太阳能技术与建筑立面设计一体化研究刍议

马春蔚

（鄂尔多斯市建设工程质量安全技术服务中心，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

随着社会的快速发展，全世界能源枯竭、环境污染等问题日益严重，并成为全球关注的重点，绿色环保节能等理念逐渐在各行各业建设中得到发展，比如新能源汽车的研发等。建筑业作为各类能耗占比较高的行业之一，其能耗较大，相应的节能降耗可能性也更大。太阳能作为一种新型能源，本身也属于清洁能源，取之不尽，因而提高太阳能在建筑行业中的应用对促进建筑发展、降低建筑能耗均有重要的现实意义[1]。随着对太阳能的开发与利用，通过将太阳能与建筑设计相结合，在建筑设计中融入太阳能技术，提高太阳能在现代建筑中的使用，依靠太阳能资源的优势减少其他非再生资源的利用，达到节能环保、建设资源节约型社会的目的。太阳能与建筑融合中考虑到太阳能的发挥需要保证光照，而建筑中的部分外立面可以满足光照要求，因而在建筑设计中可在建筑立面通过采用一定的设计方法，将太阳能技术融入其中，发挥太阳能的优势，提高太阳能在建筑能耗中的比例。当然建筑立面设计中一方面需要充分考虑建筑立面设计的一些要求，另一方面则在于提高太阳能的使用，具体设计中需要考虑的内容较多。本文结合笔者自身工作经验，对太阳能技术与建筑立面设计一体化有关问题展开研究。

一、太阳能技术与太阳能建筑一体化分析

太阳能是可再生资源中来源广，可利用价值最高的资源之一。所谓的太阳能指的是太阳内部高温核聚变反应释放的辐射能，通常所说的太阳能是狭义的太阳能，即太阳能的光热、光化学、光电直接转换后的能量。太阳能技术中使用最多的是太阳能建筑一体化，也就是在建筑中集成不同的太阳能光伏组件，利用各类光伏组件实现对太阳能的收集与转换。为了实现建筑与太阳能技术的融合，就需要同时进行设计、施工、质量控制以及验收等，光伏建筑一体化中需要将光伏发电与建筑不同部位相结合，其中主要是幕墙、墙面、屋顶等，这些区域能够满足光照要求，而光照是太阳能技术发挥作用的基础，也是关键。

太阳能技术在建筑使用中还需要考虑一些实际的问题，比如太阳能光伏中的不同组件价格较贵，一定程度上限制了技术的推广，而且还可能会增加房屋建筑成本；太阳能本身具有分散性，这种分散性也降低了对太阳能流的使用；太阳能虽然可以转化，但是太阳能的储存问题也是一个急需解决的问题；此外，太阳能在利用中的影响因素较多，比如天气、季节变化、地理位置、昼夜变化等。

从现有太阳能光伏与建筑结合方面分析，常见的主要是建筑与光伏系统的结合、光伏组件与建筑的结合。建筑与光伏系统结合方面：在建筑外墙或屋顶有阳光照射的区域安装光伏组件，依托于建筑的支撑，将光伏与其他相关装置有效连接，比如控制器、蓄电池、逆变器等，实现太阳能发电。建筑与光伏组件结合方面，其属于更高层次的一种构造，相应的对光伏组件等有着更高的要求，不仅局限于发电，同时还需要尽可能满足建筑功能，即将建筑中的部分材料使用光伏组件代替，可代替的部位如屋顶、窗户、外墙等[2]。

二、太阳能光伏建筑一体化优势分析

太阳能光伏建筑一体化在具体应用中存在多方面的优势，太阳能光伏建筑一体化过程中，在建筑墙面或屋顶等合理设置光伏组件，不需要占用土地资源，提高了土地资源的利用率；光伏发电后可以增加电力容量，缓解夏季以及冬季高峰期用电压力，其余时间段多余的电能还能够并入电网中；与传统建筑部分材料相比，通过选择太阳能光伏材料代替窗户、屋顶等，能够正常发挥隔热、防水、保温等作用，同时减少工程造价，即充分实现太阳能光伏组件作用与建筑材料的一体化，提高工程建设的经济效益。光伏组件可充分利用建筑区域内的不同太阳能，避免太阳长时间照射引起建筑室内温度升高，尤其是在夏季炎热的情况下，光伏组件利用太阳能能够降低室内温度，减少空调开启时间以及开启温度等，达到节能降耗目的。光伏发电满足环保要求，本身属于清洁能源，同时无噪音，根据不同建筑层次，灵活选择不同参数的太阳能光伏组件，比如尺寸、外观色彩等，满足不同建筑需要。太阳能光伏建筑一体化的相关优势符合新时期建筑设计中的绿色设计理念，可通过将太阳能光伏组件与建筑有效结合达到预期目的。

三、太阳能技术与建筑立面设计一体化分析

（一）设计原则

建筑立面设计中如果加入光伏组件，整个建筑的外立面、建筑美观性都会不同程度受到影响，因此在具体太阳能技术与建筑立面设计一体化过程中需要遵循一定的设计原则，具体的包括以下几点：1.满足建筑设计的基本原则，即安全性、美观性，同时还需要兼顾整体性。安全性方面，要求在建筑立面设计中加入的光伏组件不会对原有建筑结构产生破坏，同时设计安装完成后的太阳能光伏构件需要有可靠的固定安装设计方式，不能出现坠落等；美观性方面，太阳能光伏构件应选择与建筑相匹配的形式，通过合理选择太阳能光伏构件材料、颜色、规格以及局部细节构造等，突出建筑的美观性，避免因为太阳能光伏构件的加入破坏整体建筑美观性；整体性方面应保证建筑立面与太阳能光伏构件的协调统一，既要注重局部设计，也要兼顾整体性，避免局部设计影响到整个建筑的设计风格；2.设计、施工的同步性。从实际施工成本、施工便捷度等方面考虑，建筑立面与太阳能光伏构件以及整个系统等应采取同步设计、同步施工，既能够保证整体施工质量，也能在太阳能光伏构件施工中充分利用土建施工的相关防护措施、安装设备等。如果在建筑立面施工完成后再进行太阳能光伏施工，可能会破坏建筑立面结构，也可能增加高空作业风险等，同步设计与施工原则能够保证两者的融合，发挥技术优势，达到预期设计目的；3.建筑设计中需要兼顾光伏板安装角度。太阳能光伏组件在建筑立面设计中，为保证对太阳能的有效利用，需要充分考虑太阳入射角度以及太阳高度角，太阳能的安装角度是建筑立面设计中需要考虑的重点，同时光电板采用何种安装形式也会影响到太阳能的利用率。考虑到不同地区在太阳照射角度等方面存在不同，为保证在冬季太阳能也能得到较好的辐射，与当地纬度相比，光电板设置角度应增加5-10°。光电板的安装形式可分为固定式与自动跟踪两种。固定式设计中主要是通过不同参数的分析，选择出光电板发电量最大的一些角度参数等，安装完成后对应的倾角、方位角都不能再改变。自动跟踪在太阳能光伏板使用中能够根据太阳光的变化而调整，保证太阳能光电板可持续性接收太阳能，但是与固定式相比，其设备更加复杂，会增加成本投入，尤其是在后期需要较多的维护成本。相对而言，固定式太阳能光电板的使用更具优势。总之，在太阳能技术与建筑立面设计一体化过程中，应同时考虑到建筑设计的基本要求以及对太阳能的有效利用。

（二）设计方法分析

1.建筑设计。设计人员在建筑设计中需要明确建筑施工区域所在位置、气候条件、太阳辐射情况等，从而确定是否能够有效利用太阳能；建筑设计中还需要考虑建筑本身受到其他建筑的影响情况，尤其是在城市建设中，寸土寸金，为了提高土地利用率，建筑物之间的密度较大，可能受到邻近建筑或者其他东西的遮挡，使得建筑本身无法得到充足的光照；不同光伏构件与建筑本身的协调也是在具体设计中需要考虑的，避免光伏构件加入使得建筑整体显得突兀。

2.太阳能设计。太阳能设计中主要是结合不同地区的太阳能利用情况、光照条件等，理论性计算出光伏电池的发电效率、发电功率等，便于灵活地选择光电板不同构件，如逆变器、控制器、电池容量等。太阳能设计中光伏组件的朝向问题、结构安全性以及光伏构件角度都是重要的设计内容[3]。

3.光伏构件与建筑美学设计。在单独建筑设计与光伏设计的基础上，通过运用灵活的布置方式，提高整体设计的美观性。比如如果在窗户上安装太阳能电板，则需要有较好的透光性，不能因为安装太阳能光板影响到建筑室内的照明。

（三）太阳能与建筑立面一体化设计具体分析

太阳能与建筑立面一体化设计中主要是将太阳能电板与不同立面组成部分结合设计，整体设计可从以下几个角度考虑：

1.太阳能与墙体的有机结合。建筑外立面中墙体是一个最大的组成部分，且在一般建筑中所占面积也较大，设计过程中可将墙面不同材料与太阳能光电板结合起来进行设计，利用光伏构件的颜色、肌理变化等丰富建筑墙体的外观，增加建筑墙体外观元素，发挥一定的装饰作用。

当前在太阳能光伏组件中有多种规格可供选择，尤其是一些大尺寸的光伏组件能够直接发挥墙体外观的装饰作用，代替原有的玻璃幕墙等，有效降低建筑外墙成本投入，提高建筑外观的新颖性与独特性。建筑外墙与太阳能光伏构件在结合中，考虑到窗棂较大时会产生阴影，影响太阳能的接收，设计中应选择较小的窗棂，提高建筑外墙中对太阳能的有效利用。

2.太阳能光伏构件与遮阳一体化设计分析。部分地区建筑设计中有遮阳设计，而在遮阳设计中可灵活加入太阳能光伏构件，通过太阳能构件利用太阳能，间接发挥遮阳作用，减少太阳光照对室内温度等影响。根据建筑一体化设计原则，设计中在窗户等区域挑出太阳能光电板，使其发挥遮阳板的作用，遮阳同时不同楼层之间的还能够在阳光下出现阴影，表现出立面中的层次感与美感。整个设计中需要同时兼顾遮阳效率与发电效率，突出遮阳系统的智能化，便于灵活调整，即随着外界环境条件的改变，光伏等可对叶片角度等予以调整，保证夏季遮阳效果较好，冬季室内有光照等。

3.其他设计分析。太阳能与建筑一体化设计中，除了墙体、窗户外，还可以在建筑雨棚、阳台、天窗等区域灵活设计，通过太阳能光伏电板的合理设置，发挥发电作用，同时兼顾不同建筑区域的功能发挥。

结束语

随着全球能源危机，提高太阳能的有效利用已经成为各行各业发展的重点，尤其是在建筑行业中通过太阳能的利用能够明显降低建筑能耗。太阳能技术与建筑立面设计一体化过程中，需要同时兼顾太阳能要求与建筑设计要求，提高对太阳能的充分利用，并不断积累设计经验，提高太阳能在建筑能耗中的替代作用，并积极进行太阳能建筑材料等方面的研究，为太阳能技术与建筑立面设计一体化提供更多选择，全面推动我国绿色建筑设计与发展。