高铁建筑表皮与光伏一体化设计分析
Analysis of Skin and Photovoltaic Integrated Design for High-Speed Railway Buildings
[本文引用格式]杜晓辉，张永超.高铁建筑表皮与光伏一体化设计分析[J]. 南方建筑，2020（6）：42-47.
摘要 目前高铁建筑表皮与光伏一体化设计在形态上过于单一，限制了高铁建筑形式表达和更大生态节能效益的实现。基于对高铁建筑形态特征的分析，和对当前光伏组件性能的总结，探讨了在高铁建筑屋面、立面和构件系统中，创新光伏组件类型选择和集成模式的可行性。发现：①通过优化光伏组件类型的选择，可以将光伏组件转变成高铁建筑形式表达的积极要素；②随着光伏组件性能的提升，相关集成设计可以突破当前集中于屋面系统的现状，拓展到高铁立面、构件系统中。研究为进一步丰富高铁建筑表皮形式，扩大建筑光伏一体化应用规模提供了依据。
关键词 高铁客站；建筑光伏一体化；建筑表皮；光伏组件
ABSTRACT At present, the simple forms of BIPV (Building Integrated Photovoltaic) design for high-speed railway buildings restrict their creativity and ecological economy benefits. Based on an analysis of the morphological characteristics of highspeed railway buildings and the summary of current photovoltaic (PV) module performance, this study discusses the feasibility of selecting innovative PV module types and integrating roof, facade, and component systems. We found that: (1) PV modules can be transformed into positive elements which are expressed in the form of high-speed railway buildings through optimal selection; and (2) with the improvement of PV module performance, the BIPV design for high-speed railway buildings can expand to a facade and component system rather than being limited within the roof system. This study provides a basis for further enriching high-speed railway buildings and expanding the scale of BIPV systems.
KEY WORDS high-speed railway station; building integrated photovoltaic; building skin; PV modules
*基金项目：国家自然科学基金资助项目（51908026）：基于使用者舒适认知的高铁客站建筑热、光、声环境交互作用机理与优化设计研究。
中图分类号 TU201文献标志码 A
DOI 10.3969/j.issn.1000-0232.2020.06.042 文章编号 1000-0232（2020）06-0042-06
作者简介 1 副教授，电子邮箱：xhdu@bjtu.edu.cn；2 硕士研究生；1&2北京交通大学建筑与艺术学院
根据《中长期铁路网规划》[1]，至2030年，我国高速铁路营业里程将达到4.5 万km，这带来高铁站建设的巨大需求。而当前新型铁路客站，已从单纯的候车建筑向复合的城市综合体发展，建筑规模增大，功能繁多，空间复杂，立面通透，且24h 不间断运行，建筑能耗巨大。随着国家节能战略的深入与节能标准的进一步提高，高铁建筑的绿色节能设计尤为重要[2]。国家“十三五”规划方案明确提出大力推进替代能源和可再生能源在交通基础设施建设与运营、运输生产等领域中的应用。尤其在太阳能资源相对丰富的地区，太阳能技术在高铁客站建筑上的合理应用，不仅在一定程度上缓解了用电紧张，而且可以带来巨大的社会效益[3]。
太阳能光伏技术不断发展，组件性能不断改善，在建筑表皮系统上的应用实践也逐渐增多。然而，与其它建筑类型相比，很多已建成的高铁建筑表皮与光伏组件的集成形式仍过于单调，光伏组件仅作为附加要素参与建筑形式的表达，没有真正地与建筑融合为一体。本文结合高铁建筑形态特征与光伏组件性能特点，重点分析以下两点问题：（1）如何进行光伏组件类型的选择，
在满足高铁建筑美学特殊性要求的同时，实现光电转换效率最大化；（2）探讨高铁建筑各部位集成光伏组件的可行性，在丰富高铁建筑表皮形态的同时，使高铁建筑成为太阳能系统的高效载体，提高建筑节能效益。
1建筑光伏一体化设计现状
一般来说，光伏组件与建筑组合的方式有附着、外置和集成3种 [4]，而建筑光伏一体化（BIPV，Building Integrated Photovoltaics）强调建筑与光伏组件的集成，太阳能光伏组件作为建筑表皮系统的一部分，与建筑同时设计、同时施工、同时安装，成为建筑的功能和美学要素，该设计理念已在各种类型的建筑实践中得到了广泛的探索和应用[5-6]，也为实现高铁建筑的节能减排提供了契机。我国的光伏技术起步较晚，但是在高铁建筑上的应用规模不
[7-16]
断扩大 （图1），为清洁能源生产提供了助力，实现了从“实验性应用”到“零碳排放建筑”的跨越[17]。纵观我国高铁建筑表皮与光伏一体化的发展历程和应用现状，优劣并存，优势在于
[17-20]光伏组件的集成规模上，基本领先于同时期的国外发达国家（表1），劣势在于应用形式相对单一，对光伏组件的性能特点利用不足，造成光伏组件与高铁表皮集成方式缺乏创新，光伏组件被动集成在不同受光条件的建筑表皮上，成为建筑形式表达的消极要素。
国际能源组织太阳能和建筑项目（IEA SHC Task41“Solar Energy and Architecture”）中，将建筑光伏一体化设计形态归纳为6种 [21]（图2），涵盖了建筑围护结构中可以集成光伏组件的各个部位，且提出了根据光伏组件受光条件而进行形体设计，
产生异形形体的理念。而目前，我国高铁建筑表皮与光伏一体化设计形式，主要集中在高铁建筑屋面系统，远没有实现以上6 种形体可能。建筑师有必要借鉴国外优秀交通类建筑案例的经验，借鉴其他公共建筑集成光伏组件的形态模式，合理利用光伏组件的性能特点，提出更有利于高铁建筑形式表达和清洁电能获取的设计策略，丰富我国高铁建筑表皮与光伏一体化的设计实践。
2影响光伏建筑一体化的高铁车站形态特点
2.1追求形式张力，代表城市形象
不同于一般性公共建筑，高铁建筑作为地方的门户，代表着城市形象，体现着城市地方文化特征，其设计更加追求建筑形式美的表达。因此，光伏组件在高铁建筑上的集成，更加强调美学优先原则。而不同类型光伏组件的形态特征差距较大，特定的表观形态对高铁建筑形式的表达具有局限性，需要设计师根据建筑形式进行合理选择。
2.2体量巨大，站棚一体化
当前新型高铁建筑体量巨大，结构复杂，在功能布局上，开始由实体的封闭空间，向多种功能综合的开放式共享空间转变。在形体组合上，传统的“重站房轻雨棚”逐步趋向于“站棚一体化”设计，将站台空间纳入整个复合体的大空间中，加速通行便捷性，实现换乘空间的一体化。高铁建筑屋面与站台风雨棚，共同组成了形式复杂多样，面积广阔的屋面系统。其中，高铁建筑屋面形态复杂，且需考虑室内采光，这对光伏组件类型选择和集成方式提出了更高要求；而高铁建筑风雨棚形态简单，多以平面为主，且对透光性要求不高，更有利于光伏组件的多样选择与大面积铺设。2.3立面表现形式多样
考虑到室内天然光环境舒适度的要求，高铁建筑外立面多采用透光材料，部分或全部地替代实体材料，门窗可开启部分尽可能地扩大，建筑外表皮更加通透。高铁建筑南向立面具备有利的光照条件，西向立面次之。高铁建筑立面与光伏组件的集成设计，需要综合考虑建筑构件整合设计、光伏组件性能选择、表皮视觉尺度、色彩与细部节点，才能创造高铁建筑光伏一体化的合理设计形态。
3光伏组件类型选用
3.1 晶体硅光伏组件
晶体硅光伏组件的光电转换效率最高可达到20％以上，在单位面积上的发电量大于非晶硅材料[22]，是目前在高铁建筑表皮系统中应用最广泛的类型。晶体硅自身不透光，可以通过改变晶体硅光伏组件中电池排列间距，以获得不同的透光率，透光率越高，组件的光电转换率越低。