光伏建筑在城市尺度下的大规模应用

荷兰地处欧洲西北部，濒临北海，在日耳曼语中“荷兰”意为“低地之国”，其国土有一半以上低于或几乎水平于海平面。荷兰也是世界上人口密度最高的国家之一，它的人口密度超过400人/平方公里。为了生存和发展，荷兰人竭力保护原本不大的国土，有序利用现有资源并十分重视环境保护。基于本国能源安全和温室气体减排的国际义务，荷兰政府对可再生能源发展采取了积极支持的态度，从20世纪80年代开始可再生能源的开发和利用，并于20世纪90年代末进入了发展高峰期。在此背景下，荷兰的光伏建筑由建筑单体发展到城市规模的建筑群，尼乌兰(Nieuwland)光伏住区是其中的典型代表。

尼乌兰住区是荷兰中部城市阿麦斯福(Amersfoort)的一片新开发居住区，在当地政府和电力供应商的支持下，尼乌兰建成了全球首个规模达1兆峰瓦(太阳能装置容量计算单位)的光伏住区。该住区包括500多栋住宅以及学校、幼儿园、运动中心等社区配套，这些建筑上安装了总面积达1.2万平方米的光伏组件，年发电量达1兆千瓦时，相当于300户家庭的用电量。荷兰当地政府和电力公司在该地区发展光伏住区的考虑是：探讨太阳能光伏大规模应用对城市形态的影响，通过大规模使用光伏材料降低其生产成本，在光伏建筑设计和光伏电力系统设计上积累经验，验证光伏系统运行维护方式和产权运作模式等。

　　光伏住区的规划和建筑设计

　　建筑利用太阳能的潜力受到建筑朝向的影响，而在城市尺度下，建筑朝向与规划的布局和道路的走向关系密切。为使每栋住宅尽可能利用太阳能，尼乌兰住宅前的道路走向以东西向为主，住宅得以朝南。规划预计每户住宅20平方米以上面积的屋面和墙面可以安装光伏板，500户光伏规模可达1兆峰瓦以上。

　　为了能同时完成整个居住区规模的住宅设计，也为了激发建筑师设计光伏住宅的创造力，该住区又划分成若干地块，每个地块上的建筑由一个建筑设计事务所负责主持设计。由于尼乌兰住区是全球首个大规模的光伏住区，参与设计的大多建筑师并没有光伏建筑的设计经验，因此，政府为建筑师制作了一本设计帮助手册，便于建筑师在住宅设计中考虑光伏组件布置的方位角和倾斜角，了解光伏组件的通风、光伏组件与屋面集成的构造设计。最终，建筑师设计出形式多样的光伏住宅，光伏组件朝向南、西南、东南，倾斜角在20度至90度之间。

　　此外，当地的能源电力公司REMU(现合并到新的公司ENECO)还专门设计建造了样板房——能量平衡住房(Energy Balance Home)。该样板房设计基于3个原则：减少建筑运行时的能耗需求，利用可再生能源，使用可回收的建筑材料。160平方米的屋面安装了97平方米的光伏组件，此外是带透明玻璃的采光天窗和14平方米的太阳能热水板，热水板产生的热水可供家庭使用。也可用于室内采暖。

　　光伏系统的管理

　　尼乌兰光伏住区尝试了多种不同的光伏系统产权模式和相应的合同服务管理。该社区内建筑的使用性质有多种，有出售的住房、出租的公寓，还有社区公共的学校和运动中心。这些建筑内的光伏系统或者归能源电力公司所有，或者归房产者所有。如果是出租房，租户可以无偿使用光伏产生电力的20%;如果是私有产权房，住户以光伏设备成本价的25%购买户内整套光伏系统的所有权，他们可以无偿使用光伏产生的全部电力。10年之内，能源电力公司负责光伏设施的维护;10年之后，住户和能源电力公司重新商定新的协议。

　　光伏住区的经验与启示

　　参与尼乌兰光伏住区建设和运作的各方机构和人员都在过程中获取了宝贵的经验。从建筑师和规划师的角度而言，光伏住区的设计有很大的挑战性。为适应充分利用太阳能的要求，规划道路的走向须以东西向为宜。在建筑形体的设计上要考虑光伏的因素，在屋面和墙面留出合适的安装位置。建筑的光伏屋顶不是简单用光伏组件替代原有的建筑屋面材料，而要在构造上兼顾光伏材料和屋面防水问题。在有些住宅的设计过程中，开发商希望看到光伏住宅带有欧洲古典建筑的风格，但实践证明这点难度太大，带有高技派特色的光伏材料更适合以现代派的建筑形象出现。为尝试新的建筑造型，建筑师考虑了改变光伏材料的颜色、设计不同尺寸的光伏组件等，他们希望用更新奇的设计来提高大家对光伏技术的兴趣，推进其普及和应用。总的看来，尼乌兰住区证明了在城市尺度下大规模应用光伏技术完全可行，而且建筑师如果在设计早期能得到更多的帮助和支持，并与其他专业人员密切配合，将有助于提升光伏建筑的设计水准。

　　对于光伏组件的各个供货商而言，该项目不仅提供了大规模的市场，也成为验证和比较光伏产品及其系统各项性能的实验场。项目初期出现了诸如逆变器不匹配、电路连接有误等问题，项目后期设备方面的问题就大大减少了。光伏系统的运行和维护由能源电力公司ENECO负责，社区住户光伏系统的所有权存在多种方式，但是运行维护的管理细则不明，出现的一些问题多与住户对自家的光伏系统缺乏归属感、对光伏设备运行周期内的经济成本没有信心有关。

　　在住户搬进新房的前两年，还能对光伏系统进行监测，电力公司也大力宣传其使用方法，光伏住宅的运行问题比较少;但随后几年，电力公司不再进行监测，房子里面也可能住进了新人，很多住户光伏系统的运行出现了棘手的问题。可以说，光伏系统的运行维护不存在任何技术性困难，问题来自于住户与运营商之间的协调与沟通。

　　我国光伏建筑近两年取得长足的发展，北京奥运会和上海世博会都涌现出光伏建筑的示范性项目，但光伏建筑在城市大范围的应用还比较少。国家于2009年7月出台的《可再生能源建筑应用城市示范实施方案》将加快太阳能光伏在我国由单体建筑走向城市尺度的步伐，荷兰尼乌兰光伏住区为我们提供了宝贵的经验。 

文章作者：徐燊 叶天威