光伏建筑一體化在校園環(huán)境中的應(yīng)用分析

梁 楠

(安徽工程大學(xué) 建工學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

光伏建筑一體化在校園環(huán)境中的應(yīng)用分析

梁 楠

(安徽工程大學(xué) 建工學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

隨著光伏一體化技術(shù)的不斷普及，校園光伏建筑備受社會(huì)的關(guān)注。為營(yíng)造一個(gè)良好的綠色生態(tài)校園環(huán)境，本文在分析當(dāng)前校園耗能狀態(tài)的基礎(chǔ)上，探索了光伏建筑一體化在校園中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和效益優(yōu)勢(shì)，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)校園光伏建筑一體化技術(shù)開展中存在的問題，提出了幾點(diǎn)措施和思路。

光伏系統(tǒng)；建筑耗能；校園；應(yīng)用分析

光伏建筑一體化，簡(jiǎn)稱BIPV，顧名思義就是在建筑物的形成過程中考慮將光伏發(fā)電融合進(jìn)來，具體做法通常是在建筑物的外圍增加光伏系統(tǒng)。目前，光伏建筑一體化已經(jīng)應(yīng)用得相當(dāng)成熟，加之綠色節(jié)能建筑的大環(huán)境，光伏系統(tǒng)與建筑物的完美結(jié)合已是大勢(shì)所趨。將光伏系統(tǒng)引進(jìn)校園建筑，構(gòu)造校園光伏建筑，更是有著良好的應(yīng)用前景。

隨著高等教育的日漸普及，必然刺激校園建筑數(shù)量的迅速增加。不同于普通民用建筑，校園建筑是在有限的空間范圍內(nèi)完成教學(xué)生活，這就使得在某一時(shí)間點(diǎn)上，集中用能消耗比較大。有數(shù)據(jù)顯示，校園建筑能耗人均使用量已經(jīng)高于全國(guó)人均能源消耗，特別是近年來多數(shù)高校開展基建工程，擴(kuò)大空調(diào)等設(shè)施使用范圍，校園建筑能耗已經(jīng)遠(yuǎn)超出同一時(shí)期國(guó)民人均消耗水平。

鑒于校園能源消耗量較大的問題，選擇科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)是解決問題的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)階段對(duì)院校校園能源消耗量的評(píng)價(jià)包括測(cè)量單位面積能源消耗和人均能源消耗。但是因?yàn)樾@建筑面積與校園人數(shù)之間并非存在著近似正比的關(guān)系，所以兩種能源消耗量指標(biāo)在同一評(píng)價(jià)對(duì)象的前提下有著不同方向的評(píng)價(jià)結(jié)果，這就需要我們選擇一種更為貼近客觀事實(shí)的評(píng)價(jià)方法作為能源消耗的評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)過大量的研究試驗(yàn)結(jié)合已有的研究成果發(fā)現(xiàn)，單位面積能源消耗指標(biāo)適用于對(duì)某一棟建筑進(jìn)行評(píng)價(jià)，而人均能源消耗指標(biāo)則更適合用來評(píng)價(jià)校園的整體能源消耗水平。

校園建筑按照使用功能可以分為教學(xué)樓、圖書館、教職工及學(xué)生宿舍、食堂、體育館等。對(duì)這些校園建筑群的能源消耗進(jìn)行重點(diǎn)記錄對(duì)比，因?yàn)槭沁x擇的獨(dú)棟建筑樓為研究對(duì)象，所以按照前文應(yīng)采用單位面積能源消耗指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，研究結(jié)果顯示，圖書館及食堂能源消耗最大，而體育館能源消耗最小，此研究結(jié)果與實(shí)際情況也是相契合的。食堂因?yàn)槠洫?dú)特的作用，難免在用電方面消耗比較大；圖書館大型機(jī)房的用電也使得其整體耗能較大；教學(xué)樓雖然使用人數(shù)比較大，但是大型耗電設(shè)備不多，因此整體耗能不大，具體耗能對(duì)比如圖1所示。

圖1 校園建筑耗能對(duì)比圖

由圖1可以看出，對(duì)于校園典型建筑來說，能耗的大小按照從大到小的順序?yàn)椋菏程?、圖書館、教職工及學(xué)生宿舍、教學(xué)樓、體育館，具體原因分析如表1。

表1 校園建筑能耗分析表

隨著各校招生人數(shù)的增加使得很多學(xué)校擴(kuò)大使用面積，在原教學(xué)條件下新建教學(xué)樓等，新增加的建筑在使用功能方面更是追求較高的標(biāo)準(zhǔn)，教學(xué)樓及教職工宿舍等的單位面積能源消耗水平亦隨之上漲。

1 光伏建筑一體化在校園中應(yīng)用意義及優(yōu)勢(shì)

近年來，校園建筑在數(shù)量上迅速增長(zhǎng)，而且仍然呈上升的趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的相對(duì)封閉的校園環(huán)境不同，現(xiàn)代的校園不再局限于教學(xué)活動(dòng)，與社會(huì)的相互交流也在一定程度上影響著校園建筑的能源消耗水平。將光伏建筑一體化的理念帶入校園是順應(yīng)當(dāng)下發(fā)展趨勢(shì)的必然選擇，一方面，利用綠色環(huán)保的技術(shù)解決校園建筑用電量大用電復(fù)雜的問題，另一方面，光伏系統(tǒng)是獨(dú)立于城市電網(wǎng)之外的能源儲(chǔ)備，所以有著良好的自適應(yīng)性。從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來講，打造校園光伏建筑一體化是大膽創(chuàng)新，不僅有著良好的應(yīng)用前景，而且有著一定的社會(huì)影響力。

1.1 光伏建筑一體化在校園中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1.1 校園布置、規(guī)劃優(yōu)勢(shì)

校園自身良好的環(huán)境氛圍為光伏系統(tǒng)大展拳腳提供了有利的客觀條件。一方面，校園所處的自然環(huán)境可有效降低污染等對(duì)光伏系統(tǒng)的干擾，保證其有著理想的轉(zhuǎn)化條件，從而給予光伏系統(tǒng)一個(gè)穩(wěn)定的作用狀態(tài)；另一方面，校園建筑樓棟之間布局合理，間距適宜，這在一定程度上降低了由于距離較遠(yuǎn)產(chǎn)生的電源損失，而且從資源利用率的角度來講，校園潛在的光伏系統(tǒng)附著對(duì)象也是對(duì)已有資源的再利用，比如已有的建筑樓群的外立面及屋面。

1.1.2 建筑使用、設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

建筑設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)指的是光伏建筑一體化系統(tǒng)的使用在校園建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)方面所占有的優(yōu)勢(shì)。首先，由于校園建筑較高的采光使用功能要求，在校園建筑外立面或屋面附加光伏系統(tǒng)，可以很好地滿足能量需求；其次，光伏系統(tǒng)的安裝反過來作用于建筑，也大大提高了建筑的保溫隔熱性能，互利互惠，保證能源的最大使用效益；再者，校園建筑的使用壽命較普通的工業(yè)民用建筑要長(zhǎng)得多，這在一定程度上降低了光伏系統(tǒng)安裝的成本，延長(zhǎng)了光伏系統(tǒng)的有效壽命期。

1.1.3 科研、資源優(yōu)勢(shì)

高校本有著不可比擬的研究人才和設(shè)備資源優(yōu)勢(shì)。光伏建筑一體化需要強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)和技術(shù)力量做支撐，它所涉及的學(xué)科理論是非單一的多學(xué)科綜合，在這一點(diǎn)上，高校教學(xué)環(huán)境很好地滿足了這一需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高校中進(jìn)行科研的人員在總數(shù)中占有著較大比重，而以高校為強(qiáng)有力的后盾成立的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室占總數(shù)的60%以上。光伏技術(shù)這一新鮮的血液與校園建筑的筋骨相輔相成，有機(jī)結(jié)合，可使得光伏技術(shù)潛力得以激發(fā)，未來的校園建筑也將更加綠色節(jié)能環(huán)保。

1.2 光伏建筑一體化在校園中效益優(yōu)勢(shì)

1.2.1 緩解用電高峰作用

研究發(fā)現(xiàn)，校園光伏系統(tǒng)用電最高的時(shí)期與社會(huì)用電最高的時(shí)期是不沖突的，這樣的情況下，校園光伏系統(tǒng)一方面自我消化掉用電負(fù)擔(dān)，而且剩余的電量用于社會(huì)用電，將很好地減輕用電高峰期時(shí)社會(huì)用電緊張的現(xiàn)狀。

1.2.2 示范育人作用

如前文所述，光伏建筑一體化進(jìn)校園，對(duì)師生都有著良好的啟迪作用，提前培養(yǎng)學(xué)生綠色、環(huán)保、節(jié)能的思維意識(shí)。在這一實(shí)踐面前，學(xué)生不僅對(duì)于以往貌似抽象的理論有了更直觀的了解，而且引導(dǎo)學(xué)生敢于創(chuàng)新突破，善于進(jìn)行資源再利用，對(duì)開拓學(xué)生思路有著一定的指導(dǎo)作用，這與當(dāng)下注重培養(yǎng)高素質(zhì)的新一代接班人的理念也是相契合的。

1.2.3 產(chǎn)、教、研聯(lián)合作用

優(yōu)良的客觀環(huán)境是光伏系統(tǒng)進(jìn)校園的有利因素之一，學(xué)校大可打開思路，更加全面地對(duì)光伏建筑一體化進(jìn)行研究開發(fā)，比如組建更加專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行革新，將光伏技術(shù)向各領(lǐng)域延伸，豐富其應(yīng)用形式，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在高校已經(jīng)建成的光伏系統(tǒng)則作為有力的科研實(shí)踐基地，鑒于光伏技術(shù)是非單一學(xué)科的綜合，它的發(fā)展必將帶動(dòng)多學(xué)科多領(lǐng)域的聯(lián)動(dòng)發(fā)展，從而引導(dǎo)諸如光電、材料、建筑、環(huán)境等學(xué)科領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合。

2 光伏建筑一體化在校園應(yīng)用中存在的問題

光伏建筑一體化理念最早的應(yīng)用是在德國(guó)，即為著名的“太陽能學(xué)?！表?xiàng)目，這一科研項(xiàng)目就是利用太陽能發(fā)電與校園建筑相結(jié)合；幾年的時(shí)間，國(guó)外諸多國(guó)家紛紛對(duì)這一理念表現(xiàn)了極大的興趣并投入研究，取得了可觀的成果。我國(guó)對(duì)于光伏建筑一體化的嘗試相對(duì)于國(guó)外較晚，改革開放以后校園建筑如雨后春筍，破土而出，數(shù)量增加迅速，光伏技術(shù)進(jìn)校園有了廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，通過不懈努力，這一技術(shù)已經(jīng)收獲較好的投入使用效果，但畢竟起步晚，這種配套的理論支撐尚不成熟，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)已有實(shí)際案例的對(duì)比研究，仍存在若干不足：

2.1 前文提到，光伏技術(shù)可依托校園建筑的外立面、屋面，這些可利用的廣闊空間都是很好的系統(tǒng)附著地，因?yàn)橥饬⒚婕拔菝婵紤]其建筑使用功能，一般采光良好，為實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電提供了必要條件。實(shí)際，目前校園光伏建筑一體化多是依托建筑屋面進(jìn)行太陽能發(fā)電，在應(yīng)用形式上比較單一，而且使用的電池種類也非常局限。

2.2 除了應(yīng)用形式比較單一，光伏建筑一體化的應(yīng)用也沒有很好地考慮校園建筑自身能源的消耗特點(diǎn)，因?yàn)楣夥夹g(shù)與建筑兩者相輔相成，互相影響，不能只考慮兩者結(jié)合時(shí)屋面的情況，還應(yīng)該了解所依附的建筑本身內(nèi)部的能源消耗對(duì)光伏系統(tǒng)工作效率的影響。

2.3 光伏技術(shù)本身投資消耗大，相對(duì)于普通的發(fā)電站，投資消耗要高出很多，而且從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來講，投資回收期比較長(zhǎng)，大多要依賴國(guó)有投資或者一定的國(guó)家支持手段，這就在一定程度上限制了光伏建筑一體化的大范圍使用，需依靠有效的融資模式。

3 光伏建筑一體化在校園環(huán)境中的應(yīng)用

3.1 光伏系統(tǒng)與屋頂空間的完美融合

在校園光伏建筑設(shè)計(jì)中，可以借助于光伏系統(tǒng)的布局對(duì)校園建筑的屋頂空間進(jìn)行合理化的利用，主要體現(xiàn)為：首先，使得校園建筑的屋頂最大限度的利用，可以為學(xué)生提供休閑、娛樂以及室外學(xué)習(xí)的優(yōu)雅空間，這在一定程度上緩解了屋頂空間浪費(fèi)和師生休閑生活空間比較緊缺的矛盾，從而對(duì)校園環(huán)境起到了優(yōu)化作用；其次，光伏系統(tǒng)和屋頂?shù)耐昝澜Y(jié)合，不僅可以改善傳統(tǒng)平鋪式光伏系統(tǒng)造成的單一視覺效應(yīng)，還可以起到屋頂防漏水系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)的保護(hù)作用；最后，光伏系統(tǒng)和屋頂?shù)耐昝澜Y(jié)合，可以將更多的美學(xué)設(shè)計(jì)融入其中，更大效率地利用光能源。

3.2 根據(jù)校園建筑特點(diǎn)進(jìn)行漸進(jìn)式光伏建設(shè)

根據(jù)校園建筑的能耗特點(diǎn)，可以將光伏系統(tǒng)有選擇有順序地使用。首先，可以通過對(duì)比每一個(gè)建筑單位耗能，在耗能比較大的建筑上首先使用，比如，校園的食堂和圖書館等，這類建筑不僅全體耗能比較大，同時(shí)建筑面積也比較大，可以實(shí)現(xiàn)較大面積的鋪設(shè)光伏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大面積的光伏發(fā)電，為該建筑提供大部分甚至全面的電量所需，有效減少了輸電線的成本以及輸電的損失。其次，選擇校園中建筑面積比較大的建筑，比如體育館等，這類建筑的整體性比較好，更有利于太陽的照射和光伏發(fā)電的高效性，也是光伏建筑的較好選擇；再次，可以考慮校園中的辦公樓、教學(xué)樓和宿舍樓，這類建筑顯著的特點(diǎn)是建筑相對(duì)規(guī)整，并且能耗比較大，可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的較大發(fā)電效率和用電效率。最后可以在實(shí)驗(yàn)樓建筑中采用光伏系統(tǒng)，雖然實(shí)驗(yàn)樓中實(shí)驗(yàn)設(shè)備較多較大，但是由于實(shí)驗(yàn)樓的利用和設(shè)計(jì)特色，使得實(shí)驗(yàn)樓的層面可利用率較小，這對(duì)光伏發(fā)電的成本和效率有一定的影響，因此，可以選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)樓最后使用光伏系統(tǒng)。

校園建筑中光伏系統(tǒng)的安裝考慮順序?yàn)椋菏程煤蛨D書館、體育館、教學(xué)樓和行政樓、宿舍樓，最后是實(shí)驗(yàn)樓。然而，不同的學(xué)校中校園建筑的面積、利用及特點(diǎn)各不相同，各個(gè)院?？梢愿鶕?jù)自身的建筑特色制定不同的順序方案。這樣，根據(jù)校園建筑的不同特點(diǎn)進(jìn)行順序漸進(jìn)式光伏建設(shè)，不僅可以有效降低首次投入的成本，并且隨著我國(guó)光伏建設(shè)的增長(zhǎng)，校園光伏系統(tǒng)的成本會(huì)進(jìn)一步降低，從而使得整個(gè)校園光伏建設(shè)的投資成本降低。另外，采用順序漸進(jìn)式光伏建筑的建設(shè)，可以有效地對(duì)校園中多個(gè)光伏建筑進(jìn)行集中管理，讓每一個(gè)光伏建筑的發(fā)電量與內(nèi)部耗能量相適應(yīng)，并且臨近的建筑之間也可以相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)光伏建筑的最大化利用效率。

3.3 根據(jù)建筑需求，設(shè)計(jì)最優(yōu)化光伏方案

由于校園中建筑的異樣化，不同的建筑存在不同的屋面樣式，有著不同的光照環(huán)境，因此，為滿足不同建筑的最大化光電效率，需要對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行不同類型的設(shè)計(jì)和搭建。例如，針對(duì)辦公樓的外部玻璃，可以考慮將采用光伏玻璃幕墻和可以調(diào)節(jié)透光率的光伏中庭；圖書館可以考慮將屋頂?shù)木G化設(shè)計(jì)和光伏系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)立面的裝飾與光伏系統(tǒng)的百葉遮陽板相結(jié)合；考慮到體育館的大建筑面積，需要考慮采用具有一定時(shí)代感、建筑感和大發(fā)電量的光伏系統(tǒng)；最后在教學(xué)樓和宿舍樓的光伏建設(shè)中，還需要將屋內(nèi)的發(fā)電量、通風(fēng)情況以及隔熱狀況考慮在內(nèi)。

由此可見，不同的校園建筑，考慮不同的設(shè)計(jì)形式、用途以及特殊要求，需要對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，另外，同種類型的校園建筑，即使有著相似的建筑形式和光照情況，光伏系統(tǒng)也可以通過單一類型的子變量進(jìn)行深入的分析和探究，實(shí)現(xiàn)同種光伏電池在各種應(yīng)用類型下的最大發(fā)電效率。除此之外，還可以對(duì)光伏系統(tǒng)的電池組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的光電需求和要求，選擇更為合適的光伏電池，實(shí)現(xiàn)最大效益的發(fā)電方式。

3.4 采用創(chuàng)意性的光伏設(shè)計(jì)，提升校園美感

現(xiàn)代的校園建設(shè)不再單純地局限于滿足教育這個(gè)單一元素，越來越多的校園將更多的旅游色彩和美感元素融入其中，因此，校園在對(duì)建筑進(jìn)行光伏布置時(shí)，可以將更多具有創(chuàng)意性的光伏系統(tǒng)與校園環(huán)境融合起來，除了發(fā)電減耗作用外，還可以起到一定的美化校園、增添校園趣味性、提升校園科技美感的效果，打造校園亮麗的風(fēng)景線。例如，太陽能電動(dòng)車、太陽能長(zhǎng)廊、太陽能路燈、太陽能音樂噴泉等，無形之中豐富了學(xué)生的課外生活，提升了校園的美學(xué)層次。

3.5 融合更多綠色主題，營(yíng)造綠色生態(tài)校園

綠色環(huán)保是當(dāng)前整個(gè)社會(huì)發(fā)展的主旋律，因此，在校園光伏系統(tǒng)的布局和光伏建筑設(shè)計(jì)中，可以由光伏發(fā)電帶動(dòng)整個(gè)校園的綠色發(fā)展，比如可以借助于太陽能熱水系統(tǒng)、校園中水系統(tǒng)以及綠色建筑等形式實(shí)現(xiàn)整個(gè)校園的環(huán)保意識(shí)，做到節(jié)能的同時(shí)，可以同時(shí)節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材等，營(yíng)造一個(gè)真正意義的綠色生態(tài)校園。

綜上所述，光伏一體化技術(shù)在校園建筑中的應(yīng)用有著良好的環(huán)境等自身優(yōu)勢(shì)，對(duì)校園耗能的降低以及校園環(huán)境的改善都有著積極的意義，因此，需要進(jìn)一步加大校園光伏建筑的投入力度，帶動(dòng)綠色生態(tài)校園的發(fā)展。

[1]李芳，席暉.光伏建筑一體化技術(shù)在教學(xué)建筑中的應(yīng)用設(shè)計(jì)初探[J].河南科技，2013,(9): 238-239.

[2]練成雄.淺談光伏發(fā)電與校園建筑的應(yīng)用[J].日用電器，2013,(10)：57-61.

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[4]胡國(guó)進(jìn)，敖四江，王曉玲.太陽能光伏技術(shù)在高校的研發(fā)與應(yīng)用探析[J].江西教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33(3)：24-27.

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Application Analysis of Photovoltaic Building Integration in Campus Environment

LIANG Nan

(Construction Institute, Anhui Engineering University, Wuhu Ahui 241000, China)

With the popularization of the integration of photovoltaic technology, campus photovoltaic construction has attracted increasing attention from the society. In this paper, based on the current campus energy consumption, the significance of application of BIPV in campus and the application advantage and efficiency advantages was analyzed. And some measures and ideas of building integrated photovoltaic application in the campus environment were put forward, combined with problems in the current technology of campus building integrated photovoltaic in China so as to create a better green ecological campus environment.

photovoltaic system; building energy consumption; campus; application analysis

2017-01-03

安徽工程大學(xué)校級(jí)青年科研基金“光伏建筑一體化(BIPV)在安徽地區(qū)的節(jié)能表現(xiàn)與應(yīng)用價(jià)值分析”(2016YQ33)

梁 楠(1988—)，男，安徽合肥人，教師，碩士，研究方向?yàn)榫G色建筑設(shè)計(jì)和城市更新。

TU201.5

A

1674-344X(2017)2-0059-04