光电建筑是节能建筑的必然形式

2021-06-03王志东王春丽

太阳能 2021年5期

王志东，王春丽

(1.中国建筑技术集团有限公司，北京 100013；2.建研晖润(北京)能源科技有限公司，北京 100013)

0 引言

得益于节能建筑和光伏组件技术的发展，使建筑与光伏这2个行业融合出“光电建筑”这一新的建筑形式，“光电建筑”一词最早是于2009年在财政部、住房和城乡建设部联合发布的文件中被提出。自中国提出将力争于2030年前实现“碳达峰”，在2060年前实现“碳中和”这一“中国目标”，且在2021年的全国两会上规划出提高自主贡献的力度的路线图后，作为节能且减少碳排放的有效方法，光电建筑成为完成该“中国目标”的方法之一。

1 光电建筑

1.1 “光电建筑”的介绍

2009年3月23日，财政部、住房和城乡建设部联合发布的《住房城乡建设部关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》中第一次提出“光电建筑”这一概念，可见，光电建筑是属于建筑的一种形式。同年10月10日，中国建筑金属结构协会光电建筑应用委员会成立大会在北京召开，落实了“光电建筑”的概念。

光电建筑从概念被提出至今已经历了10多年的发展，根据T/CBDA 39-2020《光电建筑技术应用规程》，光电建筑是指由拥有光伏发电功能的建筑材料建造的建筑，它是建筑的一种形式。可发电的建筑材料即建筑用光伏组件，是光伏组件与其他建筑材料的整合，其在建筑中首先承担的是建筑的建筑材料功能，同时兼具光伏的发电功能。例如光伏幕墙，其既具有幕墙功能，同时还具有发电功能。

既然作为建筑材料，建筑用光伏组件就应达到建筑要求，比如与建筑的使用寿命相同，这体现了建筑材料的属性；同时还应满足建筑材料的同一性、建筑的美观性与和谐性，以及建造师的创作性。

光电建筑是建筑的一种新形式，真正的光电建筑是在光伏组件发展到符合建筑要求，且能够成为建筑产能的一种方式时出现的。光电建筑解决的不仅是建筑节能问题，还解决了减碳问题。

1.2 光电建筑的成本特性

光电建筑与普通建筑最主要的区别在于二者使用的建筑材料不同，光电建筑使用的是拥有绿色环保概念且具有发电功能的建筑材料，而普通建筑使用的是普通建筑材料。两者使用的虽然都是建筑材料，都可以建造房屋等建筑，但建成的建筑的性质却不同，一个属于节能建筑，另一个属于普通建筑，因此，2类建筑的建造成本和售价也不同。光电建筑和普通建筑的建造成本如图1所示。

从图1的建造成本来看，光电建筑的建造成本是一条自上而下的斜线，呈现出动态变化特性，由于光电建筑靠光伏发电可节省电费并获得补贴收益，因此随着建筑使用年限的增加，依靠光伏发电收入使建筑的建造成本越来越低，在30～50年的建筑全寿命周期内，建造成本甚至出现了负数，也就是实现了盈利；而普通建筑的建造成本则是一条平线，呈现出静态特性，只有依靠折旧才能回收成本。因此，光电建筑改变了建筑的成本特性，使其由静态变为了动态；虽然光电建筑的初始建造成本高于普通建筑的，但随着时间的延续，光电建筑的建造成本在不断降低，用不了多久的时间即可实现逆转，其建造成本将逐渐低于普通建筑的。如此可以说明，光电建筑是当前各种建筑形式中成本最低的。

1.3 制定光电建筑规范的重要性

普通建筑外围护结构中不存在电的因素，而光电建筑中增加了这一因素。光电建筑是光伏行业与建筑行业的融合，但这2个行业的相关标准和规范都不能满足规范和约束光电建筑的要求。因此针对这一特性需要编制新的关于光电建筑的标准进行规范和约束。

由中国建筑装饰协会批准立项、中国建筑科学研究院和中国建筑装饰协会幕墙工程分会为主编单位编制并发布的T/CBDA 39-2020《光电建筑技术应用规程》是国内第1部光电建筑专项标准。该标准于2020年3月24日发布，于2020年7月1日起实施，填补了这一领域相关标准的空白。该标准是从建筑的角度出发编制的、只针对采用带有发电功能的建筑材料建造的光电建筑的应用规范，参编单位包含研究院、设计院、大学、政府部门、施工单位、材料生产单位等，参编单位范围广泛，代表性强。该标准的实施可指导光电建筑这一新的建筑形式的设计、施工和验收。

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1.4 国外BIPV的发展现状

光电建筑这一概念是在中国环境下，根据光伏组件技术的发展和建筑节能条件下提出的新的建筑形式概念，而国外当前多以BIPV形式为代表。

全球光伏市场的数据统计难题是存在多种商业模式和应用方式，难以统一统计口径。因此，石油工程师学会(SPE)、国际可再生能源署(IRENA)、国际能源协会下属光伏电力系统项目研究小组(IEA-PVPS)并未对BIPV的装机容量进行分项统计。

据IEA-PVPS预测，当前欧洲BIPV市场的装机容量约为200～300 MW/年，全球BIPV市场的装机容量约为1 GW/年。其还表示，BIPV是光伏行业中的新兴领域，正处于市场爆发前夕[1]。欧洲BIPV市场的情况如图2所示。

图2 欧洲BIPV市场情况Fig.2 Condition of European BIPV market

1.5 国内光电建筑的发展状况

据中国光伏行业协会光电建筑专业委员会的统计，截至2019年底，全国光电建筑累计装机容量约为30 GW；光电建筑应用面积占既有建筑应用面积的约1%。当前应用主要以工商业屋顶应用为主[2]，工商业屋顶BIPV应用示意图如图3所示。

图3 国内某工商业屋顶BIPV应用示意图Fig.3 BIPV application diagram on roof of an industrial and commercial building in China

2 节能建筑

2.1 节能建筑介绍

节能建筑是指低、超低、近零、零能耗建筑。具体定义可参见2019年9月1日起实施的GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技术标准》中给出的定义。

2.2 建筑节能的2个阶段

建筑节能可分为建筑降耗和建筑产能2个阶段。我国建筑节能已经历了“六五节能”、“七五节能”、被动式技术应用等第一阶段建筑降耗，当前将完成第二阶段建筑产能。在欧洲，2020年新建建筑物要达到100%的零能耗建筑的要求，因此，建造零能耗节能建筑是未来的要求和趋势，我国也正在制定相关政策和实施方法。

我国节能建筑的建筑节能发展过程如图4所示。

图4 我国节能建筑的建筑节能发展过程Fig.4 Development process of building energy conservation of energy-saving building in China

由节能建筑的建筑节能发展过程可以看出，节能建筑的最高形态是零能耗建筑与正能源建筑(即产能建筑)。当建筑物的能耗与建筑物自身生产的能量相当时，该建筑称为零能耗建筑；当建筑物不仅可以满足建筑物的能耗，且自身生产的能量有额外的能量输出，此时该建筑称为正能源建筑。

实现零能耗建筑和正能源建筑就需要增大可再生能源在建筑物上的供能，光伏是可再生能源中最容易实现与建筑物结合的一种能源形式，而增大建筑物上光伏发电形式的使用面积就是解决问题的最佳方法。

2.3 光电建筑与节能建筑的关系

根据光电建筑的发展过程可以知道，若要使其快速发展，光电建筑需要满足以下2个条件：一是光伏组件要符合建筑的美观性、材料同一性的要求，成为建筑用光伏组件；二是节能建筑发展到由光伏发电实现建筑产能，即实现建筑节能的第2个阶段。因此，节能建筑的发展是离不开光电建筑这种建筑形式的。

3 建设光电建筑的现实意义

3.1 光电建筑是节能建筑发展的必然形式

节能建筑的发展过程可分为近零能耗建筑→零能耗建筑→正能源建筑3个阶段。从以上不同阶段可以看出，第1阶段的近零能耗建筑解决的是建筑降耗问题；第2阶段的零能耗建筑解决的是使建筑降耗与建筑产能相平衡的问题；第3阶段的正能源建筑解决了进一步建筑产能的问题，使建筑成为可以产能的一种形式，实现了第三次工业革命第二大支柱—— 所有建筑都能生产能源[2]。

如前文所述，建筑发展的未来是节能建筑，节能建筑发展的未来是光电建筑。因此，光电建筑是节能建筑的必然形式，也是建筑的必然形式。

3.2 当前光电建筑产业发展的制约因素

当前光电建筑产业的发展面临着一些制约因素，主要表现在当前光伏产品大多是针对地面光伏电站的要求而设计生产的，对建筑安全、防火等性能的考虑不足；建筑行业中建设方、业主方、物业方等的积极性未能充分调动，并且几方之间的收益分配不明确等。另外，光电建筑采用合同能源管理模式，而该模式的商业操作流程还有待理顺。

3.3 光电建筑是完成我国“碳中和”目标的路径之一

国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上表示，我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，即实现“碳达峰”，并努力争取于2060年前实现“碳中和”[3]。习近平主席在气候雄心峰会上提出了具体目标，即到2030年，我国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上；风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上[4]。

为完成这一“中国目标”，我国制定的实现目标的方法是“植树造林、节能减碳”等。光电建筑不仅是实现节能的方法之一，也是实现减少碳排放的方法之一，其可同时完成节能、减排这2项工作，是完成“中国目标”的最佳方法之一。

4 我国光电建筑典型案例

4.1 2019中国北京世界园艺博览会——中国馆

作为2019中国北京世界园艺博览会中的重要标志性建筑，中国馆的总建筑面积为2.3万m2，结构形式为钢筋混凝土框架剪力墙、钢结构。中国馆的曲面钢结构屋盖采用了新型发电建材—— 彩色透光碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件，单块光伏组件的透光率达到了40%，颜色采用了中国传统的金黄色。中国馆采用的CdTe薄膜光伏组件的尺寸各异，共安装了1056块，总安装面积约为1600 m2，总装机容量为70 kW，年发电量约为6万kWh。

图5 中国馆的外观及内部图Fig.5 Exterior and interior of China Pavilion

4.2 嘉兴光伏科技展示馆

嘉兴光伏科技展示馆为国内首座采用全BIPV构件的公共建筑，其总建筑面积为8695 m2，其中光伏幕墙的安装面积达5556 m2，总装机容量为390 kW，年发电量约为30万kWh。整体建筑外部结构从幕墙到屋顶全部采用了建筑用光伏组件，是目前国内建筑面积最大的全部采用建筑用光伏组件的建筑物。

图6 嘉兴光伏科技展示馆Fig.6 Jiaxing PV technology exhibition hall

4.3 国家大剧院舞美基地

国家大剧院舞美基地中，共有5栋建筑增加了光伏元素，其中3栋建筑采用了屋顶分布式光伏(即BAPV)形式，2栋建筑采用了光伏幕墙形式，整体装机容量为642.7 kW。该项目中，2号楼采用“阳光屋顶”形式，装机容量为20 kW，单块建筑用光伏组件的透光率为40%；3号楼采用光伏幕墙形式，总装机容量为18 kW，其中光伏幕墙的装机容量为4 kW，采光顶的装机容量为14 kW，带logo图案的单块建筑用光伏组件的透光率为40%。

图7 国家大剧院舞美基地Fig.7 Stage art base of National Centre for the Performing Arts

4.4 国家电力投资集团有限公司办公楼

在国家电力投资集团有限公司的办公楼改造项目中，部分幕墙及屋顶安装了建筑用光伏组件。改造后的办公楼采用了光伏幕墙形式，总装机容量为170.66 kW，在25年使用期内的年均发电量为12.69万kWh。通过节能改造，该项目可使室温平均降低5～8℃，且由于室温的变化，预计空调耗电量可降低15%。因此，除了节能外，该项目的减排贡献也非常明显。