基于无人机摄影测量的建筑表皮光伏设计与效益评估*

朱 丽，景一帆，尹宝泉，刘 冰，刘瑞杰

1 背景

在建筑物上部署光伏是一种有前途的现场清洁能源解决方案，可以显着减少温室气体排放。当前，先进的光伏技术产品已允许利用有限的屋顶、外墙、窗部等区域空间收集太阳能，全面利用建筑表皮在高密度城市环境中尤为有意义[1，2]。据预测，从现在到2050 年，全球光伏容量的一半以上将安装在建筑物围护结构上[3]。

光伏设施在建筑表面的部署需要合理的设计作为前提，否则会造成建筑风貌破坏、空间浪费、装机容量失配、成本过高、发电效率低等问题。快速准确地建立建筑实景三维模型是形成光伏集成设计方案、评估部署效果的关键环节，然而，既有研究虽然考虑了无人机摄影测量技术的使用，但多侧重于大范围区域正摄影像的获取，以粗略估计屋顶光伏潜力，还缺少针对建筑集成光伏的无人机实景测绘研究：Moudrý V.等人[4]基于无人机摄影测量获得的区域数字表面模型，利用ArcGIS 太阳辐射工具将太阳辐射估计值与安装在屋顶上的光伏系统真实数据进行比较，评估总体光伏潜力[5]。Agugiaro G.等人通过先进的无人机摄影测量和自动图像匹配方法生成建筑物屋顶的高分辨率几何模型，估计了阿尔卑斯山景观中建筑物屋顶上的太阳辐照度。张学仪[6]提出测绘地理信息技术与分布式光伏相结合，探索无人机倾斜摄影技术、实景三维技术、三维GIS 平台和信息化管理平台在分布式光伏可研、施工、运维和巡检各个阶段的应用。魏巍等[7]利用无人机倾斜摄影构建城市实景模型，通过GIS 技术提取建筑屋顶立面，并结合调查区地理位置光伏技术条件，评估了城市屋顶碳减排潜力。

另外，平衡技术和美学因素是光伏建筑集成设计的另一个关键问题，一些研究在开发建筑表面PV 应用方法或途径时考虑了技术要素和视觉要素。Faridaddin Vahdatikhaki 等人[8]从能源模拟角度调查了高层建筑垂直表面上太阳辐射潜力的替代建模方法性能，代理建模用于仿真模型的输入-输出行为。Krithika Panicker 等人[9]设计和评估了一体化并网屋顶和立面建筑集成光伏（BIPV）以满足校园、住宅建筑能源需求的可行性。说明了三个不同建筑组别的能源绩效指数的变化，为开发基于类型的建筑能源基准和标签系统提供了基础。C.Zomer等人[10]的研究展示光伏设计阶段如何利用工具来评估太阳辐射及不同方向和倾斜条件下遮阳的影响。该方法介绍了多种工具，并解释了如何使用它们来支持和指导建筑项目。该方法应用于位于巴西南部Erechim -RS 的同一栋住宅楼的两个案例研究中：一个用于屋顶的光伏系统和另一个用于太阳能车棚的光伏系统。Yifan Jing 等人的研究[11]构建了一个评估框架，以评估光伏系统的扩展潜力。以华北绿色综合能源园区为例，对建设和能源供需数据进行了梳理。论文对比了多种光伏组件部署于建筑表面的美学与技术表现。Changying Xiang 等人[12]基于美学策略，提出了彩色FIPV 设计，并在在线调查中进行了测试。最后，进行了理论能量生产率计算。结果表明，侧阳台布置在室内日光和太阳能收集方面表现最佳，部分阳台栏杆区域互补的FIPV 设计是最美观的类型。阳素梅[13]对BIM 如何影响、优化BIPV 的各个方面的性能(主要包括采光、发电、热工、安全、美学等方面)进行了解析，结合2010 太阳能十项全能竞赛中,天津大学的参赛作品——“向日葵”小屋，对整体视野下的BIM-BIPV的设计原则与流程进行了分析。初祎君[14]讨论光伏建筑的立面设计形式问题，从视觉和评价标准入手，研究形式统一、比例尺度、变化异质、节奏韵律等几种设计手法在太阳能光伏建筑一体化设计过程中的设计思路，并且对光伏建筑立面设计的几何因素和色彩因素进行了分析研究和举例说明。杨倩苗[15]应用了太阳能光伏技术的传统建筑改造案例，考虑发电效率以及成本造价，兼顾建筑美学特征，提出主动融合和被动适应两种应用策略，并对不同情况下策略的选择提出针对性的建议。李辰琦[16]通过对铜铟镓硒(CIGS)光伏材料形式特征的总结,聚焦于CIGS 光伏建筑艺术性的研究,分析总结了CIGS 光伏建筑的美学特征。然而，以上建筑集成光伏设计的技术与美学研究多基于二维图像或手动重建的建筑体块模型，不是依据三维实景模型，从而造成与实际建筑情形的差异，研究结果的可靠性、准确性不足。

2 研究问题和方法

本研究旨在开发一种基于无人机摄影测量三维实景建模的建筑光伏部署综合设计方法，平衡技术和美学要求形成方案，得出精准化能源生产预测结果。本研究所提方法流程见图1：（1）明确目标建筑BIPV 设计对三维实景模型的要求，利用适当的无人机设备，设计多高度航线环绕飞行摄影测量计划，进行80%航向重叠率的可见光图像获取。（2）整理筛选航拍图像，使用Context Capture 三维建模软件进行空间三角投影计算和模型生成。（3）将建筑模型导入DPModeler 进行修正和二次投影，最大限度还原模型表面材质和形体特征。（4）利用Rhino Grasshopper 编写分析程序，进行建筑表面太阳辐射接收能力模拟和光伏可用面积筛选。（5）模拟和比较不同光伏组件的美学效果和能源生产能力，得出合理光伏部署方案。

2.1 建筑无人机摄影测量目标与策略

根据建筑光伏集成设计拟进行的项目明确了无人机摄影测量以及建筑实景模型的要求。以往的建筑光伏集成设计研究和实例可以用于条目分析。根据作者本人的实践经验，结合一些具有经验的无人机飞行操作人员、测绘从业者、建筑师和电气工程师对相关事项提出建议，以满足无人机飞行安全、高精度测绘和光伏组件合理安装的要求。表1 显示了总结的不同建筑表皮部分的特征、光伏集成设计的要求、测绘和建模的注意事项。

表1 建筑各部位光伏设计与测绘要求

可以看出，在用于BIPV 分析的无人机摄影测量任务中，重要的是对屋顶、立面和周围地物图像信息的完整捕获。值得注意的是，由于当前倾斜摄影航线自动设计应用设定的航线均运用面向较大区域的等间距航线规划方式，并规划至少5 条航线，而这一方式在单体建筑的测绘中不利于精度保持和飞机电量节省，因此不适用。针对单体建筑，仅需要环绕目标物飞行摄影，保持照片航向重合率大于等于80%即可。图2 示意了无人机飞行线路的设定高度。如建筑层数较多或窗框内凹较多，则需增加不同高度的环绕飞行线路。

图2 无人机摄影测量航线

2.2 建筑三维实景模型建立与修整

整理筛选无人机拍摄的可见光图像，导入Context Capture 软件进行空间三角投影计算和模型建立。由于建筑表面的玻璃等部位的反光、透射现象，建立的模型表面小部分区域在Context Capture 建模软件系统中会被错误识别，造成黏连、破洞、平滑度欠缺等问题。如果直接对这些表面进行太阳辐射和光伏发电模拟，结果将欠准确。因此，使用DP Modeler 工具进行模型表面的平整、纹理映射处理，能够得到适合于精准模拟分析的建筑三维实景模型。

2.3 建筑表面的太阳辐射模拟与光伏发电计算

在建筑表面，部署光伏的位置和面积主要取决于拟部署表面获得的太阳辐射量。使用参数化工具Rhino+Grasshopper 对建立的建筑实景三维模型进行模拟，使用目标地区CSWD 标准气象数据，其来源为清华大学和中国气象局的实测数据，包含太阳方位角和天顶数据、直射辐照度（DNI）、全球水平辐照度（GHI）、扩散水平辐照度（DHI）和环境温度数据，文件格式为Grasshopper 内置的EnergyPlus 后台可读取的.EPW 格式。

进一步使用Grasshopper Ladybug 插件进行太阳辐射分析及光伏可用面积筛选。中国住建部《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》JGJ203-2010 规定冬至日太阳辐射3 h 以上，且强度不低于1000W/m2位置可安装光伏组件。在分析程序中添加约束性参数模块lengend Parameters，设置日照时长高于阈值的部分显示单色，可以清晰分辨出适合安装光伏模块的区域。在此基础上，调用Grasshopper 的Ladybug Mesh Threshold Selector运算器连接日照时长分析模块，能够快速计算得出建筑表面的光伏可用面积（图3）。

图3 Grasshopper Ladybug 太阳辐射分析及光伏可用面积筛选

继续使用Grasshopper 拾取光伏可用区域的拟部署图层要素，模拟并输出光伏系统的发电量（图4）。主要使用的运算器是Grasshopper Ladybug 的Photovoltaics Surface，其运算内核是NREL PVWatts 的光伏运算器，通过调用外部光伏组件参数并拾取目标表面进行运算。输入数据还包括：PV 组件倾斜角、PV 组件方位角、安装配置(地面安装阵列/平屋顶阵列/倾斜屋顶阵列/太阳能顶篷/有足够背部通风的BIPV 装置)和发电面积百分比（不包括组件框架和单元间间隙的组件面积百分比）。Photovoltaics Surface 计算的PV 折损因素主要有：直流电源向交流电源的逆变损耗、折旧损耗、雪与污染损耗、线路损耗和光衰损耗。输出的结果包含全年逐时、逐日直流/交流电量、总发电量、组件接收的太阳辐射量、组件温度等数据。

图4 Grasshopper Ladybug 光伏系统发电模拟

2.4 光伏部署美学研究

既有研究表明，为了保证城市或建筑层面的高质量建筑集成，太阳能系统应该在模块几何形状、模块材料、模块图案或细节方面与建筑设计逻辑保持一致，而材料颜色、纹理、模块尺寸和位置是关键的美学因素[17-20]。Xiang 等（2021）[12]基于环境美学理论和文献综述，提出了城市情境下建筑集成PV 的一系列美学因素和关键评价标准，包括与城市情境一致的系统物质性、与建筑表皮设计逻辑一致的模块材料性、与立面设计逻辑一致的模块几何形状以及中等复杂度和新颖性（表2）。

表2 BIPV 的关键美学评价因素和标准

因此，在建筑上部署光伏时，应采用系统的美学方法，从平面、色彩、立体三个构成原则方面探寻设计语汇，用多种类型的PV 组件设计美观的屋顶和立面光伏方案。光伏组件由光伏电池单元重复排列构成或薄膜沉积而成,而组件和电池单元又尺寸较小,容易组合出点、线、面等平面构成的基本设计语汇,形成特殊的肌理效果。

色彩方面，色彩和谐概念（单调色调概念和互补色调概念）是设计中可以遵循的美学手法。Westland 等人[21]总结了一系列当代色彩和谐概念，这些概念在许多艺术和设计教科书中被广泛提出，包括单色和谐（相同色调的颜色），类似和谐（相似色调的颜色，色调圆圈上的相邻色调），互补色和谐（色调圆圈上的相反颜色），分裂互补和谐（互补色两侧的一种颜色和两种颜色）。本研究将单色色相策略和互补色相策略应用于彩色BIPV设计的生成过程中。图5 显示，在NCS 色圈上，除了圆中心点[22]之外，通过c（色度）=75 和h（色相）=R46B 的交点绘制直线，可以找到大多数互补色调对。另一个关键设计方法是像素化颜色设计法[23]。这种像素化方法嵌入了环境美学原则，利用NCS 色调和细微差别（黑色度和色度）的顺序和变化来为立面设计生成颜色组合。NCS 颜色集将源自当地城市环境，并用作BIPV像素化设计的颜色数据库。

图5 NCS 色圈

3 案例研究和结果

天津大学建筑学院楼（天津，38°34'N,116°43'E）是这项研究的背景建筑。选择的原因是：1）它是一个典型的公共建筑，该类型建筑在中国城市中占有很大比例。2）该建筑设计优美，几何形体简洁，但细部构造凹凸有致，外立面材料多样，作为样本对象的可研究性较高。3）作为校园地标性建筑，被师生熟悉，有利于开展美学研究。

天津拥有中国华北地区典型的中纬度日光特征。最突出的特征是冬季和夏季太阳高度角差异悬殊，造成了建筑屋顶和立面时段不同的太阳辐射接收能力。图6 显示了案例建筑的太阳路径。另一个特点是晴朗的天空频率高。

图6 目标建筑位置太阳路径

3.1 天津大学建筑学院楼的无人机摄影测量

使用无人机对目标建筑进行摄影测量，分别进行了三种航线设定的飞行，对比了三维建模效果（表3）。结果显示，采用正摄结合单条-45°倾角常规倾斜航线及2 条侧向0°角水平航线环绕建筑拍摄，保证航向重叠率≥80%的方式进行测绘，建模完整度最高，建筑边缘与窗框内角轮廓清晰。而使用减少侧向0°角水平航线航线的测绘方式时，模型出现了黏连、滑移现象，不利于太阳辐射的准确模拟分析。

表3 无人机测绘航线与建模效果

3.2 三维实景模型修整

整理航测图像后，导入Context Capture 软件进行空三投影计算和建模，由于对于光滑透明的玻璃表面的反光计算误差，完成的模型玻璃部位出现内凹，利用DP Modeler 进行修复后，表面平整、纹理映射与实际场景相符，见图7。

图7 建筑实景三维模型修复

3.3 建筑各部位不同光伏部署方式的太阳辐射接收能力

根据第2 节提出的参数化分析方法，将建立的建筑实景3D 模型导入Rhino 软件，进行日照太阳辐射模拟，可以看到大部分建筑表皮的太阳辐射接收时长在3～9.9h 间，强度超过1000W/m2。经过阈值筛选，得到屋顶、墙面、窗户、窗框部位的光伏可用面积（图8）。

图8 建筑太阳辐射分析与光伏可用面积筛选

3.4 光伏阵列部署方式分析

在屋顶上，天津地区的最佳部署倾角为33°，但因建筑南北方向进深限制，以该角度部署时阵列间距较大，使光伏阵列总数变少，影响总装机量。而以0°角水平满铺光伏板虽然能够全部覆盖光伏可用区域，使装机总量最大，但会造成没有检修通道、积灰严重不易清理等问题。为分析在何种光伏阵列部署方式下发电量最高，以上文的Grasshopper 模拟方法为基础，扩展编写分析程序组，设定每排布置10 块光伏板留检修通道，改变阵列倾角模拟发电量（图9）。结果显示随光伏阵列倾角α 的增大，间距d 增大（图9a），前后遮挡面积增加，总部署排数减少，发电量呈现阶梯状变化（图9b、9c）。经过模拟，确定了西侧屋顶上光伏板的最佳部署方式为以22°倾角布置7排，东侧屋顶的最佳部署方式为以20.5°倾角布置16 排。

图9 案例建筑屋顶光伏阵列部署方式分析

立面分为墙面和窗部两类可以部署光伏的部位。在墙面上，以一定倾角部署组件将具有最高的光伏发电潜力，但形成的锯齿状表面形象与原有竖直墙面形象差异大，且容易产生积灰、遮挡室内采光等问题。因此，在本文案例建筑墙面上以贴附方式替代原有贴面砖墙面材料。在窗部可以部署半透明光伏窗，半透明光伏窗组件分为沉积薄膜透光、晶片间隙透光、条带阵列、激光刻蚀等类型，透光率通常为20%～70%。本文的案例建筑为教育性建筑，对采光有较高要求，但实际使用和调查发现，多数房间窗部内侧遮光窗帘均被拉下（图10），遮挡较多直射辐射，室内主要采用柔和的灯光照明。房间遮光需求高的原因一是天津太阳辐射较强，二是虽然是教学建筑，但内部房间功能主要为学院行政办公室、研究生工作室和实验室，使用电脑屏幕等设备时需要较暗的背景光。因此，窗部拟使用透光率60%的透光光伏窗。遮阳组件因对建筑外立面形象影响较大，在本案例中不使用。

图10 部分窗帘遮阳措施

3.5 光伏组件部署设计与能源潜力

根据第2 节的美学分析设计方法，平屋顶部分部署常规单晶硅高效组件，檐口部署光伏瓦；依照上文所提美学设计手法和NCS 色圈对应原则，墙面、窗部依照原有材料的色彩、肌理，部署外观最相似的定制饰面光伏组件，各光伏组件类型及参数、装机容量、年发电量见表4。

表4 建筑光伏部署方案、能源潜力与成本

经过计算，目标建筑表面光伏可用总面积为2809.4m2，屋顶、墙面、窗部所占的比例分别为35%，55%，11%。年发电潜力总量306.82MWh，屋顶最高，为189.52MWh，占 比62%；墙 面103.8MWh，占 比34%，窗部13.5MWh，占比4%。从图11 可以看出，屋顶部位因对光伏组件外观要求少，部署了常规的高效率单晶硅组件，年发电量占整体的比重大幅多于该位置的可用面积占比。窗、墙部位则相反。经济成本方面，屋顶与立面的初始投入分别为104.8 万元和99.6 万元，十分接近。

图11 建筑表皮不同部位的光伏可用面积与能源潜力

3.6 生态效益

光伏系统的部署将同时产生相当大的生态效应。其量化值根据公式（1）确定：

其中：E0——光伏系统发电产生的污染物（SO2、NOx、CO2）年排放量[kg/年]；

E1——建筑电力产生的污染物（SO2、NOx、CO2）的年排放量，不考虑光伏系统扩建产生的电力[kg/年]。

转换计算中使用了以下排放比例因子：

计算结果表明，园区光伏设施部署后，每年可减少二氧化硫排放9.2 吨、氮氧化物排放4.6 吨、粉尘排放83.2 吨、二氧化碳排放305.1 吨。

4 验证与限制

4.1 验证

本节通过对比手动建立三维模型与本文所提无人机摄影测量的建模与修整进行光伏潜力评估，从模型还原度、建模与评估效率两个方面验证所提方法的优势。

(1)模型还原度

光伏组件技术已允许生产更多定制化的光伏建材，因此，高保真地还原建筑表皮形体、色彩与肌理变得更加重要，有助于更合理地进行光伏建筑集成，保持建筑形象，达到视觉平衡。本文所提方法建立的建筑三维实景模型能够高度还原和保留建筑表皮在光影影响下的材质与色彩，而以往手动建模得到的建筑三维模型以纹理贴图的形式表现建筑表皮，重复拼贴单一材质单元，导致模型无法还原真实的建筑表皮光影色彩、凹凸质感。另外，建筑立面收分、建筑在使用中导致的表皮的残损、维修带来的局部形象的变化，会影响光伏组件的选型和集成安装难度，无人机摄影测量建模能够真实反映这些建筑细节，而手动建模在此方面有所缺陷。

(2)建模与评估效率

以本研究的案例建筑——天津大学建筑学院楼为例，无人机摄影测量建模的各步骤时间与手动建模时间对比见表5。可以看出除了Grasshopper 太阳辐射模拟与光伏发电模拟用时外，各步骤用时与总用时均为无人机摄影测量方法更短，效率高349%。Grasshopper 模拟步骤因无人机摄影测量生成的模型为Mesh 网格，面的数量更多，用时稍长。

表5 无人机摄影测量与手动建模模拟步骤与时间对比

4.2 限制

本研究的局限性包括：1）PV 的能源生产率计算基于理论数值，在光伏产业的合作下，可以在未来的研究中用全尺寸物理样本监测PV 实际能效。2）评估了颜色这一最重要的美学因素，但基于美学理论的光伏部署设计未良好回应建筑表皮的详细纹理和潜在的光泽特征。3）本研究调查的PV 系统经济性时仅考虑了初始投资成本，PV 投资的投资回收期也是一个关键方面，特别是对于建筑投资者和使用者而言。

结论

本研究提出了一种系统的方法，用于建筑表面的光伏集成设计和效益预测。它从无人机摄影测量开始，根据光伏部署对于建筑模型的要求设计测绘航线，然后进行建筑三维实景模型的建立与修复、光伏方案的美学分析与设计，最后形成光伏方案和能源生产预测。研究表明，这种综合方法比以往手动建模分析方法在精度、效率方面更有优势，且能够评估建筑部署光伏的技术和美学综合效益。

使用多种无人机摄影测量方案测绘了案例建筑，对比显示，采用多高度环绕航线会提升建模精度，特别是内凹的窗口等区域。此外，采用DP Modeler 修复的三维实景模型在建筑表皮形体与纹理还原程度上进一步提升。基于三维实景模型，使用参数化方法对建筑各部位的太阳辐射、光伏发电模拟计算显示，案例建筑表面光伏可用总面积为2809.4m2，屋顶、墙面、窗部所占的比例分别为35%，55%，11%。

经过考虑色彩和谐策略的美学语汇分析设计，案例建筑屋顶、窗部、墙面分别确定了应用单晶硅标准光伏组件、定制饰面与半透明组件，降低对原有建筑形象的影响。能量生产模拟显示，建筑表皮的年发电潜力总量306.82MWh，相当于减少CO2排放305.1t，总成本204.4 万元。屋顶发电潜力为189.52MWh，占比62%；墙面103.8MWh，占比34%，窗部13.5MWh，占比4%。该结果显示，虽然屋顶的光伏产能潜力最高，但立面上的能源生产也比较可观，根据已有的研究[11]，建筑立面每日光伏出力曲线更符合建筑日间用电负荷，有利于光伏发电的消纳。

本研究基于无人机摄影测量，提供了兼顾技术与美学的BIPV 设计与能源评估方法。这些方法可以作为建筑师、城市规划师和BIPV 领域其他相关方的设计参考。

图、表来源

图1～4、6～11：为作者绘制。

图5：参考文献[23]。

表格均为作者绘制。