上海市既有住宅区太阳能光伏改造潜力研究

2021-12-24WANGYi姜培培JIANGPeipei

住宅科技 2021年12期

■ 王一 WANG Yi 姜培培 JIANG Peipei

0 引言

发展绿色建筑，建设生态城市，“开源”和“节流”是两个基本的方向。可再生能源的利用是“开源”的一个重要方式，使建筑不再仅仅是消耗能源的末端环节，而成为能源生产、蓄存和转换的单元。

据统计，居住建筑能耗占城市建筑能耗的3/4，在居住建筑中应用以太阳能为代表的可再生能源具有特别的意义[1]。目前，国家相关政策法规对于新建建筑，特别是住宅建筑中太阳能技术应用有相关要求，但既有住宅建筑中太阳能光伏技术的应用较少，且多为住户自发安装，缺乏系统性应用，易造成浪费。因此，对既有住宅太阳能光伏系统的利用潜力以及应用方法的研究十分必要。

基于国情，国外学者对居住建筑太阳能光伏利用潜力的研究大多针对的是单体建筑，而居住区建筑表面的太阳辐射情况会受到周边住宅的影响[2]，因此，在研究过程中要考虑到周边的建筑环境。国内有部分学者，针对光伏板更适于安装在何种形态的居住建筑方面进行了初步的研究，研究中主要考虑了光伏系统的发电量，而没有进行费效比的分析。

目前，对于光伏系统应用的经济性分析多是比较不同光伏系统性能的经济效益，例如是选用BIPV 还是BAPV，以及何种电能输送形式更为经济等，而没有考虑到由于建筑朝向或遮挡等因素造成的发电效率降低对费效比的影响。

综上所述，要评估既有居住区住宅建筑的光伏利用潜力，需综合考虑费效比[3]。研究方法是，根据建筑屋顶和立面接收到的太阳辐射量，确定适宜安装光伏板的位置，进而根据太阳能光伏板的转换效率求得发电量。但光伏板的安装并非多多益善，需要通过比较光伏板在不同安装情况下的费效比，确定不同形态的居住建筑更适合何种光伏板布置方式。

研究主要涉及两个方面，首先是对太阳能利用潜力的研究，由于受建筑形态的影响，建筑不同部位获取太阳能辐射的能力不同，安装后的发电量不同，不同位置是否适宜安装也是有差异的[4]。其次是对费效比的研究，太阳能光伏系统初期投入较大，还有寿命期限，如果费效比较高，既不利于推广，也会影响住户应用的积极性。

1 研究内容

本文研究的对象是上海市20 世纪90 年代前建造的工人新村，其所占数量较大，对于太阳能的利用普遍不足，且热工性能较差。综合利用太阳能对于改善工人新村的生态效能大有益处。这些住宅多以行列式多层住宅为主（图1），晚期也建有少量的高层建筑（图2）。

图1 鞍山四村总平面示意图

图2 赤峰小区总平面示意图

在上海地区，建筑单体北立面接收的太阳辐射较差，基本可以不考虑安装太阳能板，主要考虑南立面和东西立面。另外，单体建筑接受的太阳能辐射还受其在群体中位置的影响，因此，研究对象不应该是单独的一栋住宅。

住宅在群体中的位置情况主要有以下几种：①建筑西侧有道路，南侧、东侧有建筑；②建筑周边无道路，东、西、南侧均有建筑；③建筑东侧有道路，西侧、南侧有建筑；④建筑西侧和南侧有道路，东侧有建筑；⑤建筑南侧有道路，西侧和东侧有建筑；⑥建筑南侧和东侧有道路，西侧有建筑（图3、4）。通过调研发现，住宅建筑的行列式排布，有一列排布、两列排布、三列排布的情况。因此，计算模型综合为三列建筑排布的形式。该9 栋建筑组成的群体单元足以描述单体建筑的群体关系。

图3 住宅群体影响情况

对这样一个9 栋建筑组成的群体单元，需考虑建筑与建筑之间的间距。基于对大量相关案例的调研，多层建筑的南北向间距基本为18 m，东西向间距为11 m，高层建筑南北向间距设定为34 m，东西向间距设定为13 m。由于不考虑北立面，最北侧一排的受遮挡情况和第二排一致，因此，只比较南侧两排建筑。将正南朝向不同位置的住宅分别编号为S1～S6（图4）。

图4 住宅群体单元

朝向对建筑表面太阳辐射的获取亦有影响，且对东西立面的影响也不一样。通过对曲阳新村、同济新村及鞍山新村等建于20 世纪90 年代前工人新村的调研，发现这类住宅建筑正南北朝向居多，也有部分南偏东30°、南偏西30°朝向。因此，本研究选取了这三种典型朝向。将南偏东30°朝向不同位置的住宅编号为E1～E6，将南偏西30°朝向住宅编号为W1～W6。

2 研究方法

2.1 技术工具

本研究采用的模拟软件是Autodesk Ecotect Analysis，利用上海典型气象年太阳辐射数据，模拟各个形态类型表面的太阳辐射情况，确定适宜安装太阳能光伏板的位置，根据测算的建筑表面安装太阳能光伏板后的月发电量，计算各个可利用位置安装光伏板后的年总发电量[5]。

2.2 可利用面的确定

多晶硅电池成本相对较低，且稳定性较好，目前在住宅建筑中应用较广。据相关研究，太阳辐射照度至少要达到200 W/m2，多晶硅电池才可达到较好的发电效率。因此，既有住宅并非所有面都具有安装价值，本研究利用Ecotect 中得到的数据，筛选住宅建筑太阳辐射照度能达到200 W/m2的可利用面。

由于太阳能光伏板的安装位置要满足冬至日全天有3 h 以上的日照时数要求。

筛选出建筑可利用面后，需进一步筛选建筑适宜安装光伏板的层数。

具体的方法如下：根据调研数据构建建筑群体模型，建模过程中，同时需考虑到建筑自身的凹凸情况[6]，包括凸出的阳台，并对建筑表面进行网格划分，采用2 800 mm×2 800 mm 的模式，每格为一层。由于建筑自身遮挡，日照时数不满足3 h 的即为不符合区域（图5）。

图5 全天日照时数示意图

另外，窗户处无法安装太阳能板，在模拟计算中，需按建筑窗墙比扣除。通过调研，多层住宅南墙面窗墙比为35%（图6），高层住宅南墙面窗墙比为40%（图7），多层住宅东西立面窗墙比为15%，高层住宅东西立面窗墙比为8%。

图6 多层住宅南立面、东立面图

图7 高层住宅南立面、东立面图

2.3 电力保障潜力

电力保障潜力指的是住户用电部分满足需求的情况，达到100%即为满足住户用电部分的使用需求。

电力保障潜力的计算公式如下:

式中：P为住宅电力保障潜力；C为住宅单位面积光伏产能，单位：kWh/m2；E为住宅单位面积耗电量，单位：kWh/m2。

住宅单位面积光伏产能C的计算方法是用住宅安装光伏板后的年发电量除以住宅的总建筑面积。根据上海统计年鉴，住宅单位面积耗电量E取均值30 kWh/m2。

通过电力保障潜力，可以更直观地看到太阳能改造后的效果。但仅比较改造后的发电量并不足以比较潜力，还需要费效比的计算。

2.4 费效比的计算

根据国家《可再生能源建筑应用工程评价标准》，太阳能光伏系统的费效比Cbrd，按下式计算：

式中：Cbrd为费效比（元/ kWh）；Czd为增量成本（元）；N为系统寿命期，一般取20 年；En为年发电量（kWh）。

增量成本由初期投资减去补贴得出。光伏系统的初始投资主要由光伏组件的成本、逆变器、电缆和支架等部分的花费组成。

通过对上海市光伏系统安装公司进行调研，按一般公司的计算方法，光伏项目每瓦花费8 元，一般每千瓦占用7 m2。在计算过程中，根据不同情况下光伏板可安装面积可求得光伏板的装机量，进而可求得光伏项目的初始投资。再根据每度电补贴0.84 元/ kwh，求得相应发电量的政策补贴，即可得出不同安装情况下的增量成本。

根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》，“太阳能光伏系统费效比可以按小于项目所在地当年商业用电价格的3 倍进行评价。”上海的工商业电价为0.866 元/kWh，即费效比小于2.6 元/kWh 即为合理。另外，费效比的级别Cbrd按照表1 划分为3级，其中1 级最高，即费效比少于1.3元/kWh（表1）。

表1 太阳能光伏系统费效比Cbrd的级别划分

3 研究过程及结果分析

3.1 发电量的模拟

3.1.1 太阳能光伏板的安装位置

以多层住宅S1 为例，将住宅群体模型导入Ecotect（图8），并导入上海地区气象数据“Shanghai_CSWD”，通过软件模拟得出建筑表面月均日太阳辐射照度。以南立面月均日太阳辐射照度为例，图中圈出的部分即为满足太阳辐射照度200 W/ m2的时间段（图9）。

图8 建筑群体模型

图9 S1 表面月均日太阳辐射照度

进而对建筑S1 各面冬至日的全天日照时数进行测算，可以看出，对于S1 南立面来说，由于受到南侧建筑的遮挡，3 层以下不满足3 h 日照时数，因此，南立面可利用的层数为3～6层（图10）。S1 东立面3 层以上才能满足冬至日全天日照时数3 h，西立面1～6 层均满足（图11）。

图10 S1 南立面冬至日全天日照时数

图11 S1 东、西立面冬至日全天日照时数

同理得出其他多层、高层住宅表面适宜安装太阳能光伏板的位置（表2、3）。

表2 多层住宅表面适宜安装太阳能光伏板的部位

表3 高层住宅表面适宜安装太阳能光伏板的部位

总的来说，建筑遮挡对建筑南立面可利用的范围会产生影响，使太阳辐射衰减20%～30%，对于高层建筑群的影响更大，可达到20%～35%。

朝向对建筑的可安装面会产生影响，南偏东30°朝向西立面不适宜安装光伏板，南偏西30°朝向东立面不适宜安装光伏板。

另外，对于南立面，在南偏东30°和南偏西30°朝向，建筑表面太阳辐射情况受建筑自身体量遮挡影响较为明显。

3.1.2 发电量与保障潜力分析

从发电量的角度而言，由模拟可知，屋顶受太阳辐射最为充足，是需要安装光伏板的位置。因此，在比较研究中，均在屋顶安装了光伏板，进而比较其他部分在不同安装情况下的发电量，以确定适宜的改造形式。光伏板的安装组合形式分别为：屋顶、屋顶与南阳台、屋顶与南立面、屋顶与东立面/西立面、屋顶与南阳台及东立面/西立面、可利用面全部安装（图12）。

图12 光伏板安装组合形式

3.1.2.1 多层住宅

对于不同位置的多层住宅来说，在各个可利用部位全部安装的情况下，电力保障潜力可以达到100%，甚至大于100%。在各个部位中，屋顶的电力贡献均是最多的，可以超过50%，南立面次之，东/西立面再次，南阳台的贡献量最少。

在南侧无建筑遮挡的情况下，南立面安装光伏板后，南偏西30°朝向下发电量最高，南偏东30°朝向次之，正南朝向最少。

在南侧无建筑遮挡的情况下，各个位置的建筑屋顶加南立面的安装形式，其电力保障潜力均可满足100%。而南侧有建筑遮挡的情况下，南偏东30°朝向和正南朝向，若想获得100%的电力保障，需要所有适宜安装的部位均安装光伏系统。而南偏西30°朝向，南侧无建筑遮挡的W1～W3，屋顶和南立面安装光伏板后，其电力保障率也达到了98%（图13～15）。

图13 S1～S6 光伏板不同安装方案电力保障潜力

图14 E1～E6 光伏板不同安装方案电力保障潜力

图15 W1～W6 光伏板不同安装方案电力保障潜力

3.1.2.2 高层住宅

对于高层建筑，建筑在群体中的位置以及朝向对于发电量影响的基本规律与多层住宅一致。

由于高层住宅屋顶面积占比少，只在屋顶安装光伏板只能满足30%的使用需求。全部安装最高能达到70%，立面的安装可以增加一倍的发电量。所以，建筑立面的利用对于高层建筑的电力贡献非常大，尤其是南立面（图16～18）。

图16 S1～S6 光伏板不同安装方案电力保障潜力

图17 E1～E6 光伏板不同安装方案电力保障潜力

图18 W1～W6 光伏板不同安装方案电力保障潜力

3.2 费效比的计算与分析

通过费效比的计算公式得出多层、高层住宅建筑在不同光伏板安装方案下的费效比。费效比越高，安装效益越低。

3.2.1 多层住宅

对于正南朝向的S1～S6，采取屋顶和南阳台安装光伏板的方式费效比最佳，但南阳台的面积较小，屋顶和南阳台安装的方式发电量只能满足70%～80%的需求。满足100%的安装方案是屋顶加南立面安装和全部安装，但全部安装的形式费效比较高（图19）。

图19 S1～S6 不同安装方案下的费效比

南偏东30°朝向，东侧无建筑遮挡的E3、E6 在东立面安装光伏板后费效比明显降低，因此，有必要利用东立面。而对于其他建筑更适合屋顶加南立面的安装形式（图20）。

图20 E1～E6 不同安装方案下的费效比

南偏西30°朝向，屋顶、南立面、西立面都安装光伏板的情况下，费效比明显高于屋顶和南立面安装的情况。并且，在屋顶和南立面安装的情况下，电力保障已达100%，因而这种情况下更适合屋顶加南立面的安装方式（图21）。

图21 W1～W6 不同安装方案下的费效比

3.2.2 高层住宅

对比多层建筑，高层建筑的费效比明显更高，屋顶和南立面安装光伏板的形式，其费效比高于多层建筑全部安装的费效比，却只能保障居民一半的电力使用需求，而多层可以满足100%。可见高层建筑的太阳能光伏改造潜力不如多层建筑（图22）。

图22 S1～S6 不同安装方案下的费效比

南偏东30°朝向，相较于发电量较高的屋顶和南立面安装光伏板的形式，东立面也安装光伏系统后，E3和E6 的费效比没有明显增加，但发电量增加了10%，E4 和E5 的发电量仅增加了6%，费效比明显增加。综合发电量和费效比的情况，E1、E2、E4、E5 适合屋顶、南立面安装光伏板，E3、E6 适合屋顶、南立面、东立面安装光伏板（图23）。