在我们的生活中，公共建筑随处可见，像学校、医院、办公楼、商场等等。这些公共建筑不仅是我们日常活动的重要场所，它们的能耗问题也越来越受到关注。今天，咱们就来聊聊一个和既有公共建筑改造相关的热门话题 —— 光伏建筑一体化设计，看看它能给我们的生活带来哪些改变。

　　先给大家说一组数据，根据《中国建筑节能年度发展研究报告 2015》的统计，在我国建筑能耗里，既有公共建筑的能耗占比是最大的。清华大学的调查也显示，我国国家机关办公楼和大型公共建筑，虽然在城镇面积里占比还不到 4%，但它们消耗的城镇总电量却接近 22%。这用电量可太惊人了，达到同等面积普通民居的 10 到 20 倍，是发达国家同类建筑的 1.5 到 2 倍。

　　打个比方，一栋普通民居一个月用电 100 度，同等面积的公共建筑可能就要用 1000 到 2000 度电。这么高的能耗，不仅造成了能源的大量浪费，还增加了碳排放，对环境也不友好。所以，对既有公共建筑进行节能改造，已经是刻不容缓的事情了。而且，如果能把既有公共建筑的节能改造做好，还能起到很好的示范作用，带动其他既有建筑也进行节能改造，对整个建筑节能行业的发展都有很大的推动作用。

　　说到节能改造，就不得不提光伏建筑一体化（BIPV）这个技术了。简单来说，光伏建筑一体化就是把太阳能光伏发电系统和建筑物结合在一起，在设计、施工和安装的时候，让光伏发电系统成为建筑物的一部分，就像建筑物的 “皮肤” 一样。这样一来，光伏系统既能给建筑提供电力，又能在外观上和建筑融为一体，看起来就像是建筑的一个构件或者建筑材料。 在既有公共建筑改造中，我们把这种光伏建筑一体化叫做 EPBIPV，也就是 existing public building integrated photovoltaic。在改造之前，我们要先对建筑进行评估，看看这个建筑适不适合安装光伏系统。评估完确定可以安装后，再把光伏系统融入到建筑的改造设计和施工过程中，让改造后的建筑既能满足原本的功能需求，比如作为办公楼要能正常办公，作为商场要能正常营业，又能实现光电转换，把太阳能转化成电能，为建筑供电。

　　EPBIPV 这种改造模式，完全符合我们建设资源节约、环境友好型社会的理念。和把老建筑拆掉重新建一栋新建筑相比，在既有建筑上进行光伏一体化改造，对环境的影响更小，资源消耗也更少，经济投入也相对较低，综合效益更高。

　　从经济成本方面来看，既有公共建筑光伏一体化改造的成本主要包括初始投资和维护费用两部分。光伏一体化系统运行起来比较简单，维护费用不算高，所以主要的成本就集中在初始投资和有效发电量上。在初始投资里，光伏组件和逆变器这些关键设备的投入，差不多占了整个系统投资成本的 60% 。不过，从 2009 年开始，这些关键设备的成本一直在下降。就像欧洲太阳能组件的价格，可能会降低 20% ，这也让光伏一体化改造的成本变得更可控了。

　　除了经济和环境方面的优势，既有公共建筑光伏一体化设计还有很多附加效益。首先，它能有效利用建筑的外围护结构表面，像屋顶和墙面这些地方。以前，这些地方可能只是起到围护的作用，现在安装了光伏系统，就能在不破坏原有建筑功能、结构和周边环境的基础上，更高效地利用土地资源。

　　其次，现在光伏电池的形式越来越多样化了。以前可能只有单面不透光的超白玻电池，现在已经发展出了双面发电透光电池、半柔性和柔性电池，还有新型彩色光伏模块等等。这些多样化的光伏电池，为光电一体化在既有公共建筑中的融合提供了更多可能，不管建筑是什么样的风格和需求，都能找到合适的光伏电池。 另外，把光伏构件安装在屋顶或者墙体上，好处可多了。它能直接吸收太阳能，转化成电能，同时还能遮挡直射阳光，减少阳光进入室内，降低室内的热负荷。这样一来，夏天的时候，室内温度不会升得那么高，空调使用的时间和频率也能减少，又能省下不少电呢。

　　随着光伏与建筑一体化技术的不断发展，一体化的形式也越来越丰富了，主要可以分为屋顶结合安装和立面结合安装这两种模式，每种模式都有不同的功能和特点。

　　建筑物的屋顶是安装光伏系统的好地方，因为屋顶日照条件好，不容易被遮挡，能充分接受太阳辐射。在设计屋顶光伏系统的时候，有 3 种常见的做法，分别是开放支架安装、封闭屋顶支架安装和多功能直接支架安装。不过，既有公共建筑屋面的 BIPV 改造可不简单，要考虑很多因素，特别是保温和防水这两方面，一定要处理好。

　　在公共建筑的屋顶形式里，斜坡屋顶用得比较广泛，像单坡、双坡、四坡、弧形坡等等，具体采用哪种形式，要看建筑的设计需求。如果要在坡屋面上安装光伏组件，一般有顺坡镶嵌或者顺坡架空这两种方式。要是选择顺坡架空，光伏组件和屋面之间最好留出 100mm 以上的通风间隙。这样做一方面能降低光伏组件背面的温度，防止温度过高影响发电效率；另一方面也能给安装和维护留出足够的空间，方便以后进行检修和保养。

　　在平屋顶上设置光伏模块的时候，不能直接平着放，组件和水平面之间得有一个倾角。这个倾角可不是随便定的，要根据光伏方阵所在的地理位置来考虑。因为不同地区接受太阳辐射的情况不一样，我们要根据太阳高度角和方位角，计算出倾斜面的辐射总量，通过公式计算出每个地区的最佳倾角。比如说，上海的最佳倾角是 30°，北京是 36°，广州是 22°，昆明是 24° 。

　　不过，在平屋顶上安装光伏阵列还有一个问题，就是模块之间会互相遮挡，所以屋顶并不是所有面积都能用来布置阵列，“模块面积 / 屋顶面积” 的比值会比较低。为了解决这个问题，有些设计师会把平屋顶的光伏一体化设计成锯齿状屋面，这样既能采集更多的光能，又能让建筑内部空间变得更丰富，一举两得。

　　在屋顶的 BIPV 应用中，结合方式有很多种，可以和传统集成框架、非集成框架、屋顶材料等结合。在光伏模块的选择上也很广泛，像框架式模块、金属基底的透明可变或薄膜结构、太阳能电池屋面瓦、透明单晶模块、彩色太阳能电池模块等等，都可以根据不同的需求来选择。而且，这些模块的参数，不管是机械方面的还是电动方面的，都可以提前预制好，方便安装。

　　再来说说防水保温。光伏屋面体系的防水可以分成屋面板内部防水、屋面板上下连接防水和屋面板左右连接防水这 3 部分。屋面板内部防水，就是在边框组件和框架之间的缝隙处，放上密封橡胶条，再装上防水盖条；屋面板上下连接防水，一般采用屋面板搭接防水的方式，安装的时候要严格按照从下到上的顺序；屋面板左右连接防水，是在左右连接缝隙上加防水盖条，施工顺序比较灵活，屋面系统安装完后统一安装就行。

　　从保温性能来看，封闭通风流道的光伏屋顶热惰性指标和传热阻最大，保温效果最好；带通风流道的光伏屋顶次之；不带通风流道的光伏屋顶又次之，但都比普通屋顶的指标要高。所以，在相同条件下，封闭通风流道的光伏屋顶单位时间内、单位面积上的热损失最小，对建筑节能最有利。

　　建筑的外立面也是采集光能的好地方，因为很多建筑的立面面积都比较大。根据 BIPV 与建筑立面结合的位置不同，光伏发电系统在立面整合中主要有光伏遮阳和光伏幕墙这两种形式。

　　遮阳构件在建筑里很常见，它不仅能遮挡太阳辐射，保证建筑通风，还能节约夏季空调制冷的用电。要是把光伏模块和建筑外遮阳面板结合起来，那就更厉害了，既能满足建筑遮阳的需求，又能利用太阳能发电，实现遮阳、装饰和发电等多种功能的统一。光伏遮阳构件的布置方式有水平、垂直，还有由这两种方式演化出来的综合遮阳方式。

　　光伏幕墙是光伏电池与建筑立面结合的另一种形式，能充分利用建筑的立面面积。不过要注意，要是光伏幕墙完全垂直于水平面，它的光电转化效率只有光伏板朝向阳光最佳倾角效果的 30% 到 40% 。根据玻璃结构和建筑立面结合情况的不同，光伏幕墙主要有外挂式光伏幕墙、夹层玻璃光伏幕墙、双层光伏幕墙、光伏窗、结构式光伏幕墙等。

　　比如说内置百叶式光伏幕墙，它属于双层光伏幕墙中的一种常见做法，是在双层玻璃中间加入一层倾斜百叶状的非晶硅光伏组件。这样既能通过光伏百叶发电，又能起到遮阳的作用。在设计这种百叶式光伏幕墙的时候，百叶的倾斜角度是关键，角度设置得合适，发电和遮阳的效果才能达到最佳。

　　在对既有公共建筑进行光伏一体化设计的时候，为了保证改造后的建筑既高效又实用，还美观，我们要综合考虑很多因素，遵循一定的原则，采用合适的优化方法。

　　安全性是光伏一体化设计中最重要的原则。在既有公建中，BIPV 系统除了要能发电，还要满足作为建筑物构件的各种要求，像承受一定的力、隔热、防水、遮阳等等。在安装光伏组件的时候，不同的安装方式和部位，对组件的力学性能要求也不一样。而且，还要做好电气安全性的处理。

　　比如说，光伏组件在建筑上的分布要尽量均匀，不能太集中，不然会影响建筑的受力；对于要改造加建光伏构件的部位，要先对结构安全性进行检测；放在屋顶的光伏构件或者光伏幕墙，要按照国家相关规范设计，确定好光伏玻璃组件的厚度和强度，保证能满足风压变形、空气渗透和雨水渗透这 3 种性能要求；安装光伏组件时，要注意连接器的安装位置和性能要求，满足电气安全要求，还要按照设计规范配置带电警示标示，做好安全措施。

　　在进行光伏一体化设计之前，要先对既有公共建筑进行评估。首先是屋顶结构功能性评估，看看建筑物屋顶的结构类型是什么样的，已经使用了多少年，有没有安全隐患；其次是立面太阳辐射量分析，了解建筑所在地太阳在各个季节的高度角和方位角；最后是发电量与用电负荷及变压并网能力需求匹配评估，通过日间用电量匹配值和变压器容量匹配值这两个变量，来衡量光伏电站电量的消耗与变压并网能力。只有做好这 3 方面的前期分析，EPBIPV 设计才能更高效、更合理。

　　BIPV 系统的主要作用就是进行光电转化，把太阳能转化成电能。在保证安全、适用等基本原则的基础上，我们还要想办法让光伏发电系统的电量输出最大化。

　　比如说，建筑最好是朝南的，这样能更好地争取日照；如果建筑不是朝南的，光电构件的安装也要尽可能朝向太阳直射光方向，就算有遮挡，每天也至少要保证 4 小时的日照时间；在设计光伏系统的时候，要注意组件的排列和形状，还有电缆的长度，这些都会影响电压和电流，要根据实际情况调整光伏组件的连接方式，优化整体发电效率；安装组件的时候，倾角要大于 10°，这样有利于雨水冲刷掉组件表面的积尘或积雪，保持表面洁净，保证光电转化率。

　　光伏技术会影响建筑立面的外观效果，所以在改造设计的时候，要把光伏系统很好地融入建筑立面，让它成为建筑的一个有机组成部分。这里面就涉及到一些美学法则，像统一与对比、比例与尺度、节奏与韵律。

　　在统一与对比方面，光伏组件和建筑的风格、尺寸可以是和谐统一的，也可以形成对比。比如德国 EWE 体育馆，可动的光伏单元和传统玻璃结构融为一体，只在色彩深度上做了区分，看起来很和谐；而 Oekotec3 柏林办事处外立面，上部用光伏系统，下部用传统石材，色彩和材质形成强烈对比，展现出了现代建筑的独特魅力。

　　在比例与尺度方面，光伏组件的大小和比例要和建筑整体相协调。像瑞士巴塞尔的诺华公司办公楼，屋顶 85% 的面积都是光伏电池，光伏系统和建筑完美融合，比例尺度非常协调。 在节奏与韵律方面，要让光伏组件的排布有规律，有变化。比如 Sainsbury 的一个自助加油站，屋顶采用曲线形的光伏构件排布方式，既符合屋顶的形状，又满足了采集太阳能的需求，还让建筑看起来更有动感和美感。

　　公共建筑的能耗很大，在所有建筑单位面积能耗量里是最高的。在公建能耗中，光是调节室内温度就占了总能耗的大约 70% 。而且，公共建筑用电时间比较集中，虽然耗电量大，但是管理起来相对集中，所以节能的潜力也很大。再加上公共建筑一般都是多功能、大体量的，外观造型多种多样，这也为光伏组件的整合设计提供了有利条件。

　　结合公共建筑的这些特点，既有建筑光伏一体化改造可以从以下 3 个方面进行优化。

　　首先是优化设计流程。我们可以利用 BIM 软件，建立一个 EPBIPV 的外观、幅照度和电气一体化设计的支持平台。在这个平台上，把建筑组件和光伏组件结合起来，进行光伏建筑的集成设计。通过 C# 编程扩展接口获取模型的全部数据，转化分析后得出可视化结果。这样就能判断项目设计是不是合理、可行，解决现有光伏利用和建筑设计脱节的问题，让设计和分析更加无缝衔接。

　　其次是优化布置范围。为了能最大化利用太阳能，我们可以在改造的时候扩大南向屋顶面积，把屋顶和立面作为一个整体来设计，还可以增加光伏遮阳构件，通过这些方法来增加光伏组件的布置面积，采集更多的太阳能。

　　最后是优化接受光照条件。这主要涉及到设置方位角、倾斜角和避免阴影遮挡这 3 个方面。在北半球，太阳东升西落，正南向（0°）是最佳方位角，如果朝向偏离这个方向，接收的太阳辐射量就会减少，所以最佳方位角最好控制在正南向东西偏转 20° 以内；最佳倾角一般接近当地纬度值，但也要根据系统供热和供电的需求来调整，比如优先考虑夏季发电量，最佳倾角可以取当地纬度减 15°，优先考虑冬季发电量，最佳倾角可以取纬度加 15°；为了避免周边环境和建筑自身产生的阴影影响光伏组件发电，可以借助专业软件模拟基地范围内一天可能存在的阴影区域，合理规划光伏组件的布置范围；避免相邻光伏组件形成阴影，可以通过公式计算出合理的间距和组件倾斜角。

　　公共建筑的能耗在总建筑能耗里占比很大，节能的空间也很大，而且还有很强的示范效应。所以，从既有公共建筑改造的角度来考虑光伏系统整合，意义非常重大。通过前面的介绍，我们了解了既有建筑光伏一体化改造在经济、环境方面的优势，以及它带来的附加效益，还学习了光伏建筑一体化的各种模式，以及既有公共建筑改造中光伏一体化的原则和优化方法。希望这些内容能为大量现存的既有公建节能改造提供参考，让这些建筑在实现节能的同时，也能带来更好的经济和环境效益，为我们的可持续发展贡献力量。返回搜狐，查看更多