光伏一體化在公共建筑設計中的創新應用
——以南方醫科大學順德醫院項目為例

陳霖峰，董惠敏

佛山市順德建筑設計院股份有限公司，廣東 佛山 528300

0 引言

光伏一體化建筑也被稱為BIPV 建筑，是光伏發電技術與建筑集成化的重要成果。隨著BIPV 技術的深入發展及生態環保理念的深入人心，當前有越來越多的公共建筑在結構設計及立面設計的過程中，應用到光伏系統。尤其是在建筑墻體、屋頂、天棚這些部位，通過設計光伏幕墻和光伏屋頂，實現建筑工程光學、力學、美學及生態學等多學科的綜合運用，既滿足建筑自身的用電需求，又通過清潔能源開發減少建筑碳排放，真正達到經濟效益與社會效益的統一[1]。

1 光伏一體化概述

1.1 光伏一體化的定義

光伏一體化（BIPV）是利用太陽能發電的一種新技術，簡單而言就是將太陽光伏發電方陣安裝在建筑維護結構外表，主要目的是給建筑提供電力[2]。光伏一體化與以往的安裝型光伏建筑（BAPV）最大的不同在于一體化設計，光伏一體化不是簡單地將光伏系統附著在建筑上，而是真正地將光伏技術及光伏產品與建筑進行一體化設計。

1.2 光伏一體化的優勢

1.2.1 滿足建筑美觀及采光要求

光伏一體化建筑大多采用向光面超白鋼化玻璃制作雙面玻璃組件，通過調整電池片的朝向，使公共建筑內的背光處也能夠滿足光線通透的要求[3]。除此之外，光伏一體化建筑能夠最大限度地滿足現代建筑物的外觀需求。普通的光伏組件接線盒都比較大，在安裝使用的過程中很容易破壞建筑物的美感和設計感；光伏一體化設計可以將接線盒省去或者隱藏在幕墻結構中，這樣不僅可以避免線路侵蝕，還能夠達到最優的外觀效果。目前已經研制出大尺度的彩色光伏模塊，可以進一步豐富建筑外觀。

1.2.2 提高建筑安全性能

光伏組件在建筑設計中的應用，在一定程度上還能夠提高建筑物的安全性能。光伏一體化組件相比于普通的光伏組件，更具有力學性能上的優勢。光伏一體化組件中的PVB 膠片有良好的黏結性、韌性和彈性，具有較強的緩沖作用，可以有效防止沖擊物穿透建筑。即使玻璃破損，碎片也會牢牢黏附在PVB 膠片上，不會因為大面積脫落導致傷亡事故的發生，從而最大限度地提升建筑物的安全性能[4]。

1.2.3 節約建筑能源

光伏一體化建筑能夠有效利用建筑外圍立面—墻面和屋頂進行一體化設計，省去了普通光伏的支撐結構。光伏組件與玻璃幕墻的緊密結合，使幕墻施工方式更為靈活，結構適應能力更強。一部分單元式幕墻還可在工廠內加工制作，更容易實現批量化及工業化生產，最大限度地節約了建筑資源及人力資源。除此之外，光伏一體化建筑還能夠大大節約土地資源，通過原地發電和原地使用，減少電網投資和能源損耗。為了提高光伏一體化組件的散熱能力，降低電池溫度，研究人員還設計出雙層通風幕墻系統，使建筑物更具通風換氣、保溫隔熱及節能環保的優勢。

1.2.4 更具經濟效益

相比于普通的光伏組件，光伏一體化建筑所使用的光伏組件及電池組件的壽命更長。普通的光伏組件封裝一般用EVA，EVA 的抗老化性能不強，最長使用壽命是50 年，并且EVA 很容易發黃，會影響建筑物的美觀；光伏一體化組件主要采用PVB 膜進行封裝，PVB 的透明性、耐熱性、抗寒性、防潮性及機械性能都比較強，并且已經成熟地應用于建筑夾層玻璃制作，因此BIPV 光伏組件具有更長的壽命，幾乎不需要更換，大大節省了維護和換新的費用，進一步提升了現代建筑的經濟效益。

1.3 光伏一體化的常見應用形式

1.3.1 光伏幕墻

光伏幕墻是將光伏組件與建筑幕墻結合的一種應用形式。光伏幕墻的最大優點在于安裝方便，光伏幕墻的施工手段比較靈活，主體結構也具有較強的適應性，是當前我國公共建筑中采用最多的形式。光伏幕墻根據建筑結構不同有著不同的應用形式。一是橫向和豎向框架不顯露式。這種形式下，在玻璃幕墻的外表面看不到框架，在玻璃分隔間看不到龍骨和窗框，僅可見安裝縫。全玻璃組件的安裝固定主要靠結構膠的黏合，幕墻整體美觀，外觀統一，具有較強的通透感，適合建筑風格樣式簡潔明快的公共建筑。二是橫向和豎向框架顯露式。在玻璃分隔間可以看到龍骨和窗框，幕墻平面表現為矩形風格，全玻璃組件的安裝和固定主要靠結構膠黏合及構件壓接，幕墻整體表現出明顯的層次感，光伏電池組件與龍骨型材成為建筑裝飾，更具有美學價值。

1.3.2 光伏天棚

光伏天棚是將光伏組件與建筑物天棚結合的一種應用形式。光伏天棚要求光伏組件更為透明。一般情況下，光伏組件透光率越大，電池片的排布越稀疏，其發電功率也越小。除了一些有種植需求的現代大棚，出于組件效率的考量，一般不會在城市的公共建筑中大面積使用光伏天棚，主要用于建筑連接部分。

1.3.3 光伏屋頂

光伏屋頂是將光伏組件與建筑屋頂結合的一種應用形式。從發電的角度來看，光伏屋頂更多地適用于平頂結構。主要原因如下：平頂結構更好找到最佳的安裝角度，從而獲取最大發電量；平頂結構的使用面積較大，可以采用標準化的光伏組件安裝，從而獲取最佳性能；與建筑物的功能不發生沖突，可以利用南向斜屋頂，更具有經濟價值。

2 南方醫科大學順德醫院案例

2.1 案例概況

南方醫科大學順德醫院位于廣東佛山順德區（見圖1），規劃總用地面積為135 761.90 m2，計容總建筑面積為269 066.46 m2，容積率約為1.98。南方醫科大學順德醫院項目創造性地將光伏技術與產品集成到建筑上，可原地發電、原地使用。

圖1 南方醫科大學順德醫院外觀

（1）光伏發電系統組成：光伏骨架覆蓋面積約9 574 m2，光伏電池板面積約7 176m2，板件分別設置在建筑立面和屋頂造型架上。設計總安裝容量約為100.4×104Wp，其中建筑立面系統采用9 074 塊44 Wp、142 塊28 Wp、66 塊19 Wp 和157 塊14 Wp 的雙玻單晶硅光伏組件，總功率約為40.7×104Wp；屋頂光伏系統采用常規多晶硅光伏組件2 387 塊，每塊組件峰值功率為250 Wp，總功率約為59.7×104Wp。

（2）屋頂系統：采用多晶硅太陽電池組件，峰值功率為250 Wp，轉換效率為14.7%以上（含邊框）；立面系統采用單晶硅太陽能組件，采用雙面夾膠玻璃組件，組件功率為44 Wp。

（3）室外照明：光伏一體化的日均產電量約為1 800 kW，其產生的電力主要用于室外園區照明與標識照明，可節約電站送電網的投資和減少輸電、分電損耗。對于醫院這種用電量大的大型公共建筑，自產自用的供電方式可緩解電力需求高峰時期的供需矛盾，具有極大的社會效益。

2.2 光伏一體化建筑設計

在本項目中，光伏與建筑的一體化主要有三種應用形式：一是光伏板與墻體幕墻結合；二是光伏方陣與屋面的結合；三是光伏板與建筑中庭的結合。

2.2.1 光伏板與墻體幕墻結合

在光伏一體化建筑中，光伏幕墻使用的光伏組件屬于標準模塊，采用立面設計。在立面設計中可以采取多樣化的組合設計方式，常見的組合設計方式為水平式、垂直式及散點式[5]。該項目的立面光伏板的設計采用了水平式，使得建筑立面呈現出統一、協調及現代化的特點。同時，這種設計不僅滿足了光伏發電的要求，還具備一定的通風遮陽功能。

立面設計模塊化的優點還在于能夠加快施工進度，同時標準化的模塊設計還更加便于后期維護，在滿足技術性要求的同時，還符合功能性、文化性、整體性及協調性的原則。

2.2.2 光伏方陣與屋面的結合

本項目將光伏陣列設置于天面層上，巧妙地做成了雙層屋頂的形式。這種脫離建筑圍護結構的做法有利于避免光伏組件影響建筑主體結構，設計和安裝簡單，具有發電效率高、安裝面積廣及遮擋少的特點。

光伏陣列與建筑天面之間有較大的空間，光伏板與建筑的天面之間的空間高度達到了4 m 以上，為建筑增加更多的使用可能性，有利于醫院功能的不斷優化與拓展。

2.2.3 光伏板與建筑中庭的結合

醫院的建筑中庭屋頂設置光伏玻璃，最大限度地利用建筑頂面空間，增大發電的效能。光伏玻璃透光性好，具有一定的隔熱功能，對進入室內的陽光輻射有一定的阻隔作用，在進行室內裝修設計時，不需在中庭設置帆布或織物來反射陽光，有利于簡化室內裝修的風格、易于維護及降低裝修成本。把光伏玻璃運用到采光中庭中，是本項目具有創造性的重要實踐（見圖2）。

圖2 光伏玻璃與中庭的結合

3 光伏一體化建筑對相關組件的要求

在進行光伏一體化建筑設計的過程中，需要應用相應的光伏組件，主要包括電池組件和遮陽組件。了解這些組件的性能要求，更能夠提升光伏一體化建筑效果。

3.1 電池組件

在光伏一體化建筑中，建筑部位不同，所選擇的光伏電池組件不同。例如，建筑屋頂、墻面及玻璃幕墻的光伏一體化設計中，大多采用多晶硅薄膜及非晶硅薄膜電池組件。與晶硅電池相比，多晶硅薄膜電池及非晶硅薄膜電池對折射光、散射光及直射光等各種光源都有良好的吸收效應，能夠更穩定地輸出電流，適合長時間持續性的光電轉換。

3.2 遮陽組件

在光伏一體化建筑中，往往采用高性能透光玻璃進行幕墻和屋頂設計，在提升建筑透光效果的同時，在一定程度上會增加建筑耗能，使光伏一體化建筑面臨熱損失的問題。基于此，要利用遮陽組件來構建完善的光伏遮陽系統，將遮陽板上的太陽輻射轉化為電能。一般情況下，光伏遮陽組件主要是采用兩種形式進行組裝。一種是將光伏器件單面封裝后與鋁合金葉片組裝，這樣更能保持葉片的流暢外形，確保建筑外觀統一。鋁葉片的強度高，在進行大跨度設計時不需要額外設計支撐主軸。另一種是直接將光伏器件雙面玻璃封裝后作為葉片使用，但是這種形式并不適合大跨度的設計。在實際應用的過程中，要根據建筑物的需求進行選擇。

4 結束語

綜上，光伏一體化增加了公共建筑的創作和設計的思路，無論是從建筑美觀的角度，還是從經濟適用的角度來看，光伏一體化建筑都具有重要的應用和推廣價值，對于未來建筑業的健康發展也具有一定的推動作用。