“碳中和”背景下零能耗建筑BIPV技术研究与案例分析——以安徽天柱绿色能源科技有限公司办公楼为例

李 虎，刘 祥，殷建家

（安徽天柱绿色能源科技有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

2019年我国煤炭消费比重达到58%，碳排放总量占全球比重达到29%，人均碳排放量比世界平均水平高46%。作为全球最大的发展中国家和碳排放国，我国需要在推进发展的同时实现快速减排，任务十分艰巨。加快推进能源生产清洁替代，打造清洁低碳、安全高效的现代能源体系，通过能源零碳革命引领全社会加速脱碳是实现“双碳”目标的有效途径。目前我国建筑面积约671亿平方米，每年以20亿平方米的速度增长，建筑运行能耗占全社会能源消费比例约22%，在建筑上实现能源替代，零能耗建筑的推广对于按期实现“双碳”目标至关重要，要实现建筑零能耗，除了大力推广节能技术和产品应用外，自身能耗是否完全由新能源替代是最终评判指标，所以如何在建筑上应用新型发电建材，使其自身变为一个“发电场”实现“零能耗”是本文要重点探讨的问题。

2 零能耗建筑与BIPV

所谓零能耗建筑指不消耗常规能源的建筑，完全依靠太阳能等可再生能源，在使用节能技术实现的超低能耗和近零能耗建筑的基础上，完全实现能源自给自足。零能耗建筑在欧美国家已经有一段时间的发展和推广，随着GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》的发布与实施，我国建筑节能进入了超低、近零和零能耗时代。实现建筑零能耗主要的途径就是利用建筑自身特性进行创能，应用比较广泛的技术就是光电建筑一体化（BIPV），所谓光电建筑一体化就是把光伏系统与建筑本体集成在一起，实现“一体化”，但是受光伏发电特性和建筑自身功能和外观等限制，实施过程中还存在一些问题，特别是使用普通的光伏组件，很难把光伏组件的发电功能释放出来，也会对建筑的固有风格会产生一定影响。

3 光伏发电建材

光伏发电技术目前已经得到规模化的应用，但是针对分布式光伏和光电建筑一体化的建材型发电构件（以下简称发电建材）应用还存在着一定的局限性，具体表现在一体化程度还不高，安全防护技术不完善，成本价格偏高等问题。目前市场上发电建材基本都是使用传统的发电芯片，经过外观和技术改造开发出来的有发电砖、发电墙、发电屋顶等，应用比较广泛的是发电玻璃，因为玻璃本身就是光伏组件的重要组成材料，同时玻璃也是重要的建筑材料。市场上铜铟镓硒发电玻璃、碲化镉发电玻璃等发电建材目前都批量生产，因其具有弱光性好，温度系数低等优势作为发电墙（光电幕墙）得到广泛应用。

4 零能耗建筑的实现途径

零能耗建筑的实现有两个途径，其一是节能，就是建筑自身和使用要做到低能耗，目前建筑能耗方面的技术已经比较成熟，国家也有相应的规范要求，这里不做重点论述；其二是创能，也就是建筑自身通过利用新能源实现能源的自给自足，不利用常规能源，这个也是评判建筑是否为零能耗的重要标准。那么如何实现有充足的新能源电力补充，从光伏发电的技术角度就是充分利用光电建筑一体化技术，使建筑本身具备发电功能，并且充分利用建筑物表面，根据建筑的结构和功能设计综合考虑发电建材的选取和系统的整体设计，达到最大化的新能源供给能力同时不影响建筑的使用功能和外观美学要求。

5 安徽天柱绿色能源科技有限公司办公楼光电建筑方案

5.1 项目基本情况

安徽天柱绿色能源科技有限公司办公楼是一座两栋连体四层结构建筑，建筑面积约5600m2，屋顶面积约1400m2，墙体面积2800m2，窗面积约900m2，墙面积约1900m2全年实际用电量约12万kWh，目前使用铜铟镓硒薄膜电池与铝塑板作为幕墙外挂材料，其中安装发电玻璃约1200m2，装机容量约160kW，2020年全年发电量为6.37kWh，占总用电的53%，各月份的发电和用电情况是一季度发电量占用电的比例为35.2%，二三季度相对平稳64.7%，四季度为45.8%（见图1）。

图1 发电用电数据统计分析图

5.2 项目设计

5.2.1 幕墙材料选型

本项目主要是利用墙体外立面安装发电玻璃代替传统幕墙玻璃，选用的主要发电设备为铜铟镓硒薄膜发电玻璃，其除具有普通钢化玻璃的建筑材料功能外，还具有利用太阳能发电功能，同时具有弱光发电、温度系数低等特点。结合项目特点，因为安装位置为墙面四周，接受阳光的最佳角度受到限制，其弱光发电特性相对于普通光伏组件具有优势，温度系数低，不仅可以在高温天气发电能力不会明显降低，同时作为墙面外围护结构使用对保持室内温度稳定和降低火灾隐患都具有好处。选用的铜铟镓硒发电玻璃大小为1587mm×664mm，单片峰值功率130W（见表1）。

表1 发电玻璃电气参数表

5.2.2 幕墙结构设计

幕墙是建筑的外围护结构，是建筑美化设计的重要方式之一，传统幕墙设计是以大理石或者普通玻璃为主，这样对建筑自身的能耗有一定量的增加，同时考虑光污染以及安全等因素，国家对幕墙相关技术的设计规定比较严格。但是随着太阳能发电技术和分布式能源相关技术的发展，为充分利用建筑外立面，提高建筑的“创能”能力，围绕建筑外围护进行建设“光电幕墙”的相关技术一直在研究和探索之中。本项目建设的铜铟镓硒光电幕墙，不仅在结构设计上考虑了传统幕墙设计的结构安全和防雷技术，还结合选用的铜铟镓硒发电玻璃自身结构和发电特性进行了优化，在幕墙基础龙骨结构的基础上，利用专用紧固套件把铜铟镓硒发电玻璃固定在支架上（见图2），安装找平后使用结构胶进行填缝处理。这与传统的隐框玻璃幕墙安装完全靠结构胶与框架固定不同，安装过程有一定灵活性，相对于传统的安装方式多了一个固定结构，安全性更高，同时便于后期更换和检修。另外因为光电幕墙还具有发电功能，在结构设计时充分考虑了框架内部的电缆保护和固定，主要是增加固定桥架，同时在框架中预留穿线孔等。因为光电玻璃在运行过程中会产生一定的热量，设计中充分考虑幕墙的空气对流和散热需求，预留散热通气孔，使幕墙与墙体间的空气能形成流通，达到自动散热的目的。有效提高发电玻璃的发电效率同时不增加夏季室内温度。

图2 光电玻璃安装结构图

5.2.3 发电系统设计

根据建筑墙体安装的发电玻璃情况，结合发电玻璃的电气特性，把整个建筑的发电区域分为四个区域，系统使用1台40kW、1台30kW、2台36kW的组串式逆变器，根据选取的逆变器技术参数和效率曲线，结合发电玻璃的技术参数，综合考虑系统效率、成本、施工便利等因素。选取的发电玻璃工作电压在43.7V，选取的三款逆变器均为8路输入、4个MPPT，每个MPPT的最大输入电流26A，逆变器MPPT的电压范围在 200～1000V（见表 2），效率最高状态在600V，所以设计发电玻璃每15块组成一个组串，共80串。发电玻璃的工作电流2.98A，所以设计3个组串使用1个三进一出汇流盒进行汇流，再接入逆变器直流输入端。最终1#逆变器接入22串实验楼西、南墙面42.9kW，2#逆变器接入24串实验楼东、北墙面46.8kW，3#逆变器接入14串办公楼东、北墙面27.3kW，4号逆变器接入20串办公楼西、南墙面39kW。

表2 逆变器输入参数表

5.3 发电数据对比分析

现选取一年中的3月、7月和12月三个月份的发电数据进行对比分析（见图3），总体来说以3月份为代表的春季发电能力比较强，12月份为代表的冬季发电能力较弱。这与传统的光伏系统发电特性基本一致，春季光照条件好，温不高，外部环境有利于提高发电量，冬季日照时间短，同时存在遮挡的区域多，发电量明显降低。夏季光照条件好，但是温度过高，发电量受一定影响。从目前最新研究进展来看，光照和温度以及空气质量是光伏发电的主要影响因素。从统计的发电曲线看，同一时间段，东北墙面区域发电能力低于西南墙面发电能力，而同月份办公楼东北墙面发电能力低于实验楼东北墙面，办公楼西南墙面发电能力低于实验楼西南墙面是基于两个建筑受遮挡影响造成的差异，办公楼受南方高大住宅区楼影响较大。光电建筑的发电能力受建筑的外形和周围环境影响很大，虽然铜铟镓硒薄膜发电玻璃具有弱光发电、温度系数低等特性，但是在具体案例发电数据可以看出相对于最佳倾角安装的无遮挡光伏阵列发电能力还是明显降低，所以光电建筑设计一定要做到与建筑统一规划设计，充分考虑使用的发电建材的发电功能与建筑自身结构和维护美学要求的统一。

图3 各区域发电量对比图

5.4 实现零能耗建筑存在的问题和实现途径

在双碳背景下，实现建筑零能耗甚至负能耗是未来新型建筑的重要特点，也是能源实现以新能源为主体的电力结构改革的重要途径，但是完全实现零能耗建筑还存在以下几个方面的问题。

5.4.1 新能源发电相对不均衡不充足与建筑实际能耗的匹配问题

基于目前的建筑能耗比较高，根据目前光伏技术的现状，多数情况下很难完全满足建筑能源消耗的能源供给，所以解决建筑能耗问题需要开源与节流并举，一方面要继续提高建筑节能相关技术的应用，降低建筑实际能耗，采用直流供电模式提高能源供给效率；同时在建筑外围护上广泛地使用发电型建材。对于建筑创能与建筑用能的不均衡问题，必须使用储能和综合能源管理技术，优化管理，提高能源利用效率和能源供给的稳定性，以达到建筑自身能源的供给问题。

5.4.2.发电型建材和建筑结合时发电能力与建筑美学技术、结构安全、保温等融合问题

太阳能发电技术已经得到广泛的推广应用，建筑上安装使用光伏发电技术案例很多，都较好地解决了发电型建材使用过程中与建筑结合问题，但真正满足建筑对美学、结构、安全等方面的要求项目还比较少见。所以发电型建材的使用需要在建筑设计时同步进行，综合考虑建筑能耗需求、建筑外围护美学要求和提高发电型建材发电能力的要求。

5.4.3.发电型建材和光电建筑一体化技术应用的相关规范问题

对于零能耗建筑的实现，发电型建材的利用是主要途径，但是目前市场上的发电型建材还是多以“发电”为主，建材的功能还不是太突出，使用过程中一般还是“两张皮”的模式，没有形成真正的集成应用，存在这些问题的原因之一是发电的功能和建材功能的融合问题，还有很多技术没有实质性突破，其次是建材型使用环境受到现有建筑规范的限制，目前光电建筑一体化的相关规范都是针对光伏发电技术的规范和规定，而传统建筑的规范又把光电建材的应用拒之门外，所以急需有针对性的对于零能耗建筑设立单独的规范供行业参考，打开这些壁垒，这样才能有效地使零能耗建筑得到更快更广泛的推广。

6 结语

在“双碳”国家战略背景下，各级政府相关部门和行业都在出台相关措施，支持光电建筑一体化推广应用，要求新建公共建筑屋顶利用光伏面积不低于50%，有些地方规定新建建筑有幕墙的，需要安装一定比例的光电幕墙。光电建筑一体化推广应用是建筑创能的有效途径，是零能耗建筑设计建造必须利用的技术手段，是实现以新能源为主体的新型电力系统的重要途径之一，虽然目前还存在一定的困难和技术屏障，但在碳中和背景下围绕零能耗建筑的BIPV技术、综合能源管理等相关技术一定会得到快速发展。