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城市环境中太阳能建筑规模化应用

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环境问题已经逐渐成为威胁人类生存的主要因素,而环境问题其本质是能源问题。建筑作为构成城市的基本要素,在城市建设发展中不断产生且持续耗能。调查显示,建筑能耗占全球总能耗的40%以上,而建筑业排放的温室气体占全球温室气体总排放量的24%。因此,加大可再生能源的利用和加强推广节能建筑是当下节能减排的迫切需求。太阳能建筑以其“绿色环保”、“低能耗”、“占用资源少”等特性成为未来建筑颇为关注的一种发展方向,而太阳能建筑如何在城市环境中实现规模化应用更是众多建筑师、规划师所关注的重点。事实上,人们很早便已经开始了在规模化利用太阳能的尝试。例如,古代很多城市在规划的过程中都会考虑利用被动式太阳能以及自然光来为人们提供舒适的室内外环境;而到了现代,除满足被动式太阳能所带来的基本需求以外,更需要大规模地利用主动式太阳能发电和产热,这是实现城市可持续发展的重要手段之一。

1城市环境中光伏建筑规模化发展趋势

随着城市可持续发展理念的普及,部分国家开始进行城市环境中太阳能规模化应用的尝试。1993年,由包括福斯特、赫尔佐格在内30多位著名建筑师共同签署了《在建筑和城市规划中应用太阳能的欧洲宪章》,其中对于城市特别提到:针对太阳能采取新的方式来设计建筑个体和城市空间。随后部分国家开始实施和推广太阳能屋顶计划,例如德国的“十万屋顶计划”、美国的“百万屋顶计划”以及日本的“新阳光计划”等。在此之后,一些发达国家将城市环境中的太阳能规模化应用作为重点发展,由此产生了很多建成的或者规划中的“太阳能城市”。比较著名的包括:奥地利林茨(Linz)、德国柏林、荷兰的“太阳城”(CityofTheSun)(图1)等。近年来,各国相继出台城市环境中规模化发展太阳能的法律法规(表1),在政策层面上限定新老建筑对能源利用情况,大力促进可再生能源的发展。由此可见,在城市环境中大规模普及太阳能应用已经成为未来城市的发展趋势。

2城市环境下的太阳能建筑规模化应用的案例与研究

随着各国对城市环境中的太阳能规模化利用扶持力度越来越大。各国相关案例不断涌现,我们将案例分为城市尺度下的太阳能规模化利用和建筑尺度下的规模化利用两类进行研究。

2.1建筑尺度下的太阳能规模化利用建筑尺度下的太阳能规模化利用也可视为微观层面上对太阳能加以利用。应用对象主要有城市居住小区、城市大型公建以及建筑小品(表2)。(1)城市居住小区城市居住小区主要可分为高层住宅小区和低层住宅小区两类。对于低层住宅小区,主要是利用在屋顶安装太阳能光伏系统的方式来达到目的;而对于高层住宅小区,虽然建筑高度的提升为垂直面利用太阳能增加了更多的可能性,但建筑群体的相互遮挡给太阳能利用带来了更大难度。例如在法国达赫莱泽(LaDarnaise)的高层住宅小区改造项目中,太阳能光伏系统就被大量安装在建筑的南立面。整个小区总共有11栋公寓建筑的外墙上安装了光伏系统,总装机容量达到92kW,它能够为727户家庭供应电能。然而,高层建筑立面规模化安装光伏系统最大的弊端就是建筑之间会产生阴影遮挡,这会影响光伏发电。为此,该项目相关人员对建筑阴影进行了详细的分析研究,依据遮挡情况分别设计了三种不同的光伏系统(4kWp,8kWp,12kWp),对建筑立面进行有区别地安装。而在位于阿姆斯特丹的西南方的新斯洛滕(NieuwSloten)低层住宅小区项目中,有34栋小住宅以及37套公寓式住宅都进行了光伏系统的集成。由于建筑师在设计阶段就融入了太阳能规模化利用的理念,因此,设计师将小住宅的屋顶作了一定的倾斜,将屋顶烟囱高度降低(图2),这些处理方式都是为了让屋顶光伏系统能够最大面积地获得太阳能。(2)城市大型公建城市大型公建诸如机场、火车站、办公建筑、商业综合体、体育场馆等是城市环境中承载人们日常活动最多的地方,其体量往往比较巨大,这给光伏的大面积安装提供了很好的条件。通常光伏组件会以两种形式出现在这些建筑上,一种是与大跨度建筑顶棚进行一体化集成,另一种是作为遮阳装置安装在建筑的立面上。德国柏林中央火车站是大跨度建筑顶棚集成光伏的典型案例,其在450m长东西走向的站台拱形玻璃屋顶上集成安装了大约1870m2的太阳能光伏发电组件(图3)。这些光电板集成在屋面的玻璃系统中,并在西屋顶的172m和东屋顶的107m之间沿地平线的7~19玻璃屋面上安装。光电池所采用的高效能晶硅板确保了16%的太阳能利用率。整个中央车站的光伏屋面集成了100块125mm×125mm的单晶硅电池片。车站站台屋顶上大规模集成安装光伏组件一方面可以提供较大的发电量,另一方面,光伏组件自身的通透性能够使整个站台产生光影斑驳的艺术效果,为每一位在这里乘车的旅客提供了极佳的光影感受。而在2001年完工的荷兰能源研究中心改造项目中,建筑师在旧建筑的外立面安装了一个遮阳系统,其安装面积达到262m2,年发电量达到20000kWh。将光伏组件作为遮阳构件在建筑立面上规模化安装不仅仅减少了对昂贵而耗能的空调系统的需要,而且让旧建筑披上了现代科技的外衣,让旧建筑得到“新生”。由此可见,城市大型公共建筑规模化利用太阳能具有以下特点:①公共建筑拥有较大的太阳接触面,因此能够提供较多的光伏安装位置;②光伏构件在大型公共建筑规模化应用中不仅能够获得较多产能,而且增强了建筑的标识性,甚至还能够获得较好的艺术效果。因此,加强光伏建筑一体化设计,不断在建筑技术与艺术相结合方面创新是建筑师应该关注的重点。(3)城市建筑小品城市建筑小品是城市环境不可或缺的一部分,在城市建筑小品上广泛集成光伏的方式逐渐走进人们的视野。对于建筑小品个体来说,其发电量可能是微乎其微的,但由于建筑小品具有数量大、分布面广的特点,因此,城市环境中的建筑小品规模化利用太阳能具有很大的开发潜力。城市建筑小品主要有候车亭、景观装置、停车棚、路灯等。根据其在城市中分布方式可以将其主要归为两大类:阵列式分布和散点式分布。阵列式分布的典型的案例有悉尼的光伏发电塔大道,在这条大道上整齐排布着19个光伏发电塔,这是当时澳大利亚政府为了兑现举办“绿色奥运”的承诺所建立的。每一个塔支撑着6.8kWp的光伏阵列,每天能产生23kWh的电能,这相当于两栋建筑每天所需要的用电量之和[7]。另外,散点分布的太阳能候车亭也是城市利用太阳能的重要途径之一。在德国柏林,已经有30座透明的“智能候车亭”进入了这座历史悠久的城市。候车亭的顶棚嵌入了大小为12.5cm×12.5cm的标准单晶硅太阳电池,电池间隔为2.5cm。它所发的电将并入公共电网,并且还能在晚上用于各项其他功能,比如电子系统显示、广告灯等。城市建筑小品规模化利用太阳能是将信息化时代的新科学新技术融入人们的生活的重要途径,它不仅只是发电、为人们提供方便,而且在塑造城市形象、提升城市景观可识别度方面具有重要意义。

2.2城市尺度下的太阳能规模化利用与建筑尺度下的太阳能规模化利用相比,城市尺度下的太阳能规模化利用是站在城市整体的视角上对太阳能加以利用。一般有两种类型,一种是在新开发地区规模化利用太阳能;另一种是在城市现有建筑上规模化利用太阳能。(1)新开发地区的太阳能规模化利用在《在建筑和城市规划中应用太阳能的欧洲宪章》的指导下,欧洲各国不断涌现出以规模化发展太阳能为目的的“太阳城”,奥地利林茨“太阳城”就是其中最具代表性的城市之一,其规划与建筑设计由多名著名建筑师参与,包括诺曼福斯特、理查德罗杰斯、托马斯赫尔佐格等。由于早在规划设计前期政府就要求设计师将如何最大化利用太阳能资源纳入方案考虑因素中,因此城市空间设计以间距控制为主导策略,采用低容积率、联排式的建筑群布局(图4),控制太阳能在建筑群中的遮挡损耗。这种布局方式使得太阳光的直接利用程度很高,包括光热和光电的应用,可以说是全方位地利用太阳能(图5)。(2)城市现有建筑上的太阳能规模化利用一般来说,城市现有建筑上规模化利用太阳能主要有以下几个方面的制约问题:①无法保障现有建筑朝向都能满足较好地利用太阳能资源的要求;②已建成片区的建筑物间距无法完全满足日照间距条件,而建筑物之间的遮挡会极大地影响太阳辐射的吸收;③平屋顶能够较为均匀地吸收太阳能辐射,而坡屋顶的两面吸收太阳能辐射的能力有较大差异。在葡萄牙里斯本城区内的现有建筑上加建光伏系统的案例中,研究人员针对这些问题找到了较好的解决方案。首先,相关人员利用模拟软件对葡萄牙里斯本的太阳能资源进行了评估,并绘制出里斯本的“太阳能地图”(图6a),其中深红色区域代表太阳能潜力值较高的区域,蓝色区域则与之相反。从图中我们可以发现,太阳能资源潜力情况与城市肌理密切相关,例如,广场等空旷地块的太阳能潜力高于街道,而街道的太阳能潜力则高于建筑屋面以及建筑边缘地块。在此基础上,研究人员对片区内建筑物屋顶的太阳能资源潜力进行了分析,同“太阳能地图”中一样,深红色代表太阳能潜力值较高的区域,蓝色则与之相反。依据“太阳能地图”的评估结果,相关人员在具有较高的太阳能资源屋顶上进行了光伏系统的安装。从案例中我们可以得出,在新开发地区的太阳能规模化利用需要从规划设计的前期入手,对城市内部的建筑、道路、景观进行合理的布局规划。而对于城市现有建筑上的太阳能规模化利用则需要充分结合太阳能资源状况,综合考虑城市肌理、建筑物阴影遮挡关系以及建筑间距,在此基础上对光伏系统进行选择性地布置,这样才能最大化地有效利用太阳能资源。

3探索与展望

纵观国外现有城市中太阳能规模化应用的案例,我们可以从不同类型入手分析规模化发展的前景与阻力。在建筑尺度下,规模化利用太阳能能够给住宅小区、大型公建以及城市景观小品等带来新颖靓丽的外观,但也存在建筑与光伏集成度不够,设计手法过于简单粗糙的现象。而在城市尺度下,规模化利用太阳能能够缓解城市能源大量消耗所带来的负担,但同时也会带来太阳能利用难度增加以及城市“全部”而非“全面”利用太阳能的问题。由此可以看出,不同类型的规模化应用太阳能会面临不同的挑战。因此,笔者结合本文中所提到的案例及相关项目信息,提出以下几点建议:①在现有城市建筑上加装太阳能发电设备,须综合考量城市中建筑的朝向、间距、屋顶类型,以便合理地布置;而在新开发城市区域中,则需在前期规划阶段考虑上述因素。②不同地理位置的城市环境、气候条件差异较大,因此,在规模化利用太阳能前期要充分利用现代信息技术对太阳能资源进行评估,对太阳能资源理性地开发利用。③城市环境中的太阳能建筑规模化应用必将对城市整体风貌产生较大影响,因此更应该从光伏建筑一体化设计着手,在开发利用可再生能源的同时,提升城市的建筑风貌,塑造城市的整体形象。本文中所提到的国外案例大多为低密度的独立或联排式住宅,这对于我国部分低密度的西部地区和广大农村的太阳能建筑发展有一定借鉴作用。但在高密度城市环境中的太阳能规模化利用的相关资料还较少,而我国高密度的城市环境复杂多样,因此更应该对有代表性的城市进行具体的分析研究,这为我们建筑师提出了新的挑战和更高的要求。这不仅直接关系到城市片区甚至城市整体未来的可持续发展,还对国家实现“节能减排”的时代任务、最终实现城市可持续发展的目标具有重要意义。

作者:刘思威 徐燊 单位:华中科技大学建筑与城市规划学院

城市环境中太阳能建筑规模化应用责任编辑:杨雪    阅读:人次