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1、106 atd太阳能光电板在可持续建筑立面整合设计中的美学表达Aesthetics Expression of Photovoltaic Panels in Sustainable Architectural Facade Integrated Design撰文 张雪松 中国同济大学与美国卡耐基 梅隆大学联合培养博士生 同济大学建筑与城市规划学院摘 要关键词可持续建筑立面的发展越来越多的呈现出与光电板整合的趋势，但是目前除了价格及技术因素外，光电板与立面整合的美学问题限制了其在可持续建筑设计中进一步的推广与应用。本文试图从分析光电板材料所传达的美学信息入手，在分析其材料的颜色、质感及构造基础上
2、，通过实例研究的方法，归纳了光电板在立面设计中美学表达的组织策略，为建筑师更好的应用光电板材料提供参考。可持续 立面 光电板 美学引言可持续建筑对能源节约的要求促使太阳能发电技术在可持续建筑中的应用越来越广泛。从视觉外观与应用条件而言，建筑表皮是建筑与太阳能进行整合的关键位置。太阳能光电板（Photovoltaic Panel 简称光电板）最为常见的是用于建筑屋面，但与建筑立面的整合为太阳能光电板的应用开辟了新的领域。光电板与建筑立面进行整合除了必须具有外围护结构所要求的性能之外，对于建筑的外观具有决定性的影响。在技术及建造领域，建筑在整合太阳能利用方面已经取得了很大的成就，光电板产品、系统以
3、及与建筑其他部分整合的潜力为建筑师在应用创新的太阳能设计方面提供了丰富的设计选择。但是目前就光电板的普及程度而言仍然有很大的距离，除了价格及效率因素外，立面整合太阳能光电板的美学表达仍然是企待解决的关键问题。与所有的建筑技术创新相同，太阳能技术改变了建筑的外观。建筑整合太阳能光电板设计，不仅关注光电板与建筑立面整合的效率、性能与构造问题，更为关键的是确保光电板在立面设计中的美学表达。1 太阳能光电板材料美学要素分析建筑学的中心课题之一是解决建筑的形式美问题。与屋面相比，光电板与立面的整合需要考虑更多的美学影响因素。立面作为建筑形式表达的直接反映，体现建筑设计的原则，构造工艺与美学特征。这些特征
4、通过立面各组成要素的比例、尺度、颜色、肌理、建构、装饰等相互整合，通过统一、对比、韵律等形式美的手法取得艺术主题的表达。为了实现光电板与立面的形式整合，除了了解光电板最基本的技术与原理之外，需要更好理解光电板所传达的设计信息，并将这些设计信息转化为建筑立面的美学要素。1.1 颜色目前市场上的光电板产品能够按照建筑师的设计意图，提供丰富的设计素材与选择范围。但是太阳能电池的物理性能限制了光电板的颜色表现领域。单晶硅电池（MonoCrystalline Silicon Cells）由其单一连续的晶体结构组成，一般呈现为黑色（图1），多晶硅电池(Polycrystalline Silicon Cel
5、ls)则一般呈现为蓝色（图2），可以通过附加不同的反射膜层呈现多种色彩，但是对于光电板的能源生产效率会产生一定程度的影响。薄膜太阳能电池中的非晶硅薄膜电池(Amorphous Silicon Cells)与铜铟硒（Copper Indium Diselenide 简称CIS）薄膜电atd 107池一般呈现为黑色（图3），碲化镉（Cadmium Telluride简称CdTe）薄膜太阳能电池则偏绿色（图4）1 。目前由于蓝色与煤黑色能够与大多数传统建筑材料例如混凝土、钢、玻璃、木材与磁砖等取得和谐，成为建筑师设计的首选。欧洲PVACCEPT研究机构发明了一种新的薄膜电池的生产工艺，在改变颜色的情
6、况下不会对光电板的效率产生影响。但是这种生产工艺需要附加特殊的生产程序，一定程度上导致产品造价的提高。这种新的生产工艺的优势在于利用同样的技术（Screening Ceramic Printing陶瓷丝网印刷技术）可以产生各种不同颜色与模式的太阳能光电产品。丝网印刷技术采用四色印刷工艺，装饰图案的选择取决于设计主题的表达。设计图案呈规则的点式排列，印刷在覆盖太阳能电池的玻璃面层上，这种点式排列方式可以保证玻璃面板光线透过率，同时使光电材料带有字母或标志等装饰性图案，赋予光电板材料新的信息传达与装饰功能（图5-6）2。1.2 肌理光电板经常采用金属与玻璃的材质，赋予光电板整体光滑反射的肌理表面。
7、光电板材料的肌理还取决于电池的肌理、形状与在光电板中的不同排列方式。非晶硅与单晶硅电池呈现均匀的外观，多晶硅电池结构表面则比较复杂多变，具有不同的光线反射特征（图1-3）。晶硅电池可以设计为任意变化形状，大多数设计为方形（正四边形或者切角四边形），边长范围从100mm到130mm（图7）。太阳能电池在模板中连接形成了多种网格状的排列方式，例如竖线条、横线条或者方格状的排列。其不同间距（一般为315mm）同样影响光电材料的肌理呈现。在欧洲最大的太阳能研究机构Fraunhofer位于弗莱堡的太阳能研究中心（ISE）设计中，建筑师对比了太阳能电池不同大小、不同间距的排布肌理，分别研究了边长为100x
8、100cm的电池排布（图8左一）， 边长为125x125cm电池紧密型排布（图8左二），边长为125x125cm电池间距为20mm的排布方式（图8右二），设计最终采用的排布方式如图所示（图8右一）3。1.3 构造大约3050个晶硅电池组成预制的光电块。光电板一般为多层结构，玻璃经常作为一种稳定、规则的材料用于光电板的表面覆盖。在光电玻璃材质中，光电电池位于两层玻璃之间或者位于玻璃与底板之间，底板根据设计需求可以为不透明、半透明或者透明材料。但有时光电玻璃能够引起眩光，污染光环境。非晶硅电池也可置于柔性的塑料材料之上，可以加工为可以弯曲的形状。图1图2图3图4108 atd另外根据模板的支撑构件
9、不同，分为显框光电板（Frame Photovoltaic Panel）与隐框光电板(Frameless Photovoltaic Panel)（图9-10）。显框光电板边框经常用于隐藏电线，由于采用金属框架，显框光电板更适合于具有高技倾向的建筑类型，易于与玻璃与钢材质的建筑整体取得协调。隐框光电板的优势是不会因为边框的存在产生阴影，同时避免在边框交界处累积灰尘，同时易于和各种风格的建筑表现类型取得协调4。2 立面整合太阳能光电板美学策略2.1 以光电板材料作为立面构成要素太阳能光电板与立面整合具有多种设计的选择性。光电板作为立面构成要素一般代替建筑构件履行建筑外围护的功能，在节约传统建筑材料
10、同时能够生产能源。根据光电板材料在立面设计中不同的构图组织策略，分为作为设计的点要素、线要素与面要素进行分析。2.1.1 光电板材料作为立面设计的点要素由于光电板生产的工业化与模度化，光电板可以代替建筑构件与立面其他系统进行任意拼装。一般光电板与窗户、窗间墙、遮阳篷与阳台等建筑构件进行整合，在立面中形成具有韵律感的点要素。当与窗户整合时可以位于窗户的气窗区、视觉区与窗间墙区，布置形式可以为连续、成组、间隔等形式。光电板经常与点式窗户进行整合。例如Kollektivhuset残疾人公寓位于丹麦的哥本哈根，为一座十一层高的混凝土结构，始建于20世纪50年代。在2002年改造设计中，为避免街道噪声干
11、图5图6图7图8图9atd 109扰，扩大并加封了玻璃阳台。玻璃立面由三层构成，外面一层为挡雨与降噪的玻璃面板，中间于栏杆位置整合设计了光电板系统，同时在室内的窗户位置附加了一层可以移动的平板玻璃，用户可以根据需求推拉或者关闭平板玻璃，排除或者利用光电板背面产生的热量。在夏季，室内平板玻璃关闭与窗户形成温度空腔，利用顶端与底端通风孔形成的通风带走热量；冬季打开平板玻璃充分利用光电板的余热加热室内。立面不同反射的玻璃表面、用户随机的开关阳台，变化位置的室内平板玻璃以及不同的色彩赋予建筑立面丰富变化的动态外观（图11-12）5。2.1.2 光电板材料作为立面设计的线要素光电板作为建筑立面设计中的线
12、要素一般与墙面或遮阳板进行整合。线要素可为横向线条或者纵向线条，在立面中形成具有韵律感的构图。光电板在与遮阳进行整合时又可以与固定遮阳或者与移动遮阳进行整合。由于移动遮阳可以即时追踪太阳直射角度，在遮挡阳光的同时可以最大程度的生产电源。光电板与建筑立面的移动遮阳板进行整合更具技术与设计的潜力。德国奥尔登堡EWE体育场是此地区复兴城市展览功能的重点工程。体育馆拥有3 000-4 000个座席，能够举办篮球、手球职业联赛，音乐会及大型会展功能。建筑最为显著的特征是为遮挡观众席的太阳辐射，在观众席之外整合设计了可以移动的太阳能光电板遮阳装置。长20m，高6.7m，宽为60周长的光电板根据每天太阳方位
13、的不同，围绕建筑固定轨道旋转。移动范围覆盖周边200区域，每半小时移动7.5，预计每年的发电量为21.800 kWh。不断变化的光电板位置，赋予建筑动态、优雅的外观（图13-14）6。图10图13图14图11图12110 atd2.1.3 光电板材料作为设计的面要素光电板作为立面设计的面要素一般与墙面及玻璃幕墙进行整合。光电玻璃是将薄膜型、半透明的光电电池整合于传统的双层玻璃之间，每块玻璃的电线相连最终构成整个电源的导线系统。所有的光电电池都可以与玻璃进行整合，但只有薄膜电池具有半透明的特征。由于太阳能电池在发电的同时具有遮阳功能，当与玻璃的视觉区域进行整合时，可以提供不同程度的玻璃透明度。例
14、如位于德国南部弗莱堡的太阳能塔楼在设计建造之前用计算机软件模拟周边建筑对塔楼产生的阴影，确定西南立面有60米高的区域免受遮挡影响，整合了246块无框光电玻璃面板，总面积为327m2。每块光电玻璃宽1900mm高900mm由单晶硅电池组成。安全玻璃贴膜在颜色选择上与光电电池的颜色相协调，整个立面最终呈现了均一、和谐的效果。通过立面整合太阳能光电板材料，每年可减少排放6吨二氧化碳、11公斤二氧化硫、17公斤一氧化氮与4公斤一氧化碳（图15-16）7 。2.2 以光电板材料作为立面表现主题以光电板材料作为立面的表达主题时，一般凸显于建筑立面之外，作为单独的设计要素参与立面的设计组织。此时光电板材料并
15、非代替建筑立面作为外围护结构的功能要素，而是考虑如何充分利用太阳能，提高光电材料的效率。整个立面的设计就以光电材料的充分表达为主题，发掘光电板材料独特的表现力，充分发挥建筑师对新材料创作的自由度。位于德国达姆斯塔特在由Niederwohrmeier & Wiese公司设计的一栋能源建筑中，立面整合了太阳能光电板材料。立面设计围绕如何充分利用太阳能为主题，立面窗户由光电玻璃组成，立面之前整合了单轴旋转的可追踪的光电装置，在建筑两侧安装了平面可旋转180度的双向旋转追踪光电装置。分析表明此光电系统比传统立面整合光电板系统多产生38%的能源。（图17-18）8。图15图16atd 111结 论目前价
16、格结构与能源效率的瓶颈制约着太阳能光电板普及，更为重要的是太阳能光电板在建筑立面的美学表达问题进一步限制了在建筑中推广应用。但是，随着传统能源的紧缺与价格的提升，建筑立面整合太阳能光电技术将获得更多的关注。我们相信随着光电板产品的日益丰富与建筑美学语言的发展，会有越来越多的建筑师在立面设计中整合太阳能光电板材料，在保护环境节能能源的同时在建筑美学领域产生新的表现语言。文献索引 1 Christian Schittich. In Detail Building Skins M. Berlin: Birkhauser, 2006: 5152 2 PVACCEPT. Solar Design Photovoltaic for Old Building, Urban Space, Landscapes M. Berlin: Jovis Verlag GmbH, 2005: 47 3 Deo Prasad, Mark Snow. Designing with Solar Power: A Sourc
