设计题目：基于互动技术的节能建筑表皮设计与建造——利用镜面反射的多模态光伏节能建筑表皮系统
学生：冯以恒
项目合作：徐明昊、朱建皓、李佳赛
指导老师：李力、方立新
方案渲染图
01 研究背景与项目概况
能源与环境问题是人类新世纪亟待解决的重要问题之一，在当前碳中和、节能减排的大背景下，建筑作为能源消耗与污染排放的主体之一，应承担更多责任。在建筑设计中，建筑表皮的设计对降低建筑能耗、增进建筑智能化、增强建筑对环境的响应能力以及提升建筑内部环境调控能力等有重要作用。传统的建筑表皮设计往往存在智能化程度低、功能单一、与环境协同互动能力差以及与建筑内部功能需求脱节等问题；而对传统的建筑光伏表皮而言，表现在无法追踪实时的太阳轨迹、表皮功能单一及光伏板单位面积发电效率低等问题。
本设计项目基于江苏省建筑科学研究院科研中心新建办公楼项目，在真实场地的依托下，通过合理的绿色建筑表皮设计，致力于基于互动技术，提升建筑光伏表皮系统的智能化程度，提出与内外部环境互动、追踪太阳光变化轨迹并通过多重可动镜面反光片增加光伏发电效率的实现办法，设计互动、高效、智能、多功能的建筑光伏表皮系统。
项目提出四点光伏表皮新发展方向作为设计的主要指导原则：
1. 提高能量利用效率。在立面获取太阳能总量一定的基础上，减少使用光伏板的面积，以降低造价，平衡建筑全周期碳排放。
2. 智能化、互动性。能够根据太阳高度、方位角的实时变化情况调整自身的受光形态。（互动、自适应）
3. 与建筑的功能结合与协调。光伏获能与室内环境调控的功能、人眼高度视线需求相结合。（环境调控系统）
4. 新的立面美学。与立面整体设计相结合，从建筑美学出发考虑立面的形式。
左：建筑布局 | 右：光伏表皮新发展方向
02 方案设计
在本项目中，建筑体量方案的推敲与其建筑环境息息相关，在设计过程中需要保证建筑方案设计与建筑环境分析同步进行、相互驱动。在本项目确定使用光伏表皮作为建筑南向立面的设计方向时，不同建筑体量方案所接受到的太阳辐射尤为重要。南向面所接收到的辐射量将很大程度上影响建筑光伏表皮的发电效率与调控目标。因此对于本项目，需要将建筑体量的发展与建筑表面全年日照辐射量协同考虑，用日照分析促进建筑设计方案体量的发展。对本项目使用固定式光伏表皮情况下，一年中典型时刻的室内光照强度进行模拟分析，可见在建筑的 3-5层办公功能空间中，南向房间的光照强度较高，但单个房间内的均一性不足，靠窗位置的光照强度远高于远离窗户处;其他空间中的光照条件较差，表皮系统对建筑内部光照分配的引导作用较低。对于光伏发电量而言，经模拟计算估计，当建筑使用固定式光伏表皮时，全年的发电量约为 19483kWh，发电总量较高，但所使用的光伏板面积较大，其单位面积的发电效率较低。
左：日照分析 | 右：采光分析
总的来说，若采用固定式光伏表皮，则可能存在以下问题：1. 较低单位面积的能量利用效率在获取较多太阳能用于光伏发电的同时，使用了较大面积的光伏板，单位面积光伏板发电效率较低。2. 缺乏互动性与智能化控制由于使用了固定式的光伏板，光伏表皮无法与外界环境变化产生互动并据此进行智能调控。3. 缺乏与建筑整体环境调控的联系固定式光伏表皮的功能较为单一，且与建筑内部环境调控和视线通道缺乏联系。4. 较大面积光伏板影响立面美学效果由于铺设了较大面积的光伏板，建筑立面设计需要配合其铺设，为立面整体的协调美观造成了一定问题。5. 建设生产过程中产生较多污染光伏板在生产过程中会产生一定的环境污染，更大面积的光伏板意味着更多的污染排放。
基于此，本设计课题尝试采用互动技术，通过自动控制系统和机械结构设计，课题组设计了一套多模态光伏节能建筑表皮系统，系统由互动立面模块组合而成，实现以下功能：1. 自适应反光系统将原本成为窗口眩光或被反射成为城市光污染的墙面直射光线，集中反射到小幅面的立面太阳能板上，提高单位面积光照强度，提升发电效率，减少光伏板面积。2. 嵌入式反光吊顶在太阳辐射强度较低，用于光伏发电效率不高时，可以将太阳光直接反射 进入建筑内部的导光吊顶内，以帮助提供室内照明并优化建筑内部光环境的均一性。3. 智能化表皮控制系统为实现表皮系统的整体能效表现提升，表皮系统会依据实时的外部环境与内部需求，以综合能效为与功能需求为出发点， 控制对所获取能量的使用分配。
模块构成与多模态（图片来源：《一种利用镜面反射的多模态光伏节能建筑立面幕墙系统》专利）
立面单元与表皮系统
立面效果图
03 计算与模拟
为了计算最优机械结构形态与模拟发电效能，学生使用C#开发了专用的迭代模拟优化软件，解决了传统日照计算软件无法应对的动态反射类型问题，并申请了两项软件著作权。通过对于全年日照模拟，计算了各关节长度与控制角度。每个单元由两组电机分别控制关节的弯折与整体的倾斜角度，通过SolidWorks建模对运动进行验证。课题组对多种反射方案进行模拟分析，经过模拟计算，最终采用手指型反射板方案。其能量效率在不考虑现实损耗的情况下，最高能够达到时刻垂直于太阳光线的等面积太阳能板效率的109%，而较传统固定PV则可提升约189.30%
基于GPU加速的镜面反射式动态光伏立面能效计算优化系统软件截图
左：计算原理示意 | 右：结果对比
全年反射角度模拟
04 实体建造
课题组对光伏板原理、自动控制技术、机械结构设计等关键技术展开了学习与研究，在建筑学知识的基础上，整合多学科知识进行综合设计。针对立面模块中的可动反光装置，设计开发了一种类似指关节的电控机械反光装置，通过各关节不同弯折角度的控制达到聚焦功能。
反射构件方案迭代
Arduino与控制系统设计
系统架构图
为了验证实际运行效果，学生搭建了1:4的2*3模型单元阵列，使用3D打印制造定制化节点，使用CNC与激光切割制作其他构件。
3D打印定制化节点
实体模型制作
搭建完毕后，课题组在真实环境中进行了测试并采集数据。反射式互动光伏立面峰值能量效率达到最佳角度放置光伏板的两倍以上，全日综合发电量达到最佳角度太阳能板的150%，由于反射效率、发热、电池损耗等一系列原因，实测数据略小于此前模拟数据，但依然达到了比传统固定式更优秀的光伏收集效率。
运行结果
设计成果获第十届未来设计师全国高校数字艺术设计大赛——联合国可持续发展目标创意大赛江苏省一等奖，全国总决赛二等奖。设计研究成果申请获得软件著作权2项1.基于GPU加速的镜面反射式动态光伏立面能效计算优化系统V1.0，登记号: 2022SR1620599，2022年08月09日2.手指型动态反射光伏系统运行轨迹计算系统 V1.0，登记号:2022SR1469449，2022年08月01日设计研究成果申请发明专利2项1.一种利用镜面反射的多模态光伏节能建筑立面幕墙系统，申请号: 202211160364.7， 2022年09月22日2.一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与优化方法，申请号: 202211160829.9，2022年09月22日
