光伏一体化在公共建筑设计中的创新应用——以南方医科大学顺德医院项目为例

陈霖峰，董惠敏

佛山市顺德建筑设计院股份有限公司，广东 佛山 528300

0 引言

光伏一体化建筑也被称为BIPV 建筑，是光伏发电技术与建筑集成化的重要成果。随着BIPV 技术的深入发展及生态环保理念的深入人心，当前有越来越多的公共建筑在结构设计及立面设计的过程中，应用到光伏系统。尤其是在建筑墙体、屋顶、天棚这些部位，通过设计光伏幕墙和光伏屋顶，实现建筑工程光学、力学、美学及生态学等多学科的综合运用，既满足建筑自身的用电需求，又通过清洁能源开发减少建筑碳排放，真正达到经济效益与社会效益的统一[1]。

1 光伏一体化概述

1.1 光伏一体化的定义

光伏一体化（BIPV）是利用太阳能发电的一种新技术，简单而言就是将太阳光伏发电方阵安装在建筑维护结构外表，主要目的是给建筑提供电力[2]。光伏一体化与以往的安装型光伏建筑（BAPV）最大的不同在于一体化设计，光伏一体化不是简单地将光伏系统附着在建筑上，而是真正地将光伏技术及光伏产品与建筑进行一体化设计。

1.2 光伏一体化的优势

1.2.1 满足建筑美观及采光要求

光伏一体化建筑大多采用向光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，通过调整电池片的朝向，使公共建筑内的背光处也能够满足光线通透的要求[3]。除此之外，光伏一体化建筑能够最大限度地满足现代建筑物的外观需求。普通的光伏组件接线盒都比较大，在安装使用的过程中很容易破坏建筑物的美感和设计感；光伏一体化设计可以将接线盒省去或者隐藏在幕墙结构中，这样不仅可以避免线路侵蚀，还能够达到最优的外观效果。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块，可以进一步丰富建筑外观。

1.2.2 提高建筑安全性能

光伏组件在建筑设计中的应用，在一定程度上还能够提高建筑物的安全性能。光伏一体化组件相比于普通的光伏组件，更具有力学性能上的优势。光伏一体化组件中的PVB 胶片有良好的黏结性、韧性和弹性，具有较强的缓冲作用，可以有效防止冲击物穿透建筑。即使玻璃破损，碎片也会牢牢黏附在PVB 胶片上，不会因为大面积脱落导致伤亡事故的发生，从而最大限度地提升建筑物的安全性能[4]。

1.2.3 节约建筑能源

光伏一体化建筑能够有效利用建筑外围立面—墙面和屋顶进行一体化设计，省去了普通光伏的支撑结构。光伏组件与玻璃幕墙的紧密结合，使幕墙施工方式更为灵活，结构适应能力更强。一部分单元式幕墙还可在工厂内加工制作，更容易实现批量化及工业化生产，最大限度地节约了建筑资源及人力资源。除此之外，光伏一体化建筑还能够大大节约土地资源，通过原地发电和原地使用，减少电网投资和能源损耗。为了提高光伏一体化组件的散热能力，降低电池温度，研究人员还设计出双层通风幕墙系统，使建筑物更具通风换气、保温隔热及节能环保的优势。

1.2.4 更具经济效益

相比于普通的光伏组件，光伏一体化建筑所使用的光伏组件及电池组件的寿命更长。普通的光伏组件封装一般用EVA，EVA 的抗老化性能不强，最长使用寿命是50 年，并且EVA 很容易发黄，会影响建筑物的美观；光伏一体化组件主要采用PVB 膜进行封装，PVB 的透明性、耐热性、抗寒性、防潮性及机械性能都比较强，并且已经成熟地应用于建筑夹层玻璃制作，因此BIPV 光伏组件具有更长的寿命，几乎不需要更换，大大节省了维护和换新的费用，进一步提升了现代建筑的经济效益。

1.3 光伏一体化的常见应用形式

1.3.1 光伏幕墙

光伏幕墙是将光伏组件与建筑幕墙结合的一种应用形式。光伏幕墙的最大优点在于安装方便，光伏幕墙的施工手段比较灵活，主体结构也具有较强的适应性，是当前我国公共建筑中采用最多的形式。光伏幕墙根据建筑结构不同有着不同的应用形式。一是横向和竖向框架不显露式。这种形式下，在玻璃幕墙的外表面看不到框架，在玻璃分隔间看不到龙骨和窗框，仅可见安装缝。全玻璃组件的安装固定主要靠结构胶的黏合，幕墙整体美观，外观统一，具有较强的通透感，适合建筑风格样式简洁明快的公共建筑。二是横向和竖向框架显露式。在玻璃分隔间可以看到龙骨和窗框，幕墙平面表现为矩形风格，全玻璃组件的安装和固定主要靠结构胶黏合及构件压接，幕墙整体表现出明显的层次感，光伏电池组件与龙骨型材成为建筑装饰，更具有美学价值。

1.3.2 光伏天棚

光伏天棚是将光伏组件与建筑物天棚结合的一种应用形式。光伏天棚要求光伏组件更为透明。一般情况下，光伏组件透光率越大，电池片的排布越稀疏，其发电功率也越小。除了一些有种植需求的现代大棚，出于组件效率的考量，一般不会在城市的公共建筑中大面积使用光伏天棚，主要用于建筑连接部分。

1.3.3 光伏屋顶

光伏屋顶是将光伏组件与建筑屋顶结合的一种应用形式。从发电的角度来看，光伏屋顶更多地适用于平顶结构。主要原因如下：平顶结构更好找到最佳的安装角度，从而获取最大发电量；平顶结构的使用面积较大，可以采用标准化的光伏组件安装，从而获取最佳性能；与建筑物的功能不发生冲突，可以利用南向斜屋顶，更具有经济价值。

2 南方医科大学顺德医院案例

2.1 案例概况

南方医科大学顺德医院位于广东佛山顺德区（见图1），规划总用地面积为135 761.90 m2，计容总建筑面积为269 066.46 m2，容积率约为1.98。南方医科大学顺德医院项目创造性地将光伏技术与产品集成到建筑上，可原地发电、原地使用。

图1 南方医科大学顺德医院外观

（1）光伏发电系统组成：光伏骨架覆盖面积约9 574 m2，光伏电池板面积约7 176m2，板件分别设置在建筑立面和屋顶造型架上。设计总安装容量约为100.4×104Wp，其中建筑立面系统采用9 074 块44 Wp、142 块28 Wp、66 块19 Wp 和157 块14 Wp 的双玻单晶硅光伏组件，总功率约为40.7×104Wp；屋顶光伏系统采用常规多晶硅光伏组件2 387 块，每块组件峰值功率为250 Wp，总功率约为59.7×104Wp。

（2）屋顶系统：采用多晶硅太阳电池组件，峰值功率为250 Wp，转换效率为14.7%以上（含边框）；立面系统采用单晶硅太阳能组件，采用双面夹胶玻璃组件，组件功率为44 Wp。

（3）室外照明：光伏一体化的日均产电量约为1 800 kW，其产生的电力主要用于室外园区照明与标识照明，可节约电站送电网的投资和减少输电、分电损耗。对于医院这种用电量大的大型公共建筑，自产自用的供电方式可缓解电力需求高峰时期的供需矛盾，具有极大的社会效益。

2.2 光伏一体化建筑设计

在本项目中，光伏与建筑的一体化主要有三种应用形式：一是光伏板与墙体幕墙结合；二是光伏方阵与屋面的结合；三是光伏板与建筑中庭的结合。

2.2.1 光伏板与墙体幕墙结合

在光伏一体化建筑中，光伏幕墙使用的光伏组件属于标准模块，采用立面设计。在立面设计中可以采取多样化的组合设计方式，常见的组合设计方式为水平式、垂直式及散点式[5]。该项目的立面光伏板的设计采用了水平式，使得建筑立面呈现出统一、协调及现代化的特点。同时，这种设计不仅满足了光伏发电的要求，还具备一定的通风遮阳功能。

立面设计模块化的优点还在于能够加快施工进度，同时标准化的模块设计还更加便于后期维护，在满足技术性要求的同时，还符合功能性、文化性、整体性及协调性的原则。

2.2.2 光伏方阵与屋面的结合

本项目将光伏阵列设置于天面层上，巧妙地做成了双层屋顶的形式。这种脱离建筑围护结构的做法有利于避免光伏组件影响建筑主体结构，设计和安装简单，具有发电效率高、安装面积广及遮挡少的特点。

光伏阵列与建筑天面之间有较大的空间，光伏板与建筑的天面之间的空间高度达到了4 m 以上，为建筑增加更多的使用可能性，有利于医院功能的不断优化与拓展。

2.2.3 光伏板与建筑中庭的结合

医院的建筑中庭屋顶设置光伏玻璃，最大限度地利用建筑顶面空间，增大发电的效能。光伏玻璃透光性好，具有一定的隔热功能，对进入室内的阳光辐射有一定的阻隔作用，在进行室内装修设计时，不需在中庭设置帆布或织物来反射阳光，有利于简化室内装修的风格、易于维护及降低装修成本。把光伏玻璃运用到采光中庭中，是本项目具有创造性的重要实践（见图2）。

图2 光伏玻璃与中庭的结合

3 光伏一体化建筑对相关组件的要求

在进行光伏一体化建筑设计的过程中，需要应用相应的光伏组件，主要包括电池组件和遮阳组件。了解这些组件的性能要求，更能够提升光伏一体化建筑效果。

3.1 电池组件

在光伏一体化建筑中，建筑部位不同，所选择的光伏电池组件不同。例如，建筑屋顶、墙面及玻璃幕墙的光伏一体化设计中，大多采用多晶硅薄膜及非晶硅薄膜电池组件。与晶硅电池相比，多晶硅薄膜电池及非晶硅薄膜电池对折射光、散射光及直射光等各种光源都有良好的吸收效应，能够更稳定地输出电流，适合长时间持续性的光电转换。

3.2 遮阳组件

在光伏一体化建筑中，往往采用高性能透光玻璃进行幕墙和屋顶设计，在提升建筑透光效果的同时，在一定程度上会增加建筑耗能，使光伏一体化建筑面临热损失的问题。基于此，要利用遮阳组件来构建完善的光伏遮阳系统，将遮阳板上的太阳辐射转化为电能。一般情况下，光伏遮阳组件主要是采用两种形式进行组装。一种是将光伏器件单面封装后与铝合金叶片组装，这样更能保持叶片的流畅外形，确保建筑外观统一。铝叶片的强度高，在进行大跨度设计时不需要额外设计支撑主轴。另一种是直接将光伏器件双面玻璃封装后作为叶片使用，但是这种形式并不适合大跨度的设计。在实际应用的过程中，要根据建筑物的需求进行选择。

4 结束语

综上，光伏一体化增加了公共建筑的创作和设计的思路，无论是从建筑美观的角度，还是从经济适用的角度来看，光伏一体化建筑都具有重要的应用和推广价值，对于未来建筑业的健康发展也具有一定的推动作用。