文章精选丨BIPV设计案例：上海春熙市集

当前，光伏建筑一体化（BIPV）已经成为绿色低碳社区可持续能源利用的重要手段之一，但是依然面临着设计不合理和成本压力大的难题。本文梳理了我国 BIPV 的研究应用现状与问题，以上海市春熙市集项目为例，从形态、立面、结构 3 个维度探讨了该项目的建筑设计特征，并从策略适应性、光伏屋面目标值计算、经济性和美观性 4 个维度分析了低碳社区配套公共建筑屋顶光伏一体化技术设计的注意要点，以期为其他同类型项目提供参考。

 

BIPV研究现状 

 

在理论层面，众多学者已积极开展 BIPV 的理论研究，从知网被引频次最高的 500 篇文献研究聚类发现，对于光伏建筑的研究呈现从整体到局部的发展特征，即从宏观理论到不同类型的 BIPV 策略，再到光伏构件及其做法的逐步细分，同时具有较强的学科交叉性，具体如图 1、图 2 所示。

 

 

在应用层面，我国近 10 a 来陆续出台了一系列政策，推动光伏产业的发展，如表 1 所示。在这些政策中，多次提到 BIPV，充分体现了国家相关部门对 BIPV 发展的重视，在政策的加持下，我国已经发展成为世界光伏全产业链大国，并仍然呈现快速发展的趋势。

 

 

上海市作为夏热冬冷气候的代表性城市，是我国太阳能中等丰富区，有较为丰富的太阳能资源可供利用，上海市也出台了一系列政策鼓励对光伏建筑的发展，涌现出一批优秀案例，如奉贤区数字江海“垂直工厂”、临港中心 BIPV电站等，具体政策如表 2 所示。

 

 

 

存在的问题 

 

当前，BIPV 的应用程度仍然不高，主要包括光伏屋顶和光伏立面 2 个大类。光伏屋顶按照透光类型分为透光光伏屋顶和不透光光伏屋顶 2 种，光伏立面涉及光伏幕墙与遮阳构件、光伏阳台与雨棚、光伏墙体等。以光伏屋顶为例，大都采用建筑建成后的后期安装方式（BAPV），这种做法的光伏组件与建筑呈彼此分离的状态，并没有实现真正的BIPV。究其原因，主要来自成本效益和设计安装 2 个维度。

 

在成本方面，光伏建筑初始投资较大，投资回收期长，对于很多企业和个人来说成本压力较大；在设计方面，光伏组件的设计安装受建筑本体的形式和地域环境影响较大，很多时候无法实现理想的布置，同时，建筑朝向、阴影遮挡、倾斜角度等都是对光电效率转化影响较大的因素，再加上因安装不当导致屋顶漏水、火灾等隐患问题的频发，光伏系统的综合效益难以发挥最大化。

 

在现状分析的基础上，笔者以上海市嘉定新城“理想之地”项目的春熙市集建筑单体（以下简称“春熙市集”）为例，探讨 BIPV 在公共建筑中的设计策略及其经济性，以期为建设更低碳节能可持续的公共建筑项目提供参考。

 

 

项目概况 

 

春熙市集位于嘉定新城核心区合作路和云依路交叉口东南角，其区位图如图 3 所示。地上总建筑面积为 3 086.36 m²，是中建玖合发展集团有限公司和上海万科开发的理想之地项目的配套公建之一 。在设计中，坚持“街区 - 街道 - 街角 -商业”的系统性社区构成逻辑，通过功能复合营造社区的烟火，基于绿色低碳生态技术构建未来的生活场景。

 

 

建筑形态设计：利用坡顶错动形成高敞并充满阳光的室内空间。在整体性大屋顶下，通过屋顶的高低错落调节建筑尺度，屋顶对应中庭空间抬高，对应入口空间降低，形成丰富的高侧窗将光线引入室内。

 

建筑立面设计：基于屋顶的错落打造主街的立面。在 2 层设置退台空间丰富沿街立面，充分利用出挑的屋檐，利用 2 层的退台和大面积的落地通透立面，营造轻盈灵动的建筑立面，创造积极的互动场景，如图 4 所示。

 

 

结构体系设计：项目采用成熟的钢木结构体系，钢木材料的体积比为7 ∶ 93，即主体承重体系的主梁与柱子采用钢结构，减少截面尺寸，控制整体变形。一般受力及围护构件（次梁、屋面板）采用木材，降低隐含碳排放，减少材料传热，钢柱上承托屋面木檩条，檩条上托 NLT 结构板，充分利用钢结构和木结构的结构韧性，打造轻盈开敞的室内环境。同时，胶合木屋顶结构的自然元真木色也为室内空间打造了温暖质朴的集市空间气质，大量的木材使用省去了内外装饰，彰显了低碳特征。市集内部钢木结构效果图和剖面示意图如图 5 所示。

 

 

综上所述，通过建筑形态、立面、结构体系设计，构建了春熙市集项目的建筑底色，也为接下来 BIPV 应用奠定了良好基础。

 

 

BIPV设计策略 

 

应政策要求，春熙市集应满足近零建筑能耗和三星级绿色建筑标准，故而在市集项目中引入若干先进的低碳技术，以期实现人员活动空间的环境健康舒适、运行能耗达标和全生命周期减碳的目标。从上述政策不难发现，政策正在引导以光伏、太阳能热水、地源热泵应用作为可再生能源低碳应用的主要方向，基于对这 3 种技术应用方式的适应性分析，如表 3 所示，本项目最终确定采用光伏发电技术。

 

 

屋面光伏的运用需要从政策响应、技术利用效果和经济性等角度综合考虑并形成系统布局方案，如表 4 所示。在确定屋面光伏面积目标值时，还需综合考虑气象数据、屋面光资源分布后，再进行具体计算。

 

 

气象数据分析：基于《中国建筑热环境分析专用气象数据库》气象数据分析可知，上海市水平面上全年日照辐射量最为丰富，峰值为 1 230 kW·h/m²。根据日照辐射在各个朝向立面上的分布情况，西南面日照辐射相对较为丰富，南面和东南面次之。夏季的日照辐射量相对较为充足，冬季和春季的日照辐射量相对较少。

 

屋面光资源分布模拟：基于场地内的建筑朝向和布置方式，用太阳辐射模拟方法对地块的屋顶整体日照辐射量进行了模拟分析，如图6 所示。由图 6 可知，项目全年日照辐射量分布范围为 0 ～1 300 kW·h/m²，其中项目高层住宅屋顶整体日照辐射量为 910 ～ 1 300 kW·h/m²，日照资源较为充足，屋面适宜设置光伏。云依路沿街商铺受到南侧高层建筑的部分遮挡，屋顶日照辐射条件相对较好，全年日照辐射量在 780 ～1 040 kW·h/m²。住宅建筑裙楼受到住宅建筑遮挡较为严重，不适宜设置光伏系统。春熙市集之所以选择在屋顶设置光伏发电设备，是因为屋面作为建筑的第五立面，受到的遮挡最少，太阳辐射量最大，对建筑造型和城市景观的美观性影响程度相对较小，也被称为建筑所有立面当中最适合安装光伏发电设备的空间。通过全年日照辐射模拟，市集屋顶日照辐射有效面积为 2 100 m²，立面光伏普遍小于 700 kW·h/m²，投资回收期较长。低碳技术单位成本减碳分析如图 7 所示，屋顶光伏发电技术投入产出比最高，因此优先考虑在建筑屋顶设置光伏。

 

 

先要明确屋面光伏板的数量，再根据其量级确定与建筑的具体结合方式。计算步骤和结果如图 8、表 5、表 6 所示，同时按照“自发自用，并网不上网”的原则，测算白天建筑内部稳定用电负荷，如表 7 所示。计算所需光伏面积，如表 8 所示，并与政策要求、低碳社区减碳要求进行面积计算及权衡。

 

 

 

屋顶光伏的经济性分析

 

• 光伏组件选型

目前较为成熟的光伏组件为晶硅和薄膜，其中晶硅类市场份额高达 90%，占据绝对优势，2 类组件主要差异在发电效率、外观 和重量负荷等方面，但是二者均可按照建筑设计需求定制颜色和纹样，这种做法会在一定程度上影响发电功率。光伏组件选型比较如表 9 所示。由于本建筑单体为近零能耗建筑，经测算，每年需至少发电 12 万 kW·h，综合考虑外观和绿化要求，选择高效的单晶硅组件。

 

 

综合以上分析，春熙市集屋面采用单晶硅材料发电，成本低，光伏组件转化率达到 20% 以上，能够更好地兼顾安全性和效率要求。经过计算，市集屋面共采用 464 块单晶硅光伏组件，尺寸为 1 722 mm×1 134 mm×30 mm，最大功率 396 W，工作电压 31.32 V，工作电流 11.37 A，光伏组件效率不低于 22.3%，光伏组件面积为 906 m²，满足屋顶光伏比例约为 43%，总装机容量为 165.184 kWp，占市集总用电量的 4% 以上。光伏组件布置示意图如图 9 所示。同时复核可再生能源综合利用量，如表 10 所示，达到先进值要求。

 

 

• 光伏构件安装倾角

笔者基于光伏计算软件 PVsyst，分析上海地区光伏不同安装倾角和方位角对于光伏发电效率的影响。根据上海市的地理位置，考虑更高的发电收益，建议屋顶光伏正南向安装，最佳水平倾角范围为 20°～ 30°，光伏安装倾角和方位角示意图如图 10 所示。

 

 

光伏不同安装倾角和方位角全年累计辐射量影响如图11 所示。

 

 

• 屋顶光伏的投资回收期与增量成本

BIPV 初始投资成本高、投资回收期长的问题是制约该技术广泛推广的重要原因。在春熙市集中，该问题依然不可回避，故而有必要对其经济性进行详细分析，光伏发电量计算公式如式（1）所示。

 

 

根据中国有色金属工业协会硅业分会 2024 年发布的数据测算，以屋顶单晶硅为例，单位组件安装容量的投资成本约为 3 000 元，按照单位面积太阳辐射 800 kW·h 计算投资回收期，考虑 10% 的运营及维护费用，可得上海地区公共建筑屋面光伏投资回收期约为 8 a，如表 11 所示。

 

 

另外，在此过程中产生的增量成本，以达到 GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》要求的建筑为基准建筑，与其他超低能耗楼栋相比，本项目光伏部分用量为 120 000 W，单位成本 5 元/W，共计增量 60 万元。综合其他措施的运用后，每年可节约用电 41.9 万 kW·h，以标准煤耗计算，累计每年可节约标准煤 120.69 t，减碳量为43.1 tCO₂[ 单位面积减碳量为 33 kgCO₂/(m²·a)]。

 

 

屋顶光伏设备的美观性思考

 

在确定了屋面光伏面积和光伏板数量之后，需要确定与屋顶的结合形式，传统做法的屋面上因放置大量的机电设备管线和出屋面管井，导致第五立面较为杂乱，影响其美观。为了保证市集建筑的整体美观与协调性，要求在设计阶段就考虑遮蔽设备与光伏系统的结合，光伏面板采用BIPV，光伏板作为屋顶构造组成的一部分，强调屋面的整体性，且不需要增加额外检修空间。同时为了增加屋面的丰富效果，还将种植屋面、铝镁锰金属屋面、光伏铝镁锰金属双层通风保温屋面等多种形式组合，最大限度达到屋面的整体性和建筑美观性要求，项目光伏板位置和安装示意图如图 12 所示，组件安装支架节点示意图如图 13 所示。

 

 

 

总  结

 

BIPV 作为绿色低碳建筑可再生能源合理利用的重要途径，是经济性和美观性的均衡协调的结果，也是当前提倡绿色节能和低碳社区的发展方向。面对当前 BIPV 在设计和成本上的困难，春熙市集作为 BIPV 在设计和经济互相平衡策略的一种探索性尝试，经过综合分析，在单位装机容量投资成本为 3 000 元/kWp 的前提下，考虑到屋顶光伏投资 8 a回收期，优先在全年日照辐射量≥ 800 kW·h/m² 部分安装单晶硅屋顶光伏，采用 BIPV 结合屋顶绿化以保持建筑形态的整体性和美观性，可供其他同类型项目参考。

 

 

本文引用格式：董国群，程城，佟桂均. 低碳社区配套公共建筑光伏建筑一体化设计思考：以上海市春熙市集为例[J]. 绿色建筑，2025，17（3）：29-37.