明文靜，吳 蔚*

（南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093）

1 概述

2021 年5 月25 日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等15 個(gè)部門(mén)聯(lián)合發(fā)文，提出了加大建筑屋頂光伏面積比例、實(shí)施光伏建筑一體化、推廣分布式光伏等一系列意見(jiàn)［1］。光伏（Photovoltaic） 是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，即利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，它可分為集中式和分布式兩類(lèi)，集中式是指成片布置光伏板，如西北地面大型光伏發(fā)電系統(tǒng)；而住建部倡導(dǎo)推廣的分布式（以大于6 MW 為分界） 是指分散在廠房、民居屋頂?shù)墓夥l(fā)電系統(tǒng)［2］。另外，隨著半透明非晶硅薄膜光伏電池的出現(xiàn)，將太陽(yáng)能利用與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV） 技術(shù)也在我國(guó)逐步推廣開(kāi)來(lái)。

我國(guó)大量舊工業(yè)建筑的升級(jí)改造工作已經(jīng)展開(kāi)，工業(yè)廠房往往跨度大、進(jìn)深深，屋頂?shù)目衫妹娣e大。若將光伏技術(shù)應(yīng)用到舊廠房改造利用中，既可以利用太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)解決建筑能耗問(wèn)題，也可以解決大型工業(yè)建筑在重新改造利用后的諸多問(wèn)題。本文通過(guò)回顧太陽(yáng)能光伏技術(shù)在舊工業(yè)建筑改造的相關(guān)案例，分析和總結(jié)利用光伏技術(shù)中容易出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，嘗試從建筑光伏一體化的角度，探討光伏技術(shù)在舊工業(yè)建筑改造中的優(yōu)勢(shì)和前景。

2 太陽(yáng)能光伏板在舊工業(yè)建筑改造中的利用

太陽(yáng)能光伏技術(shù)利用最簡(jiǎn)單常見(jiàn)的方式就是將光伏板直接鋪設(shè)在原有工業(yè)建筑的屋頂上。如在上海南市發(fā)電廠改造為世博會(huì)展館項(xiàng)目中，太陽(yáng)能光伏板直接安裝在原有多層廠房的屋面上，根據(jù)屋面坡度的不同，光伏板的角度分別設(shè)置為25°和12°，改造后的光伏發(fā)電量不僅滿足建筑本身的用電需要，也展示了新能源的發(fā)展與應(yīng)用的前景［3］。此外，在深圳南海意庫(kù)3 號(hào)廠房改造中，也是在原有廠房屋面上直接鋪設(shè)了300 多平方米的光伏板，安裝角度設(shè)置為33°傾斜，若以80%的有效使用率計(jì)算，它的年發(fā)電量可以達(dá)到4 萬(wàn)kW·h 左右，每年節(jié)省標(biāo)煤5 t 左右且每年電費(fèi)節(jié)省近5 萬(wàn)元［4］。除了直接安裝在屋頂上，光伏板還可以通過(guò)架空的方式，在廠房屋面上增設(shè)有趣的空間。例如在上海市申都大廈改造中，場(chǎng)地周邊建筑密集，綠化較少，環(huán)境較差，因此建筑師利用架空的光伏發(fā)電板，在原有廠房視野相對(duì)開(kāi)闊的屋面上，增加了一個(gè)半室外空間，連接了室外與室內(nèi)，還設(shè)計(jì)了屋頂菜園，將工作與生活、城市與自然巧妙地結(jié)合在一起，為舊廠房改造提供了新的可能［5］。

在舊工業(yè)廠房屋頂上安放光伏板主要有兩種方式［6］：一種是通過(guò)連鎖擠壓泡沫塊將光伏板支撐在平屋面或者坡屋面上，在安裝時(shí)需要考慮原有建筑屋面的承重能力及外加屋面荷載； 另一種是將光伏板直接附著在廠房屋面上，這種光伏板材質(zhì)是一種柔軟質(zhì)輕的薄膜無(wú)定形硅光電板，它可以減輕原有廠房屋面的承受壓力，但在兩者結(jié)合的過(guò)程中會(huì)有一定的困難。另外，安裝傾角也是影響光伏板轉(zhuǎn)換率的重要因素之一，由于自動(dòng)太陽(yáng)能跟蹤裝置較為復(fù)雜，投入資金和維護(hù)成本較高，目前我國(guó)采用的大多為固定式安裝。因此在舊廠房改造前，需要考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、日照條件并計(jì)算傾斜面總體輻射量，以便最大程度地利用太陽(yáng)能。

3 太陽(yáng)能光伏窗在舊工業(yè)建筑改造中的利用

近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏技術(shù)向透光性發(fā)展，半透明光伏窗應(yīng)運(yùn)而生。與其他窗戶(hù)相比，光伏窗的特點(diǎn)在于它可以吸收太陽(yáng)光，并主動(dòng)將一部分太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)楣┙ㄖ褂玫碾娔?，還能通過(guò)調(diào)節(jié)自身的透光率來(lái)改善室內(nèi)采光環(huán)境并緩解太陽(yáng)輻射帶來(lái)的曝曬和眩光問(wèn)題。由于光伏窗與原有舊廠房立面較難融合，因此很少看到光伏外窗應(yīng)用于舊廠房立面上的改造案例，較多的是采用光伏天窗。

由于舊廠房的進(jìn)深和跨度較大，僅使用側(cè)窗和高側(cè)窗采光不能較好地滿足室內(nèi)光環(huán)境的需求，因此設(shè)置天窗可以較好改善室內(nèi)采光。如在羅馬兒童博物館改造中，設(shè)計(jì)師在尊重原有舊廠房倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)形式、保證原來(lái)桁架間距的前提下，將光伏組件與透明的Low － E玻璃模塊相間布置（見(jiàn)圖1） 。這樣的做法不僅提高室內(nèi)采光，還使得光線通過(guò)透明的玻璃和不透明的光伏電池單元的投射，在建筑室內(nèi)形成了光影斑駁的獨(dú)特效果，創(chuàng)造了寓教于樂(lè)的場(chǎng)所。這種利用可調(diào)節(jié)的光伏天窗結(jié)合被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)，有效減少了冬季的采暖和夏季的制冷負(fù)荷，從而提高了室內(nèi)的舒適度。但過(guò)多的光伏天窗會(huì)使室內(nèi)產(chǎn)生眩光和局部過(guò)熱的問(wèn)題。如深圳南海意庫(kù)3 號(hào)廠房改造中，在廠房原有中庭的屋面，通過(guò)安放光伏天窗來(lái)改善室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量（見(jiàn)圖2） 。然而屬于亞熱帶海洋氣候的深圳，強(qiáng)烈的直射陽(yáng)光所產(chǎn)生的不舒適眩光和室內(nèi)過(guò)熱問(wèn)題卻讓使用者大為困擾。而江西撫州市東鄉(xiāng)區(qū)淵山崗工業(yè)園區(qū)的一棟舊廠房改造中，在其鋸齒形廠房屋面的北面采用雙玻夾膠的透明薄膜組件，南面采用不透明的雙玻多晶硅光伏組件，在較好地滿足室內(nèi)采光需求的同時(shí)，又解決了陽(yáng)光直射所產(chǎn)生的眩光和室內(nèi)過(guò)熱問(wèn)題。

圖1 羅馬兒童博物館改造室內(nèi)光伏天窗[7]

圖2 深圳南海意庫(kù)3 號(hào)廠房改造室內(nèi)光伏天窗

從上面的案例可以看出在舊廠房改造中利用光伏天窗需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是選擇適當(dāng)?shù)墓夥齑爱a(chǎn)品；二是選擇適當(dāng)?shù)耐腹鈪?shù)。目前市面上常見(jiàn)的光伏天窗產(chǎn)品有三種方式［8－9］：直接使用薄膜電池、不透明晶硅電池陣列排布、以及通過(guò)激光刻蝕/切割技術(shù)處理電池。第一種進(jìn)入室內(nèi)的光線均勻柔和，但透光率較低，采光和視覺(jué)效果較差，且目前發(fā)電效率不及另外兩種；第二種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率和發(fā)電效率均較好，但是會(huì)在室內(nèi)產(chǎn)生明暗相間的陰影，也易產(chǎn)生眩光問(wèn)題，且窗戶(hù)整體美觀度不佳； 第三種可以定制透光率（30% ～50%） ，發(fā)電量與覆蓋率相關(guān)，發(fā)電效率與材料有關(guān)。對(duì)于光伏天窗透光參數(shù)的選擇，需要考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、舊工業(yè)廠房所需改造空間大小和使用類(lèi)型，需要具體問(wèn)題具體分析［10］。

4 分析與討論

在舊工業(yè)建筑改造中應(yīng)用光伏技術(shù)尚處于起步階段，需要注意以下幾個(gè)方面：

1） 在舊工業(yè)建筑改造中，最常用的方式是將光伏板直接安放在原有屋面上。這種方式在施工上簡(jiǎn)單方便，造價(jià)相對(duì)較低，不會(huì)對(duì)既有工業(yè)廠房的平、立面產(chǎn)生較大影響。但在安放時(shí)，需要考慮原有結(jié)構(gòu)的承重要求和完好程度。此外，舊廠房的可利用屋面面積和四周遮擋情況也需要考慮。如果既有建筑屋面面積較難利用或四周遮擋情況嚴(yán)重，則可以在結(jié)構(gòu)允許的情況下，借鑒上海市申都大廈的改造方式，即采用升高架空形式。但如果既有工業(yè)廠房有歷史保護(hù)要求，則需要考慮視線問(wèn)題，應(yīng)盡可能設(shè)置在人眼觀看不到的位置，從而保護(hù)原有建筑的歷史風(fēng)貌。

2） 盡管光伏天窗所涉及的技術(shù)和流程相對(duì)復(fù)雜，但因可以有效改善大跨度工業(yè)廠房常見(jiàn)的室內(nèi)采光問(wèn)題，創(chuàng)造出較為豐富的室內(nèi)光環(huán)境，近些年來(lái)光伏天窗在國(guó)內(nèi)外舊工業(yè)建筑改造中的應(yīng)用日益增多。在安裝光伏天窗時(shí)，要根據(jù)不同地理位置和氣候條件，對(duì)改造后的室內(nèi)物理環(huán)境、能耗、環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評(píng)估，以此決定光伏天窗的大小、透光率、安放位置以及最佳傾斜角度。在獲得最大光電轉(zhuǎn)換率的同時(shí)，一定要注意夏季室內(nèi)過(guò)熱、眩光等問(wèn)題［11］。此外，工業(yè)廠房空間較為高大，很少做上人屋面，因此在安裝光伏天窗時(shí)，還需要考慮后續(xù)的維護(hù)、保養(yǎng)等一系列問(wèn)題。

目前光伏玻璃的顏色和紋理較為單一，并且光伏側(cè)窗的光電轉(zhuǎn)化率較天窗低，因此光伏窗很少用在舊廠工業(yè)廠房改造中的立面?zhèn)却吧稀５S著透光光伏產(chǎn)品的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)光伏建筑一體化技術(shù)會(huì)在舊工業(yè)廠房改造中有更多的應(yīng)用。

在舊工業(yè)建筑改造中利用太陽(yáng)能光伏技術(shù)可以減少建筑能耗，解決既有工業(yè)廠房的天然采光問(wèn)題，是目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展最為迅速、前景最為看好的可再生能源產(chǎn)業(yè)之一［12］，也是住建部正在積極倡導(dǎo)的方針政策。但目前光伏建筑一體化技術(shù)在舊工業(yè)廠房改造中的應(yīng)用較為簡(jiǎn)單劃一，多為在屋面簡(jiǎn)單搭設(shè)光伏板，增設(shè)光伏天窗等方式，如何將太陽(yáng)能產(chǎn)品與舊工業(yè)建筑改造相結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，在降低能耗的同時(shí)創(chuàng)造令室內(nèi)光環(huán)境更加豐富多變的新產(chǎn)品，是切實(shí)推進(jìn)光伏技術(shù)利用的重點(diǎn)方向之一。