伍文豪WU Wen-hao

（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510030）

1 背景與問題

2020 年9 月22 日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話，中國力爭碳排放2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。2020 年，《中國建筑能耗研究報告（2020）》顯示，2018 年全國建筑全過程碳排放總量占全國碳排放的比重達到51.3%。因此建筑領(lǐng)域碳減排是實現(xiàn)2030 碳達峰和2060 碳中和的先決條件和重要組成。2022 年3 月11 日，國家住建部官網(wǎng)發(fā)布了“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃”。規(guī)劃指出：到2025 年，全國新增建筑太陽能光伏裝機容量0.5 億千瓦以上，城鎮(zhèn)建筑可再生能源替代率達到8%，建筑能耗中電力消費比例超過55%。隨著國家推動太陽能發(fā)展力度逐年加大，如何實現(xiàn)建筑光伏建筑一體化（BIPV）成為一個重要的研究問題。

2 研究綜述

2.1 建筑碳排放（building carbon emission）

建筑碳排放是指建筑物與其有關(guān)的建材生產(chǎn)及運輸、建造及拆除、運行階段產(chǎn)生的溫室氣體排放的總和，以二氧化碳當量表示。本文所界定的碳排放計算階段主要為建筑運行階段，減碳設(shè)計策略包括：圍護結(jié)構(gòu)保溫性能提升、遮陽設(shè)計優(yōu)化、建筑設(shè)備能效優(yōu)化、電氣照明功率優(yōu)化、可再生能源利用（太陽能光伏）等。

2.2 光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaics）

太陽能作為一種分布廣泛、清潔環(huán)保的可再生能源，其充分開發(fā)利用對環(huán)節(jié)能源危機、保護生態(tài)環(huán)境、保證社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。光伏建筑一體化（BIPV）設(shè)計是指綜合考慮建筑設(shè)計的經(jīng)濟性、實用性和美觀性，將太陽能光伏構(gòu)件與建筑結(jié)構(gòu)進行有機結(jié)合。其結(jié)合形式主要包括：屋頂構(gòu)架式、陽臺構(gòu)架式、光伏外窗式、遮陽板結(jié)合式等。

3 研究對象與數(shù)據(jù)來源

3.1 案例概況及研究對象

本文選取的案例為廣州市南沙區(qū)某安置區(qū)項目，西臨京珠大道北，東臨黃閣大道，總用地面積約39500m2，總建筑面積約190000m2，功能包括：住宅及公建配套、幼兒園、交警辦公樓、地下車庫等。其中住宅部分建筑面積約110000m2，建筑高度為99.9m，層數(shù)為32 層，均為裝配式建筑。本文以一棟32 層、建筑高度99.9m、正南北朝向的B1#住宅作為研究對象，其圍護結(jié)構(gòu)主要材料包括：鋼筋混凝土、玻化微珠保溫砂漿、加氣混凝土砌塊、巖棉板、擠塑聚苯乙烯泡沫板；外窗主要材料為普通鋁合金框+6mm 中透光Low-E+12mm 氬氣+6 透明LOW-e 中空玻璃、普通鋁合金框+6mm 中透光Low-E+19mm 氬氣+6 透明內(nèi)置百葉LOW-e 中空玻璃。

3.2 數(shù)據(jù)來源

運用清華斯維爾公司CEEB2023 碳排放分析軟件，進行建筑碳排放數(shù)據(jù)獲取及量化分析；需求評價通過相似案例項目分析對比搜集；經(jīng)濟性分析通過文獻參照及造價咨詢收集。

4 評價模型建立及碳排放數(shù)據(jù)分析

4.1 評價模型建立

運用碳排放分析軟件——清華斯維爾CEEB2023 軟件，以B1#住宅為主要評價單元，輸入工程信息、基本材料信息、各種設(shè)備系統(tǒng)信息、建立平面模型、生成三維評價模型，主要研究了圍護結(jié)構(gòu)、外窗性能、制冷系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)的對建筑碳排放貢獻值。

4.2 碳排放數(shù)據(jù)分析

本次研究主要針對住宅運行階段碳排放量的主要影響參數(shù)進行量化分析：①圍護結(jié)構(gòu)方面，項目采用裝配式鋼筋混凝土外墻，對于項目節(jié)能減碳有一定的不利影響，結(jié)合建筑整體負荷曲線可看出，建筑供冷負荷最高月份為8 月，供暖最高月份為1 月份，其圍護結(jié)構(gòu)傳熱為主要的負荷因素。研究采用保溫屋面、保溫外墻、隔熱外窗構(gòu)造，有效降低建筑傳熱以及對空調(diào)系統(tǒng)的負荷；②制冷系統(tǒng)及供暖系統(tǒng)：項目采用能效比（APF）大于3.5 的單元式空調(diào)系統(tǒng)，對于夏季供冷、冬季供熱碳排放量很大程度的減緩；③照明系統(tǒng)：采用LED 節(jié)能照明，降低住宅主要功能房間：起居室、臥室、衛(wèi)生間、廚房的照明單位面積電耗，進而對因用地而產(chǎn)生的碳排放量進行有效降低；對電梯的特定能量消耗及待機功率進行提升優(yōu)化，進而降低電耗及碳排放量。依據(jù)圖1 統(tǒng)計分析，供冷系統(tǒng)的碳排放量占整體碳排放的67%，為主要的碳排放因素，因此采用能效比高的單元式空調(diào)系統(tǒng)以及提升圍護結(jié)構(gòu)熱工性能極其關(guān)鍵。

圖1 建筑各類系統(tǒng)碳排放量分析

4.3 建筑運行階段碳排放量化分析及光伏建筑一體化結(jié)合形式分析

根據(jù)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范-GB 55015-2021》，并結(jié)合前述住宅單體建筑設(shè)計運行階段供冷負荷碳排放、供暖負荷碳排放、照明系統(tǒng)碳排放、電梯碳排放等相關(guān)數(shù)據(jù)，運用CEEB 碳排放計算軟件進行量化分析，可再生能源——太陽能光伏發(fā)電碳減排量需達到0.69（kgCO2/m2·a），以滿足對比參照建筑（2016 年執(zhí)行的節(jié)能設(shè)計標準）碳排放量平均降低40%以上，碳排放強度平均降低7（kgCO2/（m2·a）以上。

5 太陽能光伏建筑一體化（BIPV）應(yīng)用減碳量化分析

5.1 太陽能輻射概況及太陽能系統(tǒng)對比分析

項目所處北緯約23°，為夏熱冬暖氣候區(qū)，太陽輻射資源等級為III 級，屬于較豐富地帶，太陽總輻射在3758.8～5273MJ/m2，而逐月輻射量最高值分布在每年8 月份，最低月份為1 月份（圖2）。針對項目類型為住宅建筑，通過同類型項目調(diào)研分析以及CEEB 軟件模擬碳排放分析，對比太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱水、太陽能集中供暖等三種太陽能可再生能源方案，進行碳減排量、使用需求度等多維度綜合分析。①碳減排方面，經(jīng)CEEB 碳排放軟件計算分析，相同面積太陽能組件情況下，太陽能光伏方案較其余方案降碳量高200%；②設(shè)置需求方面，太陽能光伏方案可通過并網(wǎng)或獨立系統(tǒng)形式，在滿足自發(fā)自用情況下，還能余電上網(wǎng)，一定程度上為城市用電貢獻；太陽能熱水系統(tǒng)因高層住宅屋頂面積小、住戶數(shù)量多，太陽能光熱系統(tǒng)戶均熱水供應(yīng)量嚴重不足，且容易引起計費糾紛，住宅無集中供暖及供冷需求，故無設(shè)置太陽能的條件；綜合以上各種分析，最終選擇太陽能光伏發(fā)電設(shè)計方案。

圖2 中國水平面太陽輻射資源帶

5.2 光伏電池材料選擇

目前光伏電池主流產(chǎn)品主要為單晶硅電池、多晶硅電池、碲化鎘薄膜電池（CdTe）、砷化薄膜電池（GaAs）四種。本次研究綜合對比光伏轉(zhuǎn)換效率、使用壽命、單價、應(yīng)用場景等四方面，得出最適合項目應(yīng)用的光伏電池。①砷化鎵薄膜電池轉(zhuǎn)化率最高，價格昂貴，難加工，耐高溫，穩(wěn)定性好，適用于空間衛(wèi)星、無人飛行器等，結(jié)合項目類型不采用；②碲化鎘薄膜電池運行轉(zhuǎn)化效率高于非晶硅電池，性能穩(wěn)定、制造成本低，碲稀有、鎘有一定毒性，考慮項目為居住建筑，及環(huán)境質(zhì)量要求較高不采用本類產(chǎn)品；③晶硅太陽能電池主流產(chǎn)品為單晶硅及多晶硅兩種，單晶硅電池轉(zhuǎn)化率較高，但價格較高，硅耗大，而多晶硅電池隨著技術(shù)的不斷成熟進步轉(zhuǎn)化率較高，其價格低，硅耗小，工藝簡單，壽命長。綜合上述分析結(jié)果，擬采用多晶硅太陽能光伏電池。

結(jié)合項目所處緯度為北緯23°，依據(jù)光伏板安裝角度與傾斜面太陽能輻射量曲線數(shù)據(jù)得出，當光伏板傾角為20°-25°時，其獲取的太陽能輻射量最大（約為1000W/m2）；當光伏板傾角為90°（即光伏組件垂直布置）時，其獲取的太陽能輻射量最小（約為350W/m2）。依據(jù)光伏板安裝角度與發(fā)電量曲線數(shù)據(jù)（圖3）得出，當光伏板傾角為15°-20°時，其發(fā)電量損耗最?。s為0%）；當光伏板傾角為90°（即光伏組件垂直布置）時，其發(fā)電量損耗最大（約為45%）（圖3）。經(jīng)上述分析，光伏組件所獲取的太陽輻射量與光伏電池發(fā)電量成正比；當傾角大于20°時，光伏組件傾角角度與發(fā)電量成反比。

圖3 光伏板傾角變化對發(fā)電量影響曲線

根據(jù)不同的太陽能光伏建筑一體化結(jié)合形式：屋頂構(gòu)架式、陽臺構(gòu)架式、光伏玻璃窗結(jié)合式、遮陽結(jié)合式等四種形式，其中，①屋頂構(gòu)架式光伏組件的傾角角度一般為0°-20°，為達到發(fā)電量損耗最低目標值，取值為20°，其發(fā)電量損耗為0；②陽臺構(gòu)架式及光伏玻璃窗結(jié)合式的光伏組件傾角為90°，其發(fā)電量損耗比例為45%，光伏板面積對應(yīng)增加45%；③遮陽結(jié)合式光伏組件傾角為70°-90°，為達到發(fā)電量損耗最低目標值，取值為70°，其發(fā)電量損耗比例為25%，光伏板面積對應(yīng)增加25%。經(jīng)CEEB 軟件模擬計算分析，以設(shè)計建筑碳減排量0.69（kgCO2/m2·a）為目標值，結(jié)合多晶硅光伏電池參數(shù)等，分別計算出不同安裝角度（20°、70°、90°）的光伏面積（125m2、157m2、182m2）。

可再生能源碳減排量需要與屋頂結(jié)合的光伏布置方式受周邊環(huán)境及建筑遮擋較小，占地面積小，光伏發(fā)電量及設(shè)計碳減排量最大。因此項目采用與屋頂結(jié)合的太陽能光伏建筑一體化方案。

5.3 太陽能光伏運行方式選擇

目前市場上光伏發(fā)電供電模式分兩種，一種是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，由太陽能發(fā)電組件、并網(wǎng)逆變器、電度表、避雷針、導(dǎo)線以及空氣開關(guān)所組成；一種是獨立光伏系統(tǒng)，由太陽能發(fā)電組件、導(dǎo)線、控制器、蓄電池、逆變器及負載所組成。作者選擇項目中一棟32 層高層住宅進行多角度定量分析，在同樣的年發(fā)電量15836kWh 條件下，對比兩種運行方式的設(shè)備空間需求、發(fā)電可靠性、初始成本、維護要求等多方面。

經(jīng)分析，①設(shè)備空間需求：并網(wǎng)光伏系統(tǒng)需在電房增加并網(wǎng)設(shè)備，預(yù)留并網(wǎng)電柜及逆變器，電房面積適當加大7m2；獨立光伏系統(tǒng)只需預(yù)留蓄電池的安放，以兩側(cè)靠墻為例，所占用空間約1.4m2。②發(fā)電可靠性：并網(wǎng)光伏系統(tǒng)按照發(fā)多少電用多少電，多余的電能與電網(wǎng)并網(wǎng)后售賣，用戶用電安全可靠有保證；獨立光伏系統(tǒng)因蓄電池的容量有限，發(fā)電量穩(wěn)定性及可靠性難以滿足實際使用。③一次性投入造價：因獨立光伏系統(tǒng)增加產(chǎn)品控制器和蓄電池設(shè)備，而并網(wǎng)光伏系統(tǒng)采用發(fā)多少電用多少電的原則，多余的電能與電網(wǎng)并網(wǎng)后售賣，用戶用電安全可靠有保證，因此造價成本較獨立光伏系統(tǒng)少60%。綜合以上分析，結(jié)合安置房住宅建筑的項目特點，最終采用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。

6 結(jié)論與討論

6.1 研究主要結(jié)論

通過對作為新型能源代表之一的太陽能的介紹引出與太陽能應(yīng)用息息相關(guān)的太陽能光伏建筑一體化（BIPV）技術(shù)的發(fā)展。同時通過夏熱冬暖地區(qū)某住宅建筑項目為例，借助碳排放分析軟件、同類型項目調(diào)研、造價咨詢等手段，提出兩者結(jié)合的太陽能光伏建筑屋面發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及其設(shè)計策略。通過分析和對比研究得出以下結(jié)論：①地理位置與所處環(huán)境的差異是太陽能光伏發(fā)電設(shè)計策略產(chǎn)生影響極其重要。因為作為該體系中最重要的太陽能組件設(shè)計及高效運行對其所在的地理位置與環(huán)境變化極其敏感，不同的緯度以及不同的光環(huán)境分區(qū)決定著該地區(qū)太陽能屋頂系統(tǒng)設(shè)計的安裝角度及方位等的設(shè)計策略；②建筑功能影響太陽能系統(tǒng)類型，在選擇合適的太陽能系統(tǒng)前提需要綜合分析其對建筑使用者的利弊，不同類型的建筑，對太陽能系統(tǒng)的選擇差異較大。

6.2 未來研究展望

研究尚有一定的可提升空間：在方法層面上，主要體現(xiàn)為對CEEB 碳排放數(shù)據(jù)的分析，目前因設(shè)計分析軟件仍處在初始應(yīng)用階段，其碳排放的數(shù)據(jù)量化精確度仍不完善，在未來通過軟件的升級完善以及可結(jié)合多種研究軟件，增加建筑碳減排量化的精度及可操作性。

在內(nèi)容層面上，本研究建筑類型僅為住宅建筑，尚未較全面地分析多種類型建筑中太陽能光伏建筑一體化的應(yīng)用。目前研究基于設(shè)計階段為建筑運行階段雖然其碳排放量占據(jù)全生命周期的70%-80%，但其分析數(shù)據(jù)完整度并不全面，在未來研究可結(jié)合更多類型建筑的碳排放數(shù)據(jù)并結(jié)合更完整的設(shè)計階段（生產(chǎn)、建設(shè)、運輸?shù)入A段）進行分析，以增加減碳數(shù)據(jù)的準確性。