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環境問題已經逐漸成為威脅人類生存的主要因素，而環境問題其本質是能源問題。建筑作為構成城市的基本要素，在城市建設發展中不斷產生且持續耗能。調查顯示，建筑能耗占全球總能耗的40%以上，而建筑業排放的溫室氣體占全球溫室氣體總排放量的24%。因此，加大可再生能源的利用和加強推廣節能建筑是當下節能減排的迫切需求。太陽能建筑以其“綠色環保”、“低能耗”、“占用資源少”等特性成為未來建筑頗為關注的一種發展方向，而太陽能建筑如何在城市環境中實現規模化應用更是眾多建筑師、規劃師所關注的重點。事實上，人們很早便已經開始了在規模化利用太陽能的嘗試。例如，古代很多城市在規劃的過程中都會考慮利用被動式太陽能以及自然光來為人們提供舒適的室內外環境；而到了現代，除滿足被動式太陽能所帶來的基本需求以外，更需要大規模地利用主動式太陽能發電和產熱，這是實現城市可持續發展的重要手段之一。

1城市環境中光伏建筑規模化發展趨勢

隨著城市可持續發展理念的普及，部分國家開始進行城市環境中太陽能規模化應用的嘗試。1993年，由包括福斯特、赫爾佐格在內30多位著名建筑師共同簽署了《在建筑和城市規劃中應用太陽能的歐洲憲章》，其中對于城市特別提到：針對太陽能采取新的方式來設計建筑個體和城市空間。隨后部分國家開始實施和推廣太陽能屋頂計劃，例如德國的“十萬屋頂計劃”、美國的“百萬屋頂計劃”以及日本的“新陽光計劃”等。在此之后，一些發達國家將城市環境中的太陽能規模化應用作為重點發展，由此產生了很多建成的或者規劃中的“太陽能城市”。比較著名的包括：奧地利林茨（Linz）、德國柏林、荷蘭的“太陽城”（CityofTheSun）（圖1）等。近年來，各國相繼出臺城市環境中規模化發展太陽能的法律法規（表1），在政策層面上限定新老建筑對能源利用情況，大力促進可再生能源的發展。由此可見，在城市環境中大規模普及太陽能應用已經成為未來城市的發展趨勢。

2城市環境下的太陽能建筑規模化應用的案例與研究

隨著各國對城市環境中的太陽能規模化利用扶持力度越來越大。各國相關案例不斷涌現，我們將案例分為城市尺度下的太陽能規模化利用和建筑尺度下的規模化利用兩類進行研究。

2.1建筑尺度下的太陽能規模化利用建筑尺度下的太陽能規模化利用也可視為微觀層面上對太陽能加以利用。應用對象主要有城市居住小區、城市大型公建以及建筑小品（表2）。（1）城市居住小區城市居住小區主要可分為高層住宅小區和低層住宅小區兩類。對于低層住宅小區，主要是利用在屋頂安裝太陽能光伏系統的方式來達到目的；而對于高層住宅小區，雖然建筑高度的提升為垂直面利用太陽能增加了更多的可能性，但建筑群體的相互遮擋給太陽能利用帶來了更大難度。例如在法國達赫萊澤（LaDarnaise）的高層住宅小區改造項目中，太陽能光伏系統就被大量安裝在建筑的南立面。整個小區總共有11棟公寓建筑的外墻上安裝了光伏系統，總裝機容量達到92kW，它能夠為727戶家庭供應電能。然而，高層建筑立面規模化安裝光伏系統最大的弊端就是建筑之間會產生陰影遮擋，這會影響光伏發電。為此，該項目相關人員對建筑陰影進行了詳細的分析研究，依據遮擋情況分別設計了三種不同的光伏系統（4kWp，8kWp，12kWp），對建筑立面進行有區別地安裝。而在位于阿姆斯特丹的西南方的新斯洛滕（NieuwSloten）低層住宅小區項目中，有34棟小住宅以及37套公寓式住宅都進行了光伏系統的集成。由于建筑師在設計階段就融入了太陽能規模化利用的理念，因此，設計師將小住宅的屋頂作了一定的傾斜，將屋頂煙囪高度降低（圖2），這些處理方式都是為了讓屋頂光伏系統能夠最大面積地獲得太陽能。（2）城市大型公建城市大型公建諸如機場、火車站、辦公建筑、商業綜合體、體育場館等是城市環境中承載人們日常活動最多的地方，其體量往往比較巨大，這給光伏的大面積安裝提供了很好的條件。通常光伏組件會以兩種形式出現在這些建筑上，一種是與大跨度建筑頂棚進行一體化集成，另一種是作為遮陽裝置安裝在建筑的立面上。德國柏林中央火車站是大跨度建筑頂棚集成光伏的典型案例，其在450m長東西走向的站臺拱形玻璃屋頂上集成安裝了大約1870m2的太陽能光伏發電組件（圖3）。這些光電板集成在屋面的玻璃系統中，并在西屋頂的172m和東屋頂的107m之間沿地平線的7~19玻璃屋面上安裝。光電池所采用的高效能晶硅板確保了16%的太陽能利用率。整個中央車站的光伏屋面集成了100塊125mm×125mm的單晶硅電池片。車站站臺屋頂上大規模集成安裝光伏組件一方面可以提供較大的發電量，另一方面，光伏組件自身的通透性能夠使整個站臺產生光影斑駁的藝術效果，為每一位在這里乘車的旅客提供了極佳的光影感受。而在2001年完工的荷蘭能源研究中心改造項目中，建筑師在舊建筑的外立面安裝了一個遮陽系統，其安裝面積達到262m2，年發電量達到20000kWh。將光伏組件作為遮陽構件在建筑立面上規模化安裝不僅僅減少了對昂貴而耗能的空調系統的需要，而且讓舊建筑披上了現代科技的外衣，讓舊建筑得到“新生”。由此可見，城市大型公共建筑規模化利用太陽能具有以下特點：①公共建筑擁有較大的太陽接觸面，因此能夠提供較多的光伏安裝位置；②光伏構件在大型公共建筑規模化應用中不僅能夠獲得較多產能，而且增強了建筑的標識性，甚至還能夠獲得較好的藝術效果。因此，加強光伏建筑一體化設計，不斷在建筑技術與藝術相結合方面創新是建筑師應該關注的重點。（3）城市建筑小品城市建筑小品是城市環境不可或缺的一部分，在城市建筑小品上廣泛集成光伏的方式逐漸走進人們的視野。對于建筑小品個體來說，其發電量可能是微乎其微的，但由于建筑小品具有數量大、分布面廣的特點，因此，城市環境中的建筑小品規模化利用太陽能具有很大的開發潛力。城市建筑小品主要有候車亭、景觀裝置、停車棚、路燈等。根據其在城市中分布方式可以將其主要歸為兩大類：陣列式分布和散點式分布。陣列式分布的典型的案例有悉尼的光伏發電塔大道，在這條大道上整齊排布著19個光伏發電塔，這是當時澳大利亞政府為了兌現舉辦“綠色奧運”的承諾所建立的。每一個塔支撐著6.8kWp的光伏陣列，每天能產生23kWh的電能，這相當于兩棟建筑每天所需要的用電量之和[7]。另外，散點分布的太陽能候車亭也是城市利用太陽能的重要途徑之一。在德國柏林，已經有30座透明的“智能候車亭”進入了這座歷史悠久的城市。候車亭的頂棚嵌入了大小為12.5cm×12.5cm的標準單晶硅太陽電池，電池間隔為2.5cm。它所發的電將并入公共電網，并且還能在晚上用于各項其他功能，比如電子系統顯示、廣告燈等。城市建筑小品規模化利用太陽能是將信息化時代的新科學新技術融入人們的生活的重要途徑，它不僅只是發電、為人們提供方便，而且在塑造城市形象、提升城市景觀可識別度方面具有重要意義。

2.2城市尺度下的太陽能規模化利用與建筑尺度下的太陽能規模化利用相比，城市尺度下的太陽能規模化利用是站在城市整體的視角上對太陽能加以利用。一般有兩種類型，一種是在新開發地區規模化利用太陽能；另一種是在城市現有建筑上規模化利用太陽能。（1）新開發地區的太陽能規模化利用在《在建筑和城市規劃中應用太陽能的歐洲憲章》的指導下，歐洲各國不斷涌現出以規模化發展太陽能為目的的“太陽城”，奧地利林茨“太陽城”就是其中最具代表性的城市之一，其規劃與建筑設計由多名著名建筑師參與，包括諾曼福斯特、理查德羅杰斯、托馬斯赫爾佐格等。由于早在規劃設計前期政府就要求設計師將如何最大化利用太陽能資源納入方案考慮因素中，因此城市空間設計以間距控制為主導策略，采用低容積率、聯排式的建筑群布局（圖4），控制太陽能在建筑群中的遮擋損耗。這種布局方式使得太陽光的直接利用程度很高，包括光熱和光電的應用，可以說是全方位地利用太陽能（圖5）。（2）城市現有建筑上的太陽能規模化利用一般來說，城市現有建筑上規模化利用太陽能主要有以下幾個方面的制約問題：①無法保障現有建筑朝向都能滿足較好地利用太陽能資源的要求；②已建成片區的建筑物間距無法完全滿足日照間距條件，而建筑物之間的遮擋會極大地影響太陽輻射的吸收；③平屋頂能夠較為均勻地吸收太陽能輻射，而坡屋頂的兩面吸收太陽能輻射的能力有較大差異。在葡萄牙里斯本城區內的現有建筑上加建光伏系統的案例中，研究人員針對這些問題找到了較好的解決方案。首先，相關人員利用模擬軟件對葡萄牙里斯本的太陽能資源進行了評估，并繪制出里斯本的“太陽能地圖”（圖6a），其中深紅色區域代表太陽能潛力值較高的區域，藍色區域則與之相反。從圖中我們可以發現，太陽能資源潛力情況與城市肌理密切相關，例如，廣場等空曠地塊的太陽能潛力高于街道，而街道的太陽能潛力則高于建筑屋面以及建筑邊緣地塊。在此基礎上，研究人員對片區內建筑物屋頂的太陽能資源潛力進行了分析，同“太陽能地圖”中一樣，深紅色代表太陽能潛力值較高的區域，藍色則與之相反。依據“太陽能地圖”的評估結果，相關人員在具有較高的太陽能資源屋頂上進行了光伏系統的安裝。從案例中我們可以得出，在新開發地區的太陽能規模化利用需要從規劃設計的前期入手，對城市內部的建筑、道路、景觀進行合理的布局規劃。而對于城市現有建筑上的太陽能規模化利用則需要充分結合太陽能資源狀況，綜合考慮城市肌理、建筑物陰影遮擋關系以及建筑間距，在此基礎上對光伏系統進行選擇性地布置，這樣才能最大化地有效利用太陽能資源。

3探索與展望

縱觀國外現有城市中太陽能規模化應用的案例，我們可以從不同類型入手分析規模化發展的前景與阻力。在建筑尺度下，規模化利用太陽能能夠給住宅小區、大型公建以及城市景觀小品等帶來新穎靚麗的外觀，但也存在建筑與光伏集成度不夠，設計手法過于簡單粗糙的現象。而在城市尺度下，規模化利用太陽能能夠緩解城市能源大量消耗所帶來的負擔，但同時也會帶來太陽能利用難度增加以及城市“全部”而非“全面”利用太陽能的問題。由此可以看出，不同類型的規模化應用太陽能會面臨不同的挑戰。因此，筆者結合本文中所提到的案例及相關項目信息，提出以下幾點建議：①在現有城市建筑上加裝太陽能發電設備，須綜合考量城市中建筑的朝向、間距、屋頂類型，以便合理地布置；而在新開發城市區域中，則需在前期規劃階段考慮上述因素。②不同地理位置的城市環境、氣候條件差異較大，因此，在規模化利用太陽能前期要充分利用現代信息技術對太陽能資源進行評估，對太陽能資源理性地開發利用。③城市環境中的太陽能建筑規模化應用必將對城市整體風貌產生較大影響，因此更應該從光伏建筑一體化設計著手，在開發利用可再生能源的同時，提升城市的建筑風貌，塑造城市的整體形象。本文中所提到的國外案例大多為低密度的獨立或聯排式住宅，這對于我國部分低密度的西部地區和廣大農村的太陽能建筑發展有一定借鑒作用。但在高密度城市環境中的太陽能規模化利用的相關資料還較少，而我國高密度的城市環境復雜多樣，因此更應該對有代表性的城市進行具體的分析研究，這為我們建筑師提出了新的挑戰和更高的要求。這不僅直接關系到城市片區甚至城市整體未來的可持續發展，還對國家實現“節能減排”的時代任務、最終實現城市可持續發展的目標具有重要意義。

作者：劉思威 徐燊 單位：華中科技大學建筑與城市規劃學院