基于太陽能利用的建筑節(jié)能技術(shù)與溫室氣體排放量的預(yù)測研究

摘要：太陽能利用對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少二氧化碳排放有著極其重要的意義，是我國可持續(xù)發(fā)展的重要能源保障。尤其是，太陽能利用可以與建筑相結(jié)合這一特點(diǎn)使得太陽能技術(shù)表現(xiàn)出其他能源所無法比擬的發(fā)展前景。本文介紹了太陽能利用與建筑節(jié)能結(jié)合的多種技術(shù)形式，并通過建立計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型對我國2020年二氧化碳減排量進(jìn)行了預(yù)測和分析，進(jìn)一步說明了太陽能利用對于能源安全與環(huán)境保護(hù)的重要意義。

關(guān)鍵詞：太陽能； 二氧化碳排放； 光伏發(fā)電； 建筑節(jié)能； 預(yù)測

中圖分類號：X382 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）01-0001-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.01.001

Review on building energy conservation techniques based on solar energy utilization and forecast on greenhouse gas emissions

Qiu Xin

（ Wenzheng College of Soochow University， Suzhou Jiangsu 215104， China）

Abstract： It is well known that the solar energy utilization is a promising approach to reduce the consumption amount of fossil energy and decrease carbon dioxide emissions with the aim to alleviate the pressure of energy. Especially， the solar energy technique can be directly used by combining with building energy conservation， which shows better application prospect than other energy sources. The research status of solar energy and the various techniques of the combination of solar energy and building energy conservation are summarized in the present paper. The models based on the econometrics were established and used to forecast the amount of energy saving and emission reduction in 2020 in this paper. The results furtherly verify the importance of the application of solar energy for energy security and environment protection.

Keywords： Solar energy， Carbon dioxide emissions， Photovoltaic power generation， Building energy conservation， Forecast

自20世紀(jì)90年代開始，我國經(jīng)濟(jì)步入了高速發(fā)展階段，國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）從1999年的8.04萬億元增長到了2014年的63.61萬億元，名義GDP增長了近7倍；絕對居民消費(fèi)水平從1999年的3143元上升到了2014年的17806元，增加了近5倍。與此同時(shí)，我國建筑業(yè)也得到了蓬勃發(fā)展，全國建筑竣工面積從1999年的73924.94萬平方米增長到2014年的423357萬平方米[1]，增加了近5倍。值得注意的是，與之相對應(yīng)的是我國能源消費(fèi)亦是增長迅猛，一次能源消費(fèi)總量從1999年的14.06億噸標(biāo)煤增加到了2014年的42.60億噸標(biāo)煤[2]，比當(dāng)年的北美洲合計(jì)消費(fèi)總量還要多，約為歐盟消費(fèi)總量的2倍。龐大的能源消費(fèi)量帶來了龐大的污染物排放量，多年來我國的二氧化碳排放量始終位居全球第一，2016年排放量相當(dāng)于北美洲的1.44倍（我國當(dāng)年的一次能源消費(fèi)總量僅相當(dāng)于北美洲的1.09倍）。

在如此龐大的能源消費(fèi)總量中，建筑能耗所一直居高不下，約占社會(huì)總能耗的三分之一。面對這一問題，我國提出以提高能源使用效率、降低污染物排放為目標(biāo)，大力倡導(dǎo)可再生能源的使用，同時(shí)確定了建筑節(jié)能將是我國長期的重點(diǎn)努力的方向。

1 太陽能技術(shù)的優(yōu)勢

與核電、水電、風(fēng)電以及生物能發(fā)電等可再生能源的利用相比，太陽能因其具有安全、無噪聲、利用限制小、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，在近年來得到了顯著發(fā)展。此外，其他可再生能源的應(yīng)用基本上都局限于電站發(fā)電，而太陽能是唯一可以直接應(yīng)用于建筑物的可再生能源，且可以多種應(yīng)用形式與建筑結(jié)合，是最適用于建筑節(jié)能減排的能源形式，在降低建筑能耗方面有著無可比擬的優(yōu)勢。目前，太陽能在建筑節(jié)能方面的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 太陽能應(yīng)用于建筑的主要形式圖

2 太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用

目前太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用主要是熱水系統(tǒng)，可以分為分散式太陽能熱水系統(tǒng)和太陽能熱水建筑一體化。據(jù)2016年12月國家能源局發(fā)布的《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中2020年我國的“太陽能熱利用集熱面積達(dá)到8億平方米”以及“因地制宜推廣太陽能供熱”可知，大力發(fā)展太陽能熱水系統(tǒng)還將在我國的中長期能源政策中占有重要地位。

2.1 分散式太陽能熱水系統(tǒng)

分散式太陽能熱水系統(tǒng)（又稱太陽能熱水器）是太陽能應(yīng)用于建筑的初級形式，主要為單戶家庭提供熱水，在太陽能利用方式中技術(shù)最為成熟且安裝費(fèi)用較低，目前在我國的應(yīng)用非常廣泛、城市農(nóng)村里隨處可見，是極為適合我國國情的建筑節(jié)能減排方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年至2014年間我國太陽能熱水器年增長率始終保持在15%以上，尤其是2012年和2014年的年增長率更是達(dá)到了30%以上，太陽能熱水器的生產(chǎn)量和保有量居世界第一位。如果按一平方米年可替代標(biāo)準(zhǔn)煤120公斤計(jì)算，2014年太陽能熱水器年可替代能源消費(fèi)量甚至略高于當(dāng)年菲律賓的一次能源消費(fèi)總量。以上數(shù)據(jù)顯示，太陽能熱水器在我國的節(jié)能減排中發(fā)揮了極大作用。

2.2 太陽能熱水建筑一體化

太陽能熱水建筑一體化是將太陽能熱水系統(tǒng)中的集熱器與建筑進(jìn)行結(jié)合的一種建筑節(jié)能技術(shù)。這種方式與傳統(tǒng)的太陽能熱水器相比，不會(huì)對建筑產(chǎn)生損壞，整體更為美觀，且適用于包括高層建筑在內(nèi)的所有建筑。根據(jù)集熱器與建筑物結(jié)合的程度，可以分為附加型和建材型。前者是將集熱器用裝配件安裝到建筑物上，建筑物起支承作用，可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，成本較低；后者將集熱器建材化，是“真正的”太陽能熱水建筑一體化，但因需要根據(jù)具體情況與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)與制造、不適合大批量生產(chǎn)[3]。

3 太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用

太陽能發(fā)電有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種，因目前光熱發(fā)電在太陽能發(fā)電中所占比例極小且無法直接應(yīng)用于建筑節(jié)能，本文不做介紹。

我們目前所說的太陽能發(fā)電多指光伏發(fā)電，其原理是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N太陽能發(fā)電技術(shù)。我國對于光伏發(fā)電的應(yīng)用從20世紀(jì)70年代的空間應(yīng)用開始，逐漸向通信和工業(yè)應(yīng)用、無電地區(qū)應(yīng)用、光伏產(chǎn)品和分散利用、與建筑結(jié)合的分布式發(fā)電以及大型并網(wǎng)光伏電站等多種應(yīng)用方向拓展[4]。

2005年，我國累計(jì)光伏裝機(jī)容量僅為68MW、約占世界總?cè)萘康?.6%[2]。從2009年初開始，伴隨著《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見》《太陽能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》等多種國家級鼓勵(lì)政策與補(bǔ)貼的陸續(xù)出臺(tái)，我國的光伏發(fā)電迎來了高速發(fā)展期。2009年初至2015年底，我國累計(jì)裝機(jī)容量增加了二百多倍，年平均增長率近120%，最高增長率為2011年的317.6%。2015年底我國的累計(jì)光伏裝機(jī)容量達(dá)到43530MW[2]、占據(jù)全球光伏裝機(jī)容量的約20%，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最多的國家。

光伏發(fā)電與建筑的結(jié)合免去了電力的長距離輸送、節(jié)省了長期大量的人力物力投入，比如對于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的較為偏遠(yuǎn)的西部地區(qū)或是其他地區(qū)農(nóng)村山區(qū)，光伏發(fā)電更容易解決當(dāng)?shù)氐挠秒婋y題，對我國人口密度較大的中部與東南部地區(qū)，用電量最大的是夏季，此時(shí)太陽光照條件是全年最好的時(shí)候，光伏建筑一體化為解決用電難題提供了很好的解決思路。且光伏建筑產(chǎn)生的電能除可自用外，也可將多余電量通過并網(wǎng)出售，同時(shí)當(dāng)因天氣原因造成的發(fā)電量不足時(shí)又可以正常方式從電網(wǎng)中購買、靈活方便。

光伏發(fā)電與建筑的結(jié)合形式主要有BAPV（Building Attached Photovoltaic）與BIPV（Building Integrated Photovoltaic）兩種。其中，BAPV是附著在建筑物上的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱 “安裝型”光伏建筑。BIPV則是太陽能發(fā)電系統(tǒng)成為建筑物不可分割的一部分（例如光伏屋頂、光伏幕墻），又稱“建材型”或“構(gòu)件型”光伏建筑，是真正的建筑光伏一體化。

4 光伏光熱建筑一體化

太陽能光伏光熱建筑一體化又稱BIPV/T（Building Integrated Photovoltaic/Thermal），是在“建材型”光伏建筑的基礎(chǔ)上，通過在光伏組件背面使用水冷或風(fēng)冷的方式為組件降溫的方式，在光伏系統(tǒng)發(fā)電的同時(shí)為建筑提供熱水或供暖，是“零能耗建筑”的技術(shù)保障。光伏組件在工作時(shí)會(huì)放出極大的熱量，這些熱量將導(dǎo)致太陽能光伏組件的發(fā)電效率隨組件溫度升高而降低。BIPV/T不但解決了這個(gè)問題、改善了BIPV的發(fā)電效率，同時(shí)還以水或空氣為吸熱介質(zhì)將這些熱量進(jìn)行收集，為建筑提供熱水或用來改善室內(nèi)熱環(huán)境，極大提高了太陽能的利用效率。

BIPV/T目前尚處于研究試驗(yàn)階段，建筑本身與光伏、光熱設(shè)備的使用壽命間的較大差異造成的設(shè)備更換、光伏和光熱系統(tǒng)的規(guī)劃與建筑之間的協(xié)調(diào)與設(shè)計(jì)等難題也須得到解決[5]。

5 太陽能利用與溫室氣體減排量預(yù)測

近年來，我國的二氧化碳排放量一直高居世界第一位，這與我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展分不開，同時(shí)也是由于我國的以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)決定的。為了抑制逐年增加的二氧化碳排放量，緩解其對環(huán)境的不利影響，多年來我國一直著力于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提倡可再生能源的使用。我國政府公布的二氧化碳減排目標(biāo)為：到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將分別比2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到15%[6]。

本文利用2005年至2015年間的太陽能光電與光熱轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)建立計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，對2020年二氧化碳排放量進(jìn)行預(yù)測，具體模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可以看出，為了獲得單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放（即CO2/GDP）的預(yù)測值，最重要的是對二氧化碳總排放量的進(jìn)行有效預(yù)測。二氧化碳總排放量的多少取決于化石能源消費(fèi)量和化石能源的消費(fèi)方式，由圖2的層層推導(dǎo)可得到函數(shù)式：CO2排放量= f（一次能源中化石能源消費(fèi)量fuel，可再生能源發(fā)電比例raren），由此利用Excel軟件建立多元線性回歸方程，擬合結(jié)果如表1所示：

此外，為了更好地反應(yīng)太陽能利用對我國節(jié)能減排的意義，我們還建立了“太陽能利用節(jié)約化石能源量與二氧化碳減排量計(jì)算模型”，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 太陽能利用節(jié)約化石能源量與二氧化碳減排量計(jì)算模型結(jié)構(gòu)圖

通過上述兩個(gè)模型，可以得到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）二氧化碳排放值和太陽能利用年可替代標(biāo)準(zhǔn)煤以及由此得到的二氧化碳減排量，預(yù)測結(jié)果與相關(guān)設(shè)定見表2。

通過預(yù)測并結(jié)合表2中的分析結(jié)果，可以看出，2020年我國二氧化碳排放量約為10261.27百萬噸，單位GDP二氧化碳排放值為1.09噸/萬元，與2015年1.33噸/萬元相比，下降了18.3%，完全可以完成我國2020年的二氧化碳減排目標(biāo)。此外，2020年可再生能源發(fā)電比例達(dá)到28.84%，化石能源發(fā)電比例進(jìn)一步下降；2020年太陽能利用年可替代標(biāo)煤12637萬噸，相較于2015年6505.82萬噸，增加了近一倍，與2015年阿根廷一個(gè)國家的一次能源消費(fèi)總量基本持平；由于太陽能利用，2020年二氧化碳減排量達(dá)到31045萬噸，約為當(dāng)年我國總排放量的1/33。以上數(shù)據(jù)說明，我國的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、可再生能源的廣泛利用尤其是太陽能這種最為靈活的可再生能源的進(jìn)一步推廣對我國的污染物排放是否達(dá)標(biāo)起到?jīng)Q定性作用。

6 結(jié)語

通過本文中的分析與計(jì)算，可知未來我國太陽能利用的高速發(fā)展期還將延續(xù)，尤其是與建筑相結(jié)合的發(fā)展方向大有可為。我國幅員遼闊、人口眾多，且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、商用、住宅面積增長迅速，太陽能在建筑中的利用有利于緩解建筑能耗過高、能源緊張以及污染物排放等日益嚴(yán)重的能源與環(huán)境問題，是零能耗建筑的發(fā)展方向。太陽能熱水系統(tǒng)方面伴隨著分散式太陽能熱水系統(tǒng)保有量的繼續(xù)增長，太陽能熱水建筑一體化技術(shù)的發(fā)展將填補(bǔ)日益增多的高層建筑、商用建筑以及熱水需求量極大的高校宿舍等不適應(yīng)分散式太陽能熱水系統(tǒng)的安裝空白；太陽能發(fā)電方面隨著建筑光伏一體化技術(shù)應(yīng)用的推進(jìn)，我國現(xiàn)有的建筑物進(jìn)行BAPV改造有著極其廣闊的市場，BIPV與BIPV/T的技術(shù)進(jìn)步也將逐漸解決現(xiàn)存問題、加快其產(chǎn)業(yè)化步伐。政策方面，國家能源局于2016年12月公布的《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，明確提出“大力推進(jìn)屋頂分布式光伏發(fā)電”為“十三五”期間的重點(diǎn)任務(wù)。有了市場的需要以及政策的引導(dǎo)，太陽能建筑將從低層次的太陽能利用有層次地逐漸向高水平的太陽能建筑一體化進(jìn)行轉(zhuǎn)變，是未來太陽能利用以及綠色建筑的發(fā)展方向。

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收稿日期：2018-01-02

作者簡介：裘欣（1981-），女，碩士，助教，研究方向?yàn)榭稍偕茉蠢门c節(jié)能減排。