基于太阳能利用的建筑节能技术与温室气体排放量的预测研究

摘要：太阳能利用对调整能源结构、减少二氧化碳排放有着极其重要的意义，是我国可持续发展的重要能源保障。尤其是，太阳能利用可以与建筑相结合这一特点使得太阳能技术表现出其他能源所无法比拟的发展前景。本文介绍了太阳能利用与建筑节能结合的多种技术形式，并通过建立计量经济学模型对我国2020年二氧化碳减排量进行了预测和分析，进一步说明了太阳能利用对于能源安全与环境保护的重要意义。

关键词：太阳能； 二氧化碳排放； 光伏发电； 建筑节能； 预测

中图分类号：X382 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）01-0001-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.01.001

Review on building energy conservation techniques based on solar energy utilization and forecast on greenhouse gas emissions

Qiu Xin

（ Wenzheng College of Soochow University， Suzhou Jiangsu 215104， China）

Abstract： It is well known that the solar energy utilization is a promising approach to reduce the consumption amount of fossil energy and decrease carbon dioxide emissions with the aim to alleviate the pressure of energy. Especially， the solar energy technique can be directly used by combining with building energy conservation， which shows better application prospect than other energy sources. The research status of solar energy and the various techniques of the combination of solar energy and building energy conservation are summarized in the present paper. The models based on the econometrics were established and used to forecast the amount of energy saving and emission reduction in 2020 in this paper. The results furtherly verify the importance of the application of solar energy for energy security and environment protection.

Keywords： Solar energy， Carbon dioxide emissions， Photovoltaic power generation， Building energy conservation， Forecast

自20世紀90年代开始，我国经济步入了高速发展阶段，国内生产总值（GDP）从1999年的8.04万亿元增长到了2014年的63.61万亿元，名义GDP增长了近7倍；绝对居民消费水平从1999年的3143元上升到了2014年的17806元，增加了近5倍。与此同时，我国建筑业也得到了蓬勃发展，全国建筑竣工面积从1999年的73924.94万平方米增长到2014年的423357万平方米[1]，增加了近5倍。值得注意的是，与之相对应的是我国能源消费亦是增长迅猛，一次能源消费总量从1999年的14.06亿吨标煤增加到了2014年的42.60亿吨标煤[2]，比当年的北美洲合计消费总量还要多，约为欧盟消费总量的2倍。庞大的能源消费量带来了庞大的污染物排放量，多年来我国的二氧化碳排放量始终位居全球第一，2016年排放量相当于北美洲的1.44倍（我国当年的一次能源消费总量仅相当于北美洲的1.09倍）。

在如此庞大的能源消费总量中，建筑能耗所一直居高不下，约占社会总能耗的三分之一。面对这一问题，我国提出以提高能源使用效率、降低污染物排放为目标，大力倡导可再生能源的使用，同时确定了建筑节能将是我国长期的重点努力的方向。

1 太阳能技术的优势

与核电、水电、风电以及生物能发电等可再生能源的利用相比，太阳能因其具有安全、无噪声、利用限制小、方便灵活等优点，在近年来得到了显著发展。此外，其他可再生能源的应用基本上都局限于电站发电，而太阳能是唯一可以直接应用于建筑物的可再生能源，且可以多种应用形式与建筑结合，是最适用于建筑节能减排的能源形式，在降低建筑能耗方面有着无可比拟的优势。目前，太阳能在建筑节能方面的应用如图1所示。

图1 太阳能应用于建筑的主要形式图

2 太阳能光热转换技术应用

目前太阳能光热转换技术的应用主要是热水系统，可以分为分散式太阳能热水系统和太阳能热水建筑一体化。据2016年12月国家能源局发布的《太阳能发展“十三五”规划》中2020年我国的“太阳能热利用集热面积达到8亿平方米”以及“因地制宜推广太阳能供热”可知，大力发展太阳能热水系统还将在我国的中长期能源政策中占有重要地位。

2.1 分散式太阳能热水系统

分散式太阳能热水系统（又称太阳能热水器）是太阳能应用于建筑的初级形式，主要为单户家庭提供热水，在太阳能利用方式中技术最为成熟且安装费用较低，目前在我国的应用非常广泛、城市农村里随处可见，是极为适合我国国情的建筑节能减排方式。据统计，2000年至2014年间我国太阳能热水器年增长率始终保持在15%以上，尤其是2012年和2014年的年增长率更是达到了30%以上，太阳能热水器的生产量和保有量居世界第一位。如果按一平方米年可替代标准煤120公斤计算，2014年太阳能热水器年可替代能源消费量甚至略高于当年菲律宾的一次能源消费总量。以上数据显示，太阳能热水器在我国的节能减排中发挥了极大作用。

2.2 太阳能热水建筑一体化

太阳能热水建筑一体化是将太阳能热水系统中的集热器与建筑进行结合的一种建筑节能技术。这种方式与传统的太阳能热水器相比，不会对建筑产生损坏，整体更为美观，且适用于包括高层建筑在内的所有建筑。根据集热器与建筑物结合的程度，可以分为附加型和建材型。前者是将集热器用装配件安装到建筑物上，建筑物起支承作用，可以进行大规模生产，成本较低；后者将集热器建材化，是“真正的”太阳能热水建筑一体化，但因需要根据具体情况与设计要求進行结构与制造、不适合大批量生产[3]。

3 太阳能光电转换技术应用

太阳能发电有光伏发电和光热发电两种，因目前光热发电在太阳能发电中所占比例极小且无法直接应用于建筑节能，本文不做介绍。

我们目前所说的太阳能发电多指光伏发电，其原理是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种太阳能发电技术。我国对于光伏发电的应用从20世纪70年代的空间应用开始，逐渐向通信和工业应用、无电地区应用、光伏产品和分散利用、与建筑结合的分布式发电以及大型并网光伏电站等多种应用方向拓展[4]。

2005年，我国累计光伏装机容量仅为68MW、约占世界总容量的1.6%[2]。从2009年初开始，伴随着《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》等多种国家级鼓励政策与补贴的陆续出台，我国的光伏发电迎来了高速发展期。2009年初至2015年底，我国累计装机容量增加了二百多倍，年平均增长率近120%，最高增长率为2011年的317.6%。2015年底我国的累计光伏装机容量达到43530MW[2]、占据全球光伏装机容量的约20%，成为全球光伏发电装机容量最多的国家。

光伏发电与建筑的结合免去了电力的长距离输送、节省了长期大量的人力物力投入，比如对于远离电网的较为偏远的西部地区或是其他地区农村山区，光伏发电更容易解决当地的用电难题，对我国人口密度较大的中部与东南部地区，用电量最大的是夏季，此时太阳光照条件是全年最好的时候，光伏建筑一体化为解决用电难题提供了很好的解决思路。且光伏建筑产生的电能除可自用外，也可将多余电量通过并网出售，同时当因天气原因造成的发电量不足时又可以正常方式从电网中购买、灵活方便。

光伏发电与建筑的结合形式主要有BAPV（Building Attached Photovoltaic）与BIPV（Building Integrated Photovoltaic）两种。其中，BAPV是附着在建筑物上的太阳能光伏发电系统，又称 “安装型”光伏建筑。BIPV则是太阳能发电系统成为建筑物不可分割的一部分（例如光伏屋顶、光伏幕墙），又称“建材型”或“构件型”光伏建筑，是真正的建筑光伏一体化。

4 光伏光热建筑一体化

太阳能光伏光热建筑一体化又称BIPV/T（Building Integrated Photovoltaic/Thermal），是在“建材型”光伏建筑的基础上，通过在光伏组件背面使用水冷或风冷的方式为组件降温的方式，在光伏系统发电的同时为建筑提供热水或供暖，是“零能耗建筑”的技术保障。光伏组件在工作时会放出极大的热量，这些热量将导致太阳能光伏组件的发电效率随组件温度升高而降低。BIPV/T不但解决了这个问题、改善了BIPV的发电效率，同时还以水或空气为吸热介质将这些热量进行收集，为建筑提供热水或用来改善室内热环境，极大提高了太阳能的利用效率。

BIPV/T目前尚处于研究试验阶段，建筑本身与光伏、光热设备的使用寿命间的较大差异造成的设备更换、光伏和光热系统的规划与建筑之间的协调与设计等难题也须得到解决[5]。

5 太阳能利用与温室气体减排量预测

近年来，我国的二氧化碳排放量一直高居世界第一位，这与我国经济的飞速发展分不开，同时也是由于我国的以化石能源为主的能源结构决定的。为了抑制逐年增加的二氧化碳排放量，缓解其对环境的不利影响，多年来我国一直着力于调整能源结构、提倡可再生能源的使用。我国政府公布的二氧化碳减排目标为：到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放将分别比2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消费的比重达到15%[6]。

本文利用2005年至2015年间的太阳能光电与光热转换数据建立计量经济学模型，对2020年二氧化碳排放量进行预测，具体模型结构如图2所示。

从图2可以看出，为了获得单位国内生产总值二氧化碳排放（即CO2/GDP）的预测值，最重要的是对二氧化碳总排放量的进行有效预测。二氧化碳总排放量的多少取决于化石能源消费量和化石能源的消费方式，由图2的层层推导可得到函数式：CO2排放量= f（一次能源中化石能源消费量fuel，可再生能源发电比例raren），由此利用Excel软件建立多元线性回归方程，拟合结果如表1所示：

此外，为了更好地反应太阳能利用对我国节能减排的意义，我们还建立了“太阳能利用节约化石能源量与二氧化碳减排量计算模型”，结构如图3所示。

图3 太阳能利用节约化石能源量与二氧化碳减排量计算模型结构图

通过上述两个模型，可以得到2020年单位国内生产总值（GDP）二氧化碳排放值和太阳能利用年可替代标准煤以及由此得到的二氧化碳减排量，预测结果与相关设定见表2。

通过预测并结合表2中的分析结果，可以看出，2020年我国二氧化碳排放量约为10261.27百万吨，单位GDP二氧化碳排放值为1.09吨/万元，与2015年1.33吨/万元相比，下降了18.3%，完全可以完成我国2020年的二氧化碳减排目标。此外，2020年可再生能源发电比例达到28.84%，化石能源发电比例进一步下降；2020年太阳能利用年可替代标煤12637万吨，相较于2015年6505.82万吨，增加了近一倍，与2015年阿根廷一个国家的一次能源消费总量基本持平；由于太阳能利用，2020年二氧化碳减排量达到31045万吨，约为当年我国总排放量的1/33。以上数据说明，我国的能源结构调整、可再生能源的广泛利用尤其是太阳能这种最为灵活的可再生能源的进一步推广对我国的污染物排放是否达标起到决定性作用。

6 结语

通过本文中的分析与计算，可知未来我国太阳能利用的高速发展期还将延续，尤其是与建筑相结合的发展方向大有可为。我国幅员辽阔、人口众多，且随着经济发展、商用、住宅面积增长迅速，太阳能在建筑中的利用有利于缓解建筑能耗过高、能源紧张以及污染物排放等日益严重的能源与环境问题，是零能耗建筑的发展方向。太阳能热水系统方面伴随着分散式太阳能热水系统保有量的继续增长，太阳能热水建筑一体化技术的发展将填补日益增多的高層建筑、商用建筑以及热水需求量极大的高校宿舍等不适应分散式太阳能热水系统的安装空白；太阳能发电方面随着建筑光伏一体化技术应用的推进，我国现有的建筑物进行BAPV改造有着极其广阔的市场，BIPV与BIPV/T的技术进步也将逐渐解决现存问题、加快其产业化步伐。政策方面，国家能源局于2016年12月公布的《太阳能发展“十三五”规划》中，明确提出“大力推进屋顶分布式光伏发电”为“十三五”期间的重点任务。有了市场的需要以及政策的引导，太阳能建筑将从低层次的太阳能利用有层次地逐渐向高水平的太阳能建筑一体化进行转变，是未来太阳能利用以及绿色建筑的发展方向。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2016[J].北京：中国统计出版社，2016.

[2] BP Statistical Review of World Energy June 2015/2017[DB/OL]. https：//www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics.html

[3] 孙李媛，王歆，成昊，罗成龙.太阳能热水建筑一体化技术的发展和研究[J].能源研究与管理，2015，（2）：19-24.

[4] 钟史明.太阳能资源、光伏发电现状与预测[J]. 沈阳工程学院学报（ 自然科学版），2012，8（4）：294-299，317.

[5] 安文韬，刘彦丰.太阳能光伏光热建筑一体化系统的研究[J]. 应用能源技术，2007，（11）：33-35，39.

[6] 国家发改委，国家能源局.能源发展“十三五”规划[EB/OL].

http：//www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201701/t20170117_835278.html

[7] 中国太阳能热水器行业发展监测分析与市场前景预测报告（2015-2020年）[R]. 中国产业调研网.

[8] 国家能源局.太阳能发展“十三五”规划[EB/OL]. http：//ghs.ndrc.gov.cn/ghwb/gjjgh/201708/t20170809_857321.html

[9] 古丽娜·卡米力，李志东. 中国风力发电中长期展望的计量经济模型[J]. 可再生能源，2012，（10）：108-114.

收稿日期：2018-01-02

作者简介：裘欣（1981-），女，硕士，助教，研究方向为可再生能源利用与节能减排。