可再生能源示范建筑——上海太阳能工程技术研究中心

刘智伟 / LIU Zhiwei

图1 群体鸟瞰

1 项目背景

上海太阳能工程技术研究中心是目前国内最大的建筑光伏一体化实验建筑之一。项目位于上海市闵行区紫竹科学园紫月路，用地2.67hm2，总建筑面积2.72万m2，最高24m。项目于2010年建成并投入使用，建成后总装机容量为1MW，集太阳能技术研发、实验、检测和建筑光伏一体化技术展示等功能于一体。该项目是上海可再生新能源利用的示范建筑，世博会光伏应用研究支撑计划示范建筑（图1～4）。

2 可再生能源示范建筑创作

上海太阳能工程技术研究中心的定位是充分体现光伏组件和光伏发电技术在建筑物上的一体化示范应用。

图2 总平面

2.1 兆瓦级的光伏装机要求

首先整个项目要满足1MW发电量的量化要求，根据组件功率及单块面积，业主初步估计需有8 000多m2面积的太阳能光伏产品覆盖在建筑物和构筑物上（包括有效光照的建筑物南立面）。建筑基地总面积为2.67万m2，按照35%的规划覆盖率，允许最大占地面积为9 345m2，意味着建筑90%的屋顶需要覆盖光伏板，给建筑总体规划提出了巨大的挑战。

2.2 光伏能量环概念

图3 建筑组合平面

图4 群体主入口

设计需要在概念上找到最契合“太阳能”主题的思路，业主提供的具体数据要求是构思的难点，也是出发点。光伏发电的本质是将太阳能转化为电能，并经过逆变器将直流电转化成交流电。上海太阳能工程技术研究中心是研究光伏利用的场所，可以理解为是太阳光与人类电力之间的一个介质、转化器。经过多次的构思分析与推演，提出“光芒四射的太阳能量环”的初步构思，以表达建筑师最想要的意境空间。经过整理，概念可简单表述为：阳光－能量－研究－转化－建筑化－人性化。构思表达出“光芒四射的太阳能量环”的生态意境，将抽象意境形象化成一个围合的建筑场所空间。阳光与能量是场所行为的起点，研究和转化是场所的具体行为，建筑化与人性化是场所空间的细节（图5）。

2.3 院落空间塑造

建筑总体采用庭院式布局，光伏板组成椭圆形核心庭院，由椭圆形两侧放射出5栋线性建筑围合成形态各异的小庭院，两者相互渗透穿插，由光伏能量环界定的灰空间将各空间串联。围绕这条椭圆形轴线，室内空间和室外空间有节奏地交替出现，所营造的良好的趣味步行体验在北侧观光塔处达到高潮。此时，观光塔圆形楼梯围合的空间将水平的空间维度导向竖向维度，形成向上的推力，吸引参观者沿楼梯环绕而上，直抵20m高的观光平台，进而豁然开朗，俯瞰整个中心庭院的山水意境和屋顶光伏组件的科技之美。

上海太阳能工程技术研究中心的1#楼为2层办公楼，2#～5#楼为实验楼，2～4层不等，由北向南逐渐跌落。园区采用人车分流的交通组织形式。工作人员可以通过中心圆环和庭院，步行到达每栋建筑，圆环的光伏顶棚可以遮风避雨。基地的外围是车行环道，可满足日常和紧急消防的行车要求。两者互不干扰，从而最大限度地减少车辆噪声对研究人员的影响，为科研人员创造最佳的工作环境（图6）。

图5 光伏能量环构思立意示意

图6 建筑群体庭院

2.4 光伏特色细节之美

建筑细部设计着重体现建筑与光伏组件的有机结合，营造符合现代美学的建筑细节。1#楼和2#楼为对外的办公与实验建筑。建筑南立面使用深蓝色太阳能板组件，尺寸为1 300mmx1 000mm，采用定制幕墙组件系统，将光伏板后面的光电元件、线路与龙骨结合统一。组件与墙面保持一定的间距，保持空气的流通，以便光伏组件散热降温，维持其发电效率。对深蓝色组件排列格式与建筑的开窗部位进行整体设计，以保证办公室内最佳采光通风要求。南立面东西端部采用定制的太阳能光伏遮阳构件，能随太阳角度自动地变换组件斜角，保证最好的发电和遮阳效果（图7、8）。

3 建筑与光伏一体化设计关键点

3.1 建筑光伏一体化类型

图7 建筑立面光伏细部

图8 建筑立面光伏实景效果

表1 BIPV和BAPV的特点

表2 上海太阳能工程技术研究中心在设计之初的关注点

BIPV（Building Integrated Photovoltaic）即建筑与光伏一体化，光伏组件是建筑材料的一种，同时具备可靠的发电能力。BAPV（Building Attached Photovoltaic）是附着在建筑物外体上的普通光伏组件，并不是建筑物的一部分。BIPV和BAPV两种形式都在上海太阳能工程技术研究中心得到了充分的应用（表1）。

3.2 建筑光伏一体化设计条件评估

在评估一个建筑光伏一体化项目时有一些必要的关注点和前提条件，并在规划和设计中加以考虑，才能为项目的成功打下好的基础（表2）。

3.3 组件细节

考虑建筑与光伏一体化的不同类型，综合建筑的美学形象追求，在开始设计时除建筑的基本构思创意之外，还要尽可能地考虑组件的细节问题（表3）。

3.4 组件安装方式

光伏组件的安装方式和角度直接影响发电效率和建筑效果，项目在光伏建筑一体化组件的应用上进行了全面分析（表4）。

3.5 光伏能量环倾角分析

上海地区最佳倾角为22°，光伏阵列接收到的是全年最大的辐射量。但是建筑光伏一体化设计还要考虑建筑的整体效果和协调性。特别是光伏能量环，建筑师无法接受采用22°最佳倾角，那样对整个建筑美观效果有很大影响。根据业主实验：以100kW单晶硅光伏不同月份的发电量（组件效率13.8%）及年发电量变化曲线，当倾角为5°时，接收的辐射量与最佳倾角相比较只损失了2.89%。因而光伏能量环采用建筑师可接受的5°倾角，最后的选择兼顾了建筑美学要求和实际的发电效率两个方面的要求，实现了最佳的建筑光伏一体化（图9）。

表3 组件的细节考虑

3.6 阴影遮挡的解决

建筑与光伏板组件的结合，建筑师主导的建筑美学设计，难免会造成部分光伏板无法正面接受阳光，受前方建筑阴影的影响，发电效率降低。项目屋顶设置观景平台，其投影对后面的光伏环（图10，红色区域）造成遮挡。

国际上通用的无遮挡标准为：在冬至日上午9点到下午3点之间没有遮挡即符合设计要求。建筑遮挡会产生热斑效应，降低光伏组件的发电效率。根据实验测试发现，一块晶体硅太阳能电池组件被遮挡1/10，发电功率损失达50%；而非晶硅电池组件受到同样的遮挡，功率只损失10%。

根据实验数据，设计在光伏能量环的北侧部分采用非晶硅太阳能组件（图10红色区域），很好地解决了建筑遮挡影响光伏组件发电效率的问题。同时在光伏发电系统设计上也采用遮挡区域独立逆变系统设计，减少遮挡所造成的各系统之间发电不平衡所带来的损失（图11）。

图9 光伏能量环5°倾角

图10 观光塔阴影解决

图11 观光塔

表5 不同区域接受到的太阳辐射量数据

图12 一体化应用形式

4 建筑光伏一体化应用类型

太阳能工程技术研究中心的建筑光伏一体化采用多样的形式和种类，与建筑形成最佳结合方式（图12，表5）。

4.1 光伏能量环

光伏能量环是上海太阳能工程技术研究中心一体化设计的核心部分，也是整个工程建筑光伏一体化设计最精彩的部分。光伏能量环是设计构思创意的出发点，整个园区的规划设计以其为中心展开。倾角5°的圆环屋顶主要由单晶体硅组件、玻璃和钢结构组成，观光塔后侧的区域为降低阴影的影响，采用薄膜电池（图13）。

4.2 光伏屋顶

屋顶部分采用22°最佳倾角多晶硅的光伏组件。建筑师在建筑设计阶段就充分考虑光伏板的荷载和形式，以及屋顶女儿墙的高度对组件的阴影问题，有针对性地降低女儿墙的高度，将女儿墙顶部改成栏杆组件。同时控制组件和女儿墙的间距来避开阴影，保证最好的屋顶光伏组件的发电效率（图14）。

4.3 光伏幕墙

1#、2#楼的南侧立面采用光伏组件和玻璃结合的幕墙形式，一体化的设计程度最高。建筑师结合立面效果和室内采光需求，在立面上就不透明的光伏组件和透光玻璃进行组合排列，设计出富有可识别性的一体化建筑形象（图15）。

4.4 光伏遮阳

1#、2#楼南立面的东侧和西侧的外立面采用光伏遮阳组件。建筑师在设计阶段对组件的位置和大小区域进行整体考虑。而组件形式的设计实现是建筑师、业主、PV工程师和上海青鹰公司技术人员团队协作的结果。

图13 光伏圆环实景

图14 光伏屋顶

图15 光伏幕墙

图16 光伏遮阳内部细节

业主对组件的功能技术参数经过9次实验改进，以配合设计师的效果要求（颜色、组件形式和布线要求），最后取得最佳效果（图16、17）。

4.5 光伏雨篷

光伏雨篷是由PV组件、LED组件、钢以及玻璃组成的遮阳雨篷，位于整个建筑的主入口处，很好地体现了能量的产生和消耗的循环规律，在白天发电并存储，晚上则利用电能照明，实现自给自足（图18）。

5 可再生能源建筑发展之路

横贯全国的雾霾天气促使国家反思以煤炭等传统化石能源为主的能源结构，开发替代清洁可再生能源是我国可持续发展的必然选择。太阳能作为最直接有效的利用形式之一，经过多年的发展，技术已经日趋成熟，据统计，上海有2亿m2的屋顶安装有太阳能。在能源科学家眼里，一个屋顶好比一台3kW的小型发电机组。国家曾经有个“十万屋顶计划的可行性调研”，希望推广建筑屋顶光伏发电应用，但是深度发展需要国家政策引导和扶持，需要各行业的协作，需要更多的可再生能源建筑出现去强化人们的意识。

图17 光伏遮阳

图18 光伏雨篷

上海太阳能工程技术研究中心项目是可再生能源示范项目建筑创作的一次很好的探索，其在建筑光伏一体化设计的应用形式上具有多样化、前沿性的特点，注定项目本身与参与者是一个值得尊敬的前行者——无论是富有前瞻性的业主，还是不懈探索的设计师。项目建成后作为上海利用和研究太阳能应用技术的一个重要的示范建筑，得到了社会的肯定。

项目信息

项目业主：上海太阳能工程技术研究中心

项目地址：上海市闵行区紫月路880号

设计院：上海现代建筑设计（集团）有限公司邢同和建筑创作研究室

设计师：邢同和、刘智伟、沈谨、邢瑛博、沈闵煌

用地面积：26 700m2

总建筑面积：27 238m2

地上建筑面积：26 700m2

地下建筑面积：1 750m2

容积率：1.0

覆盖率：33.5%

绿化率：30%

建筑高度：10/24m

建筑层数：2/4F

光伏装机容量：1MW

光伏组件种类：5

[1] 上海太阳能工程技术研究中心.兆瓦级BIPV并网系统应用技术[P]，2010.

[2] 建筑设计资料集编委会.建筑设计资料集（6）太阳能建筑[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.

[3] 杨洪心，周伟.太阳能建筑一体化技术与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4] 邢同和，刘智伟.建筑光伏一体化设计研究——基于上海太阳能工程技术研究中心项目[DB].上海现代建筑设计集团有限公司科研题库，2010.