旧工业建筑改造中太阳能光伏技术应用综述★

明文静，吴 蔚*

（南京大学建筑与城市规划学院，江苏 南京 210093）

1 概述

2021 年5 月25 日，住房和城乡建设部等15 个部门联合发文，提出了加大建筑屋顶光伏面积比例、实施光伏建筑一体化、推广分布式光伏等一系列意见［1］。光伏（Photovoltaic） 是太阳能光伏发电系统的简称，即利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能，它可分为集中式和分布式两类，集中式是指成片布置光伏板，如西北地面大型光伏发电系统；而住建部倡导推广的分布式（以大于6 MW 为分界） 是指分散在厂房、民居屋顶的光伏发电系统［2］。另外，随着半透明非晶硅薄膜光伏电池的出现，将太阳能利用与建筑围护结构相结合的光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV） 技术也在我国逐步推广开来。

我国大量旧工业建筑的升级改造工作已经展开，工业厂房往往跨度大、进深深，屋顶的可利用面积大。若将光伏技术应用到旧厂房改造利用中，既可以利用太阳能发电来解决建筑能耗问题，也可以解决大型工业建筑在重新改造利用后的诸多问题。本文通过回顾太阳能光伏技术在旧工业建筑改造的相关案例，分析和总结利用光伏技术中容易出现的诸多问题，尝试从建筑光伏一体化的角度，探讨光伏技术在旧工业建筑改造中的优势和前景。

2 太阳能光伏板在旧工业建筑改造中的利用

太阳能光伏技术利用最简单常见的方式就是将光伏板直接铺设在原有工业建筑的屋顶上。如在上海南市发电厂改造为世博会展馆项目中，太阳能光伏板直接安装在原有多层厂房的屋面上，根据屋面坡度的不同，光伏板的角度分别设置为25°和12°，改造后的光伏发电量不仅满足建筑本身的用电需要，也展示了新能源的发展与应用的前景［3］。此外，在深圳南海意库3 号厂房改造中，也是在原有厂房屋面上直接铺设了300 多平方米的光伏板，安装角度设置为33°倾斜，若以80%的有效使用率计算，它的年发电量可以达到4 万kW·h 左右，每年节省标煤5 t 左右且每年电费节省近5 万元［4］。除了直接安装在屋顶上，光伏板还可以通过架空的方式，在厂房屋面上增设有趣的空间。例如在上海市申都大厦改造中，场地周边建筑密集，绿化较少，环境较差，因此建筑师利用架空的光伏发电板，在原有厂房视野相对开阔的屋面上，增加了一个半室外空间，连接了室外与室内，还设计了屋顶菜园，将工作与生活、城市与自然巧妙地结合在一起，为旧厂房改造提供了新的可能［5］。

在旧工业厂房屋顶上安放光伏板主要有两种方式［6］：一种是通过连锁挤压泡沫块将光伏板支撑在平屋面或者坡屋面上，在安装时需要考虑原有建筑屋面的承重能力及外加屋面荷载； 另一种是将光伏板直接附着在厂房屋面上，这种光伏板材质是一种柔软质轻的薄膜无定形硅光电板，它可以减轻原有厂房屋面的承受压力，但在两者结合的过程中会有一定的困难。另外，安装倾角也是影响光伏板转换率的重要因素之一，由于自动太阳能跟踪装置较为复杂，投入资金和维护成本较高，目前我国采用的大多为固定式安装。因此在旧厂房改造前，需要考虑当地气候条件、日照条件并计算倾斜面总体辐射量，以便最大程度地利用太阳能。

3 太阳能光伏窗在旧工业建筑改造中的利用

近年来，太阳能光伏技术向透光性发展，半透明光伏窗应运而生。与其他窗户相比，光伏窗的特点在于它可以吸收太阳光，并主动将一部分太阳辐射转变为供建筑使用的电能，还能通过调节自身的透光率来改善室内采光环境并缓解太阳辐射带来的曝晒和眩光问题。由于光伏窗与原有旧厂房立面较难融合，因此很少看到光伏外窗应用于旧厂房立面上的改造案例，较多的是采用光伏天窗。

由于旧厂房的进深和跨度较大，仅使用侧窗和高侧窗采光不能较好地满足室内光环境的需求，因此设置天窗可以较好改善室内采光。如在罗马儿童博物馆改造中，设计师在尊重原有旧厂房仓库结构形式、保证原来桁架间距的前提下，将光伏组件与透明的Low － E玻璃模块相间布置（见图1） 。这样的做法不仅提高室内采光，还使得光线通过透明的玻璃和不透明的光伏电池单元的投射，在建筑室内形成了光影斑驳的独特效果，创造了寓教于乐的场所。这种利用可调节的光伏天窗结合被动式太阳能技术，有效减少了冬季的采暖和夏季的制冷负荷，从而提高了室内的舒适度。但过多的光伏天窗会使室内产生眩光和局部过热的问题。如深圳南海意库3 号厂房改造中，在厂房原有中庭的屋面，通过安放光伏天窗来改善室内光环境质量（见图2） 。然而属于亚热带海洋气候的深圳，强烈的直射阳光所产生的不舒适眩光和室内过热问题却让使用者大为困扰。而江西抚州市东乡区渊山岗工业园区的一栋旧厂房改造中，在其锯齿形厂房屋面的北面采用双玻夹胶的透明薄膜组件，南面采用不透明的双玻多晶硅光伏组件，在较好地满足室内采光需求的同时，又解决了阳光直射所产生的眩光和室内过热问题。

图1 罗马儿童博物馆改造室内光伏天窗[7]

图2 深圳南海意库3 号厂房改造室内光伏天窗

从上面的案例可以看出在旧厂房改造中利用光伏天窗需要考虑两个问题：一是选择适当的光伏天窗产品；二是选择适当的透光参数。目前市面上常见的光伏天窗产品有三种方式［8－9］：直接使用薄膜电池、不透明晶硅电池阵列排布、以及通过激光刻蚀/切割技术处理电池。第一种进入室内的光线均匀柔和，但透光率较低，采光和视觉效果较差，且目前发电效率不及另外两种；第二种太阳能转换率和发电效率均较好，但是会在室内产生明暗相间的阴影，也易产生眩光问题，且窗户整体美观度不佳； 第三种可以定制透光率（30% ～50%） ，发电量与覆盖率相关，发电效率与材料有关。对于光伏天窗透光参数的选择，需要考虑当地的气候条件、旧工业厂房所需改造空间大小和使用类型，需要具体问题具体分析［10］。

4 分析与讨论

在旧工业建筑改造中应用光伏技术尚处于起步阶段，需要注意以下几个方面：

1） 在旧工业建筑改造中，最常用的方式是将光伏板直接安放在原有屋面上。这种方式在施工上简单方便，造价相对较低，不会对既有工业厂房的平、立面产生较大影响。但在安放时，需要考虑原有结构的承重要求和完好程度。此外，旧厂房的可利用屋面面积和四周遮挡情况也需要考虑。如果既有建筑屋面面积较难利用或四周遮挡情况严重，则可以在结构允许的情况下，借鉴上海市申都大厦的改造方式，即采用升高架空形式。但如果既有工业厂房有历史保护要求，则需要考虑视线问题，应尽可能设置在人眼观看不到的位置，从而保护原有建筑的历史风貌。

2） 尽管光伏天窗所涉及的技术和流程相对复杂，但因可以有效改善大跨度工业厂房常见的室内采光问题，创造出较为丰富的室内光环境，近些年来光伏天窗在国内外旧工业建筑改造中的应用日益增多。在安装光伏天窗时，要根据不同地理位置和气候条件，对改造后的室内物理环境、能耗、环境影响和经济性进行综合评估，以此决定光伏天窗的大小、透光率、安放位置以及最佳倾斜角度。在获得最大光电转换率的同时，一定要注意夏季室内过热、眩光等问题［11］。此外，工业厂房空间较为高大，很少做上人屋面，因此在安装光伏天窗时，还需要考虑后续的维护、保养等一系列问题。

目前光伏玻璃的颜色和纹理较为单一，并且光伏侧窗的光电转化率较天窗低，因此光伏窗很少用在旧厂工业厂房改造中的立面侧窗上。但随着透光光伏产品的发展，可以预见光伏建筑一体化技术会在旧工业厂房改造中有更多的应用。

在旧工业建筑改造中利用太阳能光伏技术可以减少建筑能耗，解决既有工业厂房的天然采光问题，是目前国内外发展最为迅速、前景最为看好的可再生能源产业之一［12］，也是住建部正在积极倡导的方针政策。但目前光伏建筑一体化技术在旧工业厂房改造中的应用较为简单划一，多为在屋面简单搭设光伏板，增设光伏天窗等方式，如何将太阳能产品与旧工业建筑改造相结合，真正实现光伏建筑一体化设计，在降低能耗的同时创造令室内光环境更加丰富多变的新产品，是切实推进光伏技术利用的重点方向之一。