光伏在欧洲建筑节能中的应用

季媛媛，管永丽（东南大学 电气工程学院，南京 210096）

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光伏在欧洲建筑节能中的应用

季媛媛，管永丽
（东南大学 电气工程学院，南京 210096）

太阳能是清洁的可再生能源，将光伏技术应用于建筑领域能降低建筑能耗甚至实现零能耗。分析了光伏技术应用于建筑领域的重要性和可行性，介绍了光伏在欧洲的发展前景和建筑节能上的发展前景，对比分析了光伏建筑一体化和非一体化的案例，最后介绍了西班牙背景下的3种类型住宅：独立式住宅、半独立住宅和多住户住宅的能源效率，进行了节能效果的分析。结果表明，光伏建筑值得大力推广和发展。

光伏；建筑节能；欧洲；建筑能耗

建筑领域的能源消耗和二氧化碳排放量快速增长使得提高能源效率成为不同国家的优先目标，不少国家已经在开发新的建筑法规和认证制度来最大限度的降低能源消耗。2015年，欧盟通过EPBD指出，到2020年底所有新建筑应该是“接近零能耗建筑”，即具有非常高的能源效率并可通过可再生能源来满足建筑物的能源需求。

对于建筑节能，太阳能是最明显最清洁的能源之一。目前光伏应用于建筑节能的手段主要有2个，BAPV和BIPV。BAPV（Building attached photovoltaic，光伏依附于建筑）是指太阳能光伏发电系统附着在建筑物上，是一种安装型的太阳能光伏建筑。它的主要功能是发电，与原有的建筑物功能不发生冲突，也不会改变原有建筑的功能。

BIPV（即光伏建筑一体化）是应用太阳能发电的一种新的概念，比较常用的是光伏方阵与建筑的结合，即将光伏方阵依附于建筑物上。建筑物都需要对空气温度进行调节，而采用空调、燃煤等方式不仅会给外界带来污染，而且也会消耗巨大的能量。光伏建筑一体化一方面可以由太阳能对室温进行一部分调节，另一方面也可以为建筑物提供能量，从而减少对电力系统的依赖性。由于光伏组件是建筑的一部分，不同于BAPV，光伏组件应避免太大的影响建筑物的功能，也可以在一定程度上成为一种新的外观设计元素。

1 光伏在欧洲的发展与前景

1.1 光伏在欧洲的发展

1990年，欧盟提出了到2020年要实现减少20%的温室气体的排放；可再生能源提供20%的能源；在成员国的能源效率的提高下，减少欧盟的20%的能源消耗。2009年EPIA（European photovoltaic industry association，欧洲光伏产业协会）提出了3种发展模式：基本发展模式、加速发展模式和理想发展模式。到2020年，按照不同的发展模式的光伏总装机容量分别为100 GW、200 GW和400 GW，分别占电力需求的4%、6%和12%。

近年，因为光伏产业的快速发展的和光伏成本的不断降低，世界各地对太阳能光伏能量的利用将来急剧增加，在欧盟27个国家产生的光伏能量的总量在2010为22.5亿kWh，比2009年增加60.1%。欧洲太阳能市场在2008年至2011年间进展迅速：与2008年相比，2011年的总装机容量是其4倍，在3年内增加了42.404 MW装机容量。太阳能市场在2012到2013年间有所减少，累计容量在2011至2014之间增长了65%，与上一个3年相比，装机容量的增长减少了9 MW。

这种下降主要是由于几个国家（例如：比利时，西班牙和德国等）公共政策的演变。只有2个国家（法国和英国）在2014年有显著高于2008年的年装机容量。尤其是英国市场，自2011年以来，成倍增长，与德国和意大利一起成为欧洲太阳能市场的主要动力之一。造成这种增长的主要因素是其在2010年4月引进了一个上网电价方案。

1.2 光伏在欧洲建筑节能上的发展前景

虽然有几个国家由于政策的变化导致装机容量减小，但是光伏产业的发展无论是对能源节约还是经济增长都有很重要的作用。毫无疑问，太阳能光伏将是实现这一宏伟而重要目标的关键技术。2012年欧洲建筑能效指导政策提出，欧盟所有成员国的新建筑到2020年都将实现接近零的能源消耗，欧盟成员国都需要贯彻执行这一政策，而太阳能无疑是达到建筑零消耗的最佳选择。

在欧洲，很多建筑物都安装了太阳能发电装置。40%的建筑屋顶和15%的建筑外墙可安装光伏板，总面积高达2.2万km2。仅靠安装在这些建筑物上的光伏电池板，每年就可产生高达1.4万亿kWh的电量。根据EPIA最新数据显示，到2020年为止，通过在建筑物上安装太阳能电池板，大约可以供给欧洲4成的用电。

2 光伏在欧洲建筑节能的应用

2.1 欧洲光伏建筑非一体化案例

（1）独立别墅

对于某一栋独立的钢筋混凝土框架结构的别墅建筑，采用的太阳能设计方案为：南面的外墙采用透明玻璃材质的设计，这样在冬季可以尽可能的利用太阳辐射的热量来调节该建筑的空气温度，在别墅的屋顶上设置了22组单晶硅光伏电板和10组太阳能空调系统。在采暖期，太阳能光伏板的发电主要用于该建筑的地源热泵系统；在非采暖期，发电量可并入电网系统。

（2）坡地别墅

坡地别墅建筑主要是指建在山地的别墅，一般这种建筑的设计分为上下2层。根据这个特点，设计方案为：下层采用较为封闭的设计，将其用作客厅和卧室；上层采用全透明设计，将其用作厨房和餐厅。整个建筑采用外围护结构节能设计，外窗玻璃材质采用充入氩气的三玻两腔式玻璃，其传热系数0.7 W/（m2·K），而上层透明玻璃采用Low-E镀膜玻璃。

（3）集合式住宅

对于某一栋集合式钢筋混凝土框架结构住宅，设计方案如下：建筑外墙采用轻型的木框填充墙；有20组太阳能空调系统吸附在面向南面的外墙上，总面积达54 m2；南面和西面外墙上设有多晶硅光伏电板，总面积达78 m2；屋顶设置有87 m2的多晶硅光伏电板，且与屋顶平面呈30°夹角。建筑光伏系统发电所产生的电能既可满足建筑照明和家电的用电需求，也可以将多余的电能并入电网系统。

2.2 欧洲太阳能10项全能竞赛

2010年6月7日至7月21日，为了探索太阳能技术与建筑节能技术的创新模式，西班牙政府举办了“太阳能10项全能竞赛”。竞赛要求参赛队伍设计的建筑内装上烹饪用具、冰箱、洗衣机、电视机等日常生活必需的家电，并保证3—6名人员在建筑内可以正常生活，建筑物所需的能量都必须全部来源于太阳能。

这次竞赛的第一名获得者是来自美国弗吉尼亚理工学院的VGN团队。该团队设计的光伏阵列可以根据不同季节太阳高度角调整光伏板到最适合的角度。光伏阵列共安装了45块单晶硅电池，基于杠杆原理采用液压缸来调节阵列角度。通过调节光伏阵列在不同季节的角度，该团队设计的光伏装置可增加年发电量达15%～20%。而且，VGN团队还在建筑的南面巧妙地利用了光伏遮阳，电池组件的装置及布局都实现了与建筑完美的一体化。

除了VGN团队的设计外，该10项全能竞赛还集成了很多光伏建筑一体化的新技术，比如：天台可以自然采光，屋顶采用半透明光伏组件；传统的瓷砖材料上搭载微晶和能够捕获各种波长光的非晶硅双层结构；通过计算将光伏组件集成在建筑屋顶和外墙，从而实现与建筑热量系统结合；通过对光伏组件的独立设计，使其部分成为建筑物的装饰，塑造建筑物屋顶的曲线轮廓等。这些技术或者方案都是值得借鉴学习的，在某种程度上极大的推动了欧洲乃至世界各国光伏建筑一体化的发展。

3 光伏建筑的节能效果

3.1 光伏建筑能量计算流程

对于住宅建筑，最常见有3种类型：独立式住宅、半独立住宅和多住户住宅。西班牙的学者罗莎莉帕切科塔等人使用仿真软件Energy Plus研究了这3种类型住宅能源效率，对光伏应用于这3种住宅后的节能效果进行了评估，工作流程如图1所示。

（1）获取住宅的基本信息

对住宅建筑进行宏观统计和住宅特征的提取，确定所要设计的建筑的类型，获得住宅的基本信息：表面积、房间分布图、热区以及使用的建材等。

（2）计算住宅能源需求

根据住宅的基本信息，考虑住宅所在地的气候条件、电器功率和使用时间分布以及住宅房间热气流的标准值，计算建筑每平方米的能源需求。

图1 光伏建筑能量计算流程

（3）计算光伏太阳能

对住宅进行光伏设计，确定光伏太阳能板的安装方案，并根据使用的光伏太阳能板的性能和住宅所在地的地理位置等信息，计算光伏太阳能产生的能量。

（4）评估光伏建筑的节能效果

根据所计算的能源需求和光伏太阳能产生的能量，得到光伏建筑设计的能源效率，评估光伏建筑的节能效果。

3.2 能源需求的计算

罗莎莉帕切科塔等人使用Energy Plus进行能量分析和热负荷模拟。根据加热和冷却以及电力系统的响应，通过每小时的天气数据来计算热负荷，并量化为能量消耗。

该仿真以安达卢西亚（西班牙）区域统计的数据为基础，光伏面板覆盖面为住宅建筑屋顶和50%的南面外墙。综合考虑住宅建筑内每一个热区的面积和人均占有率的值、照明安装电源，人工照明光源和设备安装功率以及住宅通风。使用Energy Plus动态过程从各种要素获得的热量考虑，如：人员，照明和电器，并给这些内部的源分配一个热增益率。该仿真需要在已知每个热区照明和电器的使用时间表的基础之上，这些时间表不仅用来估算该住宅内所产生的热气流，而且用于计算照明系统和电器电力消耗。图2分别显示出了卧室和客厅的人员、照明以及家电作为热源的负载工作模式时间表。

3.3 光伏太阳能计算

罗莎莉帕切科塔等人计算安装光伏太阳能在建筑物屋顶上和50%的南面外墙所产生的能量，且使用单晶光伏电池板。表1显示出了在标准测试条件之下的单晶光电板的性能。

表1 单晶光伏面板的属性面板类型

图2 卧室和客厅内部负载模式

光伏太阳能的计算公式

式中：Ep是由系统每天产生的能量，kWh；Gdm（α，β）是太阳能发电机上每天每平方米的太阳照射的平均值，kWh；Pmp是在标准测试条件下发电机峰值功率，kWh；PR是性能比；GCEM是一个转换因子，等于1 kW/m2。倾斜角 β相当于太阳能面板和水平面之间的角度，取值范围是0°～90°。最佳的倾斜βopt=ϕ-10，其中ϕ是住宅位置的纬度。方位角角度α是投影到由模块表面形成的垂直平面和位置的子午线之间的角度，取值范围是-90°～90°。考虑太阳辐射损失虑为12%。基于每个建筑物的屋顶表面计算太阳能电池组件的总数，面板之间的距离d满足式（2）

式中：h为最佳倾斜时面板的高度值。

3.4 节能效果的评估

表2显示了安装了光伏系统的独立住宅（1栋）和半独立住宅（1—10栋）的能量平衡。可见，对于相同的总的有用表面积，独立住宅比半独立住宅生产光伏能源的效率更高，但是独立住宅对能量的需求也更高，这主要是因为独立住宅外墙的比例较大，每面较高的热需求使得热损失也较高。独立式住宅的能量需求的21.64%可由屋顶上的太阳能电池板产生的能量提供。在半独立式房屋的情况下，这一比例随着连排的住宅数的增加可从22.46%上升到26.67%。

表2 独立和半独立单户住宅的能源需求、光伏发电量的和光伏系统提供的能源需求占比

图3和图4分别显示了安装了光伏系统的2种多住户住宅的总能量需求和光伏可提供的能量。蓝色条代表建筑可用表面每平方米的年能源需求，红色线表示可通过光伏系统来满足这种需求的能量。可见，一个有25户住户且只有一层楼的住宅，光伏发电可以满足高达74%的建筑物的能源需求，但是这样的模式几乎没有，多住户住宅大多是高层建筑，生产太阳能相比于需求量很小。多住户住宅一般选择3层，屋顶和外墙的光伏太阳能的发电能满足总量的25%的能源需求。

4 结束语

本文介绍了光伏在欧洲的发展和建筑节能上的发展前景，具体介绍了光伏技术在建筑中的应用。光伏技术应用于建筑有助于建筑最终的能源需求的减少和碳排放的减少，与欧洲联盟政府的目的以及环保协会是完全一致的。因此，为福祉我们人类，未来的研究应多侧重于建筑材料的影响，如：玻璃窗绝缘质量和框架。此外，应考虑较低的窗户导热系数，如：低辐射玻璃涂层或窗口气隙充氩气。

图3 5住户住宅的总能源需求和光伏可提供的能量比例

图4 25住户住宅的总能源需求和光伏可提供的能量比例

［1］ Joara Cronemberger，Monica Almagro Corpas，Isabel Cerón.BIPV technology application：Highlighting advances，tendenciesand solutions through Solar Decathlon Europe houses［J］.EnergyandBuilding，2014，83：44-56.

［2］ Solar Power Europe.Solar Photovoltaics Jobs&Value Added in Europe［R/OL］.http：//www.solarpowereurope.org/insights/national-pv-market-overviews/

［3］ Rosalía Pacheco-Torres，Mónica López-Alonso，Germán Martínez.Efficient design of residential buildings geometry to optimizephotovoltaic energy generation and energy demand in a warmMediterranean climate［J］.Energy Efficiency，2015（8）：65-84.

（本栏责任编辑 孙 晶）

Applications of photovoltaic in building energy efficiency in Europe

JI Yuan⁃yuan，GUAN Yong⁃li
（Southeast University，Nanjing 210096，China）

Solar energy is clean and renewable energy.Photovoltaic technology applied to the construction sector can reduce energy consumption even zero energy consumption.This paper analyzed the importance and feasibility of photovoltaic technology construction applied to the construction sector.This paper described photovoltaic development prospects in Europe and development prospects of energy-efficient buildings.The integrated and non-integrated photovoltaic building cases were compared and analyzed.Finally，the paper introduced energy efficiency of the three types of housing in Spanish and analyzed the effect of energy saving，which were detached houses，semi-detached houses and multi-dwelling houses.The results showed that the photovoltaic building is worth of promoting and developing.

photovoltaic；building energy efficiency；Europe；building energy consumption

季媛媛（1992），女，江苏南通人，硕士研究生，研究方向为电力系统配电网故障选线技术；管永丽（1992），女，江苏南通人，硕士研究生，研究方向为电力系统输电线路故障测距技术。

F416.61；TK018

C

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.04.014

2016-06-01