高层建筑一体化光伏（BIPV）在绿建初期工作中需要注意的 若干问题

罗宇宏

摘要：本文通过回顾影响BIPV能效的两大因素：太阳辐射量以及BIPV运行工况。以此为出发点，逐个介绍了影响上述两大因素的环境变量，并且依次分析了这些变量的计算方法。在此基础上，本文分析了这些变量在BIPV初步设计和优化阶段的重要程度，并按照重要程度和复杂程度对这些变量按照必须计算，必须考虑和不需要考虑三个层级进行了归纳总结。此外，除了面向设计以外，本文还介绍了BIPV项目业主最为关注，同时也是实际工作中最容易引发业主和绿建咨询方/设计方矛盾的因素：BIPV的经济效益。本文通过介绍BIPV全寿命周期内经济效益的简单计算方法，为今后的BIPV项目快速估算经济效益提供了数学基础。

关键词：BIPV，太阳辐射，阴影遮挡，风环境，经济，计算

1研究背景

首先需要明确BIPV与BAPV的区别。BAPV （Building Attached Photovoltaics）指另行安装的，附着在建筑上的光伏发电技术，要求不影响建筑本身的功能。BIPV（Building Integrated Photovoltaics）特指与建筑本身集成一体的光伏技术。BIPV的表现方式多种多样，可以与屋顶，外墙，外窗以及外遮阳等集成一体。BIPV本身应当构建与建筑围护结构或建筑材料在建筑设计，结构设计以及多功能性与可持续能源的共生关系【1】。因此，BIPV不仅应当作为一种可再生能源的来源，而是在提供清洁能源的同时，为住户提供遮风，挡雨，隔热，遮光，隔声以及隔绝电磁辐射等作用【2】。

BIPV在我国具有成熟的运用经验以及广阔的市场前景，正处于高速发展，且急需产业结构调整的节点。国家发改委《太阳能发展“十三五”规划》一文指出，我国从2010年到2015年，光伏累计装机从86万千瓦增长到4318万千万，仅2015年一年，我国光伏新增装机1513万千瓦。而根据《光电建筑发展“十三五”规划纲要》，到2020年，建筑光伏系统将占全国分布式据光伏装机量的70%，总装机量的30%。

与此同时，光伏行业依旧存在许多问题，《太阳能发展“十三五”规划》指出了我国光伏发展具有成本高，输配难，国际贸易壁垒，产业升级慢等问题。故在2017至2019年初，我国光伏装机量增速骤降，甚至低于2015年水平。因此现在正是优化产业结构，从粗放发展转向精细化专业设计的最佳时机。

另一方面，随着我国城市化进程的加快，城市土地，特别是市区中心土地紧缺的问题日趋严重。高层以及超高层建筑具有节约土地，缩短公用设施和市政管网的开发周期，从而减少市政投资，加快城市建设等优点。为了把BIPV和高层建筑有机结合起来，我国财政部，住建部从2008年开始，重点鼓励与建筑，特别是与高层建筑一体化的太阳能供热，太阳能光电转换技术。近年来，为加快落实政策到位，全国各地，如山东，宁波，河北等，均开始进行高层建筑一体化光伏项目的示范管理和鼓励。例如山东省政府在《山东加强可再生能源建筑应用示范管理》（2015）一文中，明确了“鼓励和支持高层建筑太阳能光热系统、太阳能中高温、太阳能与热泵复合系统供暖制冷等技术应用”。由此可见，未来一段时间内，高层建筑上的BIPV必将成为可再生能源运用的新热门领域。

2研究目的

本文旨在為绿建工作中快速的评估新建高层建筑上建筑一体化光伏（BIPV）的能效和经济效益提供一种简单快捷的分析方法，利于在项目初期确定可再生能源，特别是太阳能的使用方向。通过回顾几个影响BIPV能效的关键因素，以及国外同行在BIPV设计和使用过程中的研究成果与发现的问题，概括并且量化这些关键因素的计算方法，不仅可以大体评估出BIPV对于项目的可行性，同时也可以进行一定的优化设计。利用初步优化的结果，BIPV设计能够参与到土建项目的整体进程中，避免设计缺陷导致的影响美学，日照，风环境以及室内热环境的不良结果。也可以避免能源，资源的浪费。同时，作者希望以此文抛砖引玉，引发同行和业界的探讨，进一步促进BIPV产业的专业化与精细化，为促进我国光伏技术，能源技术发展贡献自己的力量。

3影响BIPV性能的要素分析

整体来说，影响BIPV性能的外界因素主要有：入射的太阳辐射量与光伏工况（主要是光伏模组的温度）。本章将讨论朝向，倾角，所处纬度，日照晴空系数（insolation clearness index）以及地面反射率对BIPV性能的影响。其中光伏板朝向，倾角和所处纬度互相关联，而日照晴空参数与地面反射率则取决于项目实际所处地理位置。

最后，本章会讨论为何不将阴影遮挡这一因素纳入BIPV的初步优化。

3.1太阳辐射量

Duffie 与 Beckman经过实验与理论分析，给出了对于一个无遮挡，有倾角的平面的太阳辐射构成【3】：

利用上述公式，可求得全年任意时刻一小时的单位面积辐射总量。上述公式及其变体和简化，被此后的中外学者及行业广泛运用各项研究及模拟软件中，可以认为是迄今为止运用最为广泛，学界和业界接受程度最高的太阳辐射计算公式【4】【5】【6】。

从该公式中，可以看出，除太阳为止外，影响一个无遮挡倾斜面上太阳辐射的因素包括。朝向，倾角，所处纬度，日照晴空系数（insolation clearness index）以及地面反射率。对于高层建筑来说，可用面积最大的平面毫无疑问是外墙面。考虑到高层以及超高层建筑外立面设计通常以垂直面为主，因此在初期估算中，可简单的将倾角β认定为90度。

3.2纬度与朝向

为了探寻纬度与朝向对太阳辐射量的影响，运用EXCEL和VBA，选取每月1日和15日，可大体计算出不同纬度下垂直单位平面全年的太阳辐射总量，如下图所示：

从本图中可以得出一个有趣的结论。既有应用中，我国大多数固定PV均指向赤道，以期获得全年最大的太阳辐射量，该观念也为众多研究所接受【7】。然而上图结果显示出另一个结果，即对于低纬度地区（0o至30o），运用在高层建筑外墙上的BIPV，东西朝向相较于南向，可获得更高的全年太阳辐射总量。因此在项目设计中，可以不必拘泥于南向，大胆选择东西朝向。特别是西向，不论是我国传统观念还是实际设计，因为午后日晒的缘故，西向通常是开窗较少的一个朝向。在西向上运用BIPV，不仅可以充分利用空白墙体，也可以将BIPV作为外遮阳，减少午后日晒对室内热舒适环境的影响。纵观我国地图，北纬30度以南的省份包括海南，云南，广西，广东，贵州，四川，福建乃至浙江大部等。图1的计算结果，相信可以为这些地区将来BIPV的运用指出一个新的研究方向。

3.3日照晴空系数（Kt）与地面反射率 ρg

日照晴空系数与地面反射率这两个参数，是仅与项目所在地有关的气象学参数。日照晴空系数这一概念虽然早在1960年就提出，但随着航天技术，大气遥感技术的发展，这个概念被扩展和补充。NASA在2015重新定义为“到达地表的太阳辐射与在到达大气层顶的太阳辐射之比” 【8】，用以表示穿透大气层的太阳辐射的比例。考虑到大气层时刻变化，辐射透过量也在时刻变化，通常来说，在实际应用中以月平均值来计算某一时刻的太阳辐射量。

地面反射率定义为地表反射的太阳辐射量与到达地表的太阳辐射量的比值，该参数与地面材质，光滑程度，空气和地面温湿度等因素有关。

分别赋予两个固定且常见的Kt值0.3以及ρg值0.3，对于一个南朝向的垂直面，全年太阳辐射总量与ρg以及Kt的关系如下两图所示：

两图对比可以看出，全年太阳辐射总量的变化随日照晴空系数的变化远比随地表反射率变化要大。因此在BIPV的初设阶段，更应当注意日照晴空系数的准确度。

日照晴空系数有多种来源，下面列举三个过程由繁至简的例子。

其一是中国气象局气象信息中心气象资料室出版的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，本书光盘附带的软件中可以提取全国270个气象站任意一个的数据记录，其中包括全年逐时以及逐月水平面总辐射强度以及水平面散射辐射强度。结合上文公式，可以算出当月平均的日照晴空系数。

另外，对于运用于高层建筑，特别是垂直墙面上的BIPV，本书直接提供了东、南、西、北四个朝向垂直面的太阳总辐射强度。直接引用这些数据，在保证数据精度的同时，可以大大减少计算工作量。

另一种方式是利用商业模拟软件。例如业界广泛采用的光伏发电模拟软件PVsyst，目前最新的版本（V6.79）中包括了全中国90个城市的气象数据，直接收录了这些城市逐月的日照晴空系數值。该软件有一个月的免费试用期，对获取气象数据来说完全够用。

最后一个例子是充分利用各类文献中提供的简化模型。例如刘大龙等人的研究【9】，将全国各省按全年平均日照晴空系数分为9个太阳辐射分区，并且列出了9个分区具体的全年平均日照晴空系数值。在BIPV设计时可以将项目所在省份的全年平均日照晴空系数大致等同于项目所在地的日照晴空系数进行设计。概因目前我国BIPV设计绝大多数仍采用并网模式，并不要求BIPV满足项目全部用电负荷，因此BIPV发电量不足的部分可由国家电网补充。因此BIPV设计时更多考虑全年整体发电量，而非特定时间段的发电量。因此使用全年平均的日照晴空系数，在整体计算精度上也可以接受。

3.4阴影遮挡对BIPV性能的影响

显而易见，阴影遮挡对BIPV的性能有显著的影响。Duffie & Beckman 的书中根据大量实验和计算总结出了任一受阴影遮挡影响的斜面的太阳辐射总量公式：

其中fi是不受遮挡的区域与总区域面积的比值，Fr-s与Fr-g分别是遮挡阴影减少的对天空和地面的可见系数（view factor）。诚然，任何时刻，所有遮挡物和遮挡阴影面积均可以通过三角函数与立体几何知识计算出，所用公式也不涉及高等数学。但是逐时计算阴影面积的工作量极大，Duffie & Beckman直接使用了‘tedious（沉闷的，冗长乏味的）一词来描述阴影遮挡影响的计算。因此在BIPV的初步设计阶段，只建议设计中注意遮挡带来的影响，尽量选取遮挡少的朝向，但不建议把阴影遮挡进行量化计算。

本节简单回顾了建筑表面，特别是垂直表面全年可用太阳辐射量的计算方法，并根据太阳辐射量的计算公式分析了影响其数值的几个变量，并且在分析过程中，本节逐一梳理了这些变量的计算方法以及查找方法。利用这些方法，可以较为快速准确的计算出建筑单一或多个朝向表面的全年可用辐射量。再结合目前常见的光伏系统整体发电效率（10%～15%），能够大体估算出本项目全年光伏发电量。对不同朝向进行反复计算，再结合本项目预估能耗，即可在项目初设阶段对本项目BIPV发电能耗占比有一个较为清晰的认识。并且可以将BIPV需要的面积和朝向尽早提供给建筑专业和业主，有利于后续建筑设计以及项目决策。

4在BIPV设计中另外需要考虑的两个要素

4.1建筑周边风速对光伏光电转化效率的影响

除了太阳辐射量以外，光伏板的表面和背板温度也严重影响光伏的发电效率。下图是某型号光伏板在不同工作温度下的输出功率-电压（P-V）关系图。

本图清晰的描述了不同温度下光伏板的效率变化，清楚地描述了光伏光电转化效率随温度升高而降低的事实。国外一些实验表明，光伏板温度每升高1开尔文，光伏板的输出功率和光电转化效率就会分别降低0.65%和0.08% 【11】。因此降低光伏组件的运行温度成了固定太阳辐射量下提升光伏效率最简单的方法。

对于绝大部分BIPV，特别是运用于高层建筑上的BIPV来说，利用自然风的空气冷却可以说是唯一可行的冷却方式。国外大量研究表明，光伏表面附近的风速，无论风向如何，都对光伏的温度有巨大影响。例如一项针对塞浦路斯几处BIPV的实地调查表明，风速对光伏整体温度的影响可高达40℃以上【12】， 如下图所示：

这项调查也被一项风洞测试所证明【13】，这项风洞测试表明，不论风向如何改变，在大约5 m/s 的外界风影响下，光伏整体温度相较于完全无风的环境，可降低25～30℃。然而建筑表面的风速，由于其流体力学特性，在不利用计算流体力学（CFD）等模拟工具的情况下，很难正确预测。下图是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室给出的典型建筑周边风流场示意图，清晰地指出建筑周围风流场的复杂性。

因此，基于快速设计，初步优化的目标，在BIPV的初期阶段，不建议将建筑表面风速考虑进去。作为替代，可以用简单的CFD模拟，或依据经验，又或现场实地测量，对建筑周遭的风环境做出评估，并将其运用在BIPV的设计中。

4.2BIPV的经济回报计算

对于一个BIPV项目来说，绿建咨询方更注重全年发电量，但是，作为项目业主，显然会更加注意BIPV的经济效益。因此作为绿建咨询顾问，应当能今早的将BIPV相關的经济回报数据和相关图表呈递业主，作为项目决策的依据。同时，绿建咨询顾问自己也应当清楚BIPV项目的相关经济信息，理解项目的收益和风险。

所幸，BIPV的经济回报并不复杂。可以用简单的 净收入=总收入-支出 公式来表示BIPV的经济收益。这种方式避免了传统的节能收益计算必须考虑建筑本身全年能耗这样一个复杂数据的问题。将计算涉及的尺度缩小，变量总数减少的同时各变量的复杂程度也在减轻。

这个公式引入了一个新的变量——折损率t。由于光伏板表面污染，设备老化等因素，BIPV的全年发电量在BIPV的全生命周期内随时间增长而减少。折损，或者说设备损耗对BIPV全生命周期经济收益的影响颇大。例如，一项研究表明，在前几年常见的BIPV系统寿命周期内（25年）内，折损率d可以达到0.8%～1%，也就是说在20～25年内，BIPV的全年发电总量将会降低到一个全系统的80%。因此在计算中，必须考虑设备折损带来的收益下降。

5总结

本文回顾了BIPV的基本定义，以及我国BIPV市场的现状和未来前景，由此引出本文的核心内容：回顾BIPV能效计算的基础，并以此为基点讨论绿建工作中BIPV初步设计和优化的步骤。通过回顾BIPV能效计算最基本的可用太阳辐射一项，对其中各项变量，包括朝向，倾角，所处纬度，日照晴空系数（insolation clearness index）以及地面反射率的计算方法进行了讨论，也由此讨论了这些变量在BIPV初步设计和优化中的重要性和必要性。另外，本文也讨论了阴影遮挡和建筑表面风环境对BIPV能效的影响。通过回顾这两个因素的计算方式和既有文献，本文明确了这两个因素在没有其他模拟软件的辅助下，不宜在初步设计阶段就进行考虑。最后，本文就BIPV或者说绿建项目业主最为关注的经济回报问题进行了简述，提供了一个简洁且精确度尚可的计算公式，能够快速的算出BIPV每年的净收益，并由此计算出其他相关的内容。

参考文献：

[1]Polysolar， （2012）. ‘Guide to BIPV pp 2 .

[2]Heinstein P.， Ballif C. and Perret-Aebi L. （2013） ‘Building Integrated Photovoltaics （BIPV）： Review， Potentials， Barriers and Myths a： pp 2-15.

[3]Duffie J. and Beckman W. 1991. ‘Solar Engineering of Thermal Process， 2nd edition， Canada： John Wiley & Sons， Inc.， pp 46-141， pp 89-90.

[4]季杰，何伟：光伏墙体年发电性能及年得热动态预测，太阳能学报， 2001年7月，22（3）.

[5]Klein S.A.， Calculation of monthly average insolation on tilted surfaces， SolarEnergy： pp 325～329

[6]PVsyst Database （2018）： PVsyst V 6.79 Guide Book.

[7]杨金焕，毛家俊，陈中华 （2007）：《不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算》，上海交通大学学报，，2002.7： pp 36.

[8]NASA （2015） ‘Surface meteorology and Solar Energy – Parameter units and definition.

[9]刘大龙，刘加平，杨柳 （2007）：《以晴空指数为主要依据的太阳辐射分区》，建筑科学，2007.6： pp 9-11.

[10]Anon， （2003） ‘Power from the sun- Chapter 5： Solar collector.

[11]Kalogirou S. （2009） ‘Solar energy engineering： processes and systems. Academic Press. Chapter 9.

[12]Kalogirou S.A.， Aresti L.， Christodoulides P. and Florides G. （2014） ‘The Effect of Air Flow on a Building Integrated PV-panel. Procedia IUTAM， Vol 11： pp 89-97.

[13]Goverdea， H.， Goossensc， D.， Govaertsb， J.， Dubeyb， V.， Catthoora， F.， Baerta， K.， Poortmansa， J. and Driesena J. （2015） ‘Spatial and temporal analysis of wind effects on PV module temperature and performance. Sustainable Energy Technologies and Assessments， Vol 11： pp 36-41.

（作者单位：上海柏慕工程咨询有限公司）