集裝置，開(kāi)始研究太陽(yáng)能產(chǎn)品與建筑的直接對(duì)接等新的研究方向。另外，其他經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)品在節(jié)能建筑中的應(yīng)用也在進(jìn)行大力研究。

我國(guó)每年建成的房屋面積約為16—20億m2，而且百分之九十七以上是高能耗建筑。因此，需要在建造過(guò)程中更加注重通過(guò)綠色能源進(jìn)行建筑節(jié)能。我國(guó)對(duì)于太陽(yáng)能節(jié)能建筑的研究始于20世紀(jì)70年代末，現(xiàn)有光伏節(jié)能建筑多具有地區(qū)選擇性，大部分為人口稀少、缺少傳統(tǒng)能源的偏遠(yuǎn)落后區(qū)域。隨著傳統(tǒng)能源的匱乏導(dǎo)致傳統(tǒng)能源的價(jià)格居高，節(jié)能減耗概念的普及，近些年來(lái)，相對(duì)發(fā)達(dá)的城市也開(kāi)始推廣太陽(yáng)能產(chǎn)品與太陽(yáng)能綠色建筑。雖然我國(guó)太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，輻射量大，但其具有分布不均衡，人均占有量低的特點(diǎn)。而且由于開(kāi)展研究時(shí)間較短，相關(guān)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品與技術(shù)的研發(fā)距離國(guó)際水平高精尖水平尚有很大的提升空間。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的意見(jiàn)》提出，到2015年我國(guó)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到4.5萬(wàn)億元。目前，對(duì)于太陽(yáng)能建筑一體化產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)的研究開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為太陽(yáng)能方面最熱門(mén)的研究課題之一，研究重點(diǎn)主要集中在基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)和太陽(yáng)能集成產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面。

BIPV建筑雖然形式較新穎，但其適用范圍非常廣泛，可以結(jié)合目前的大部分建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)各種屋面和幕墻都進(jìn)行靈活的相關(guān)設(shè)計(jì)利用。不管是平屋面還是斜屋面，均可以利用太陽(yáng)能光伏板進(jìn)行發(fā)電。可以在各種屋面上，整個(gè)或者局部屋面覆蓋太陽(yáng)能光伏板，來(lái)接收太陽(yáng)光能量。太陽(yáng)能光伏板與屋頂一體化進(jìn)行集成，不僅可以保護(hù)屋面的結(jié)構(gòu)，還可以利用一定的集成結(jié)構(gòu)，達(dá)到遮陽(yáng)通風(fēng)的效果。但作為建筑物屋頂結(jié)構(gòu)的一部分，在安裝時(shí)存在容易破壞屋面防水、阻礙屋面排水、傾角設(shè)置不當(dāng)、通風(fēng)散熱不好和灰塵積雪清理困難等缺點(diǎn)，因此還需要進(jìn)行技術(shù)等方面的攻關(guān)。在目前的技術(shù)條件下，利用BIPV技術(shù)進(jìn)行太陽(yáng)能光伏一體化設(shè)計(jì)，構(gòu)造較為復(fù)雜，光伏建筑工程需要電氣施工的緊密配合。一個(gè)完整的BIPV系統(tǒng)包括光伏板和蓄電池、逆變器、電流控制箱、系統(tǒng)監(jiān)控保護(hù)設(shè)備等其他一些配套設(shè)備。并網(wǎng)型BIPV系統(tǒng)中可以以并入電網(wǎng)的接入裝置代替蓄電池等儲(chǔ)電設(shè)備。光伏建筑工程中室內(nèi)和幕墻兩部分需要分別施工，光伏建筑的預(yù)埋件和后置埋件的安裝，以及交流電纜、橋架、通訊電纜等的安裝都需要電氣施工單位與內(nèi)裝單位配合。一般為了防水和防曬以及整個(gè)建筑的外觀(guān)美觀(guān)性的目的，接線(xiàn)盒以及電路連接線(xiàn)等會(huì)以合理結(jié)構(gòu)與幕墻結(jié)合，隱藏在幕墻中達(dá)到光伏建筑的實(shí)用和美觀(guān)要求。建筑結(jié)構(gòu)施工中和完成后，均需對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。因此，光伏建筑工程需要配合內(nèi)裝、土建等施工單位，互相協(xié)調(diào)共同完成。但這種一體化光伏電池板本身就可作為建筑結(jié)構(gòu)材料，可算在建筑整體造價(jià)中，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低光伏發(fā)電成本、提高防水性能和光電轉(zhuǎn)換效率，使BIPV建筑成為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)合體。

就光伏建筑的外觀(guān)而言，充分利用光伏結(jié)構(gòu)的造型元素，應(yīng)用在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑構(gòu)件和建筑材料中，并設(shè)計(jì)安裝于建筑物中不同位置，可形成個(gè)性化的視覺(jué)元素，豐富建筑造型語(yǔ)態(tài)，提升建筑技術(shù)魅力。光伏建筑的外觀(guān)設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科交叉、技術(shù)密集型的設(shè)計(jì)工作。基于光伏構(gòu)件的特殊屬性，研究光伏構(gòu)件的細(xì)部設(shè)計(jì)、光伏構(gòu)件與建筑形體的多種整合設(shè)計(jì)方式，涉及整體整合造型和細(xì)部設(shè)計(jì)兩個(gè)層面。可通過(guò)對(duì)地方現(xiàn)有的建筑群的調(diào)研，綜合利用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法和工程設(shè)計(jì)理念，研發(fā)出符合中國(guó)國(guó)情與當(dāng)?shù)孛袂榈模c節(jié)能建筑結(jié)合度高的太陽(yáng)能建筑一體化產(chǎn)品。在光伏建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，包括數(shù)字化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)原理、感性工學(xué)等，設(shè)計(jì)出功能性、藝術(shù)性、商用性緊密結(jié)合的太陽(yáng)能光伏建筑一體化產(chǎn)品，這樣也能夠間接推動(dòng)太陽(yáng)能一體化產(chǎn)品在建筑中的使用。

《2013—2017年中國(guó)光伏建筑一體化(BIPV)行業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》中指出，2012年中國(guó)光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目共計(jì)128個(gè)，總裝機(jī)容量約為227MW，補(bǔ)助資金為12.87億元。目前中國(guó)帶有綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)的建筑總面積不足4000萬(wàn)平方米，因此BIPV建筑作為建筑節(jié)能的一種重要形式，具有廣闊的發(fā)展空間。需要注意的是，雖然太陽(yáng)能光伏建筑一體化有高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在成本高、造價(jià)高、不穩(wěn)定、市場(chǎng)化程度不高等缺點(diǎn)。因此，需要通過(guò)政府扶持、企業(yè)研發(fā)、課題支持等多種途徑，進(jìn)行BIPV建筑的推廣與普及。

[1]丘佳梅.太陽(yáng)能建筑發(fā)展管理研究[M].天津大學(xué)，2005.

[2]中研普華公司.2014-2018年光伏建筑一體化(BIPV)產(chǎn)業(yè)深度調(diào)研及投資潛力研究預(yù)測(cè)報(bào)告[J].2014.

F270

A

1008-4428（2015）04-15-02

淮安市科技基金資助（項(xiàng)目號(hào)HAG2012073）。

高敏，淮陰工學(xué)院設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院；

周仁和，淮陰工學(xué)院設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院。