光伏建筑一體化與產(chǎn)能建筑

牛芝雅，鞠振河

（沈陽(yáng)工程學(xué)院a.研究生院；b.新能源學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

1 概述

被動(dòng)房最初的設(shè)計(jì)思想是希望能夠設(shè)計(jì)出一套可以不依靠任何外加的熱源來(lái)度過(guò)寒冷冬季的房子。而實(shí)際上真正的第一件被動(dòng)式作品是一艘考察船，這艘考察船是在1883年由挪威建造的。即使在北極或者南極這種極端的氣溫下，都可以做到不使用任何的輔助采暖設(shè)備就能夠使船內(nèi)一直保持在一個(gè)舒適的溫度。當(dāng)時(shí)采用的方法是降低船體的熱橋，使船體的保溫性能盡可能的好。在1990年才真正建造出世界上第一棟被動(dòng)房建筑，這是一棟具有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的被動(dòng)房建筑。在這一百年內(nèi)，歐洲各國(guó)嘗試了各種方法去建造被動(dòng)房，期間設(shè)計(jì)出的諸多低能耗建筑給未來(lái)的被動(dòng)房建筑設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

德國(guó)提出了最新的《節(jié)能法》，要求在2021年之后實(shí)施建造的建筑要達(dá)到“近零能耗建筑”的標(biāo)準(zhǔn)，到2050年所有存在的建筑均為“近零能耗建筑”。對(duì)達(dá)到被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)的建筑，德國(guó)被動(dòng)房研究院可以對(duì)其進(jìn)行被動(dòng)房的認(rèn)證。德國(guó)被動(dòng)房建筑標(biāo)準(zhǔn)體系是一套完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。被動(dòng)房這個(gè)詞是德國(guó)被動(dòng)房研究所所擁有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，是一個(gè)受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵詞。所以，在討論被動(dòng)房的時(shí)候要對(duì)德國(guó)被動(dòng)房與中國(guó)被動(dòng)房加以區(qū)分［1］。

德國(guó)政府將產(chǎn)能型建筑列為未來(lái)房屋發(fā)展計(jì)劃，同時(shí)對(duì)多個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行投資，嘗試設(shè)計(jì)并建造試點(diǎn)建筑，用來(lái)進(jìn)行相關(guān)的研究。

被動(dòng)房在中國(guó)的前景無(wú)疑是巨大的。由于北方冬季的天氣寒冷，冬季的供暖供熱會(huì)產(chǎn)生巨大的碳排放量。同時(shí)因?yàn)榉课莸脑O(shè)計(jì)，保溫隔熱性能較差，即使供熱較好的建筑，室內(nèi)溫度也常常很低。而在中國(guó)的南方地區(qū)，冬季是沒(méi)有供熱的，室內(nèi)溫度常常在10℃以下，居住的環(huán)境非常不舒適，生活的質(zhì)量大打折扣。

2 被動(dòng)房是降低建筑能耗的關(guān)鍵手段

目前，我國(guó)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行才剛剛起步。以50%的標(biāo)準(zhǔn)作為能源標(biāo)準(zhǔn)被普遍采用，與德國(guó)相比，即使是65%的能源標(biāo)準(zhǔn)，依然高于德國(guó)兩倍以上。在90年代，德國(guó)制造出了第一座被動(dòng)式建筑，簡(jiǎn)稱被動(dòng)房，這給日后建造各種被動(dòng)房提供了有力的依據(jù)。該建筑的能耗也僅僅是普通的德國(guó)房屋能耗的30%。被動(dòng)房依靠平時(shí)人體散熱的溫度，以及一些電器的散熱，還有人的日常生活所產(chǎn)生的熱量來(lái)維持室內(nèi)的溫度，使室內(nèi)的溫度時(shí)刻處于令人舒適的狀態(tài)。被動(dòng)房的原理并不復(fù)雜，只須通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，高精準(zhǔn)度的施工，選用合適的材料，就可以有效地提高建筑的保溫能力、隔熱性能和氣密性能，同時(shí)利用新風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)能量進(jìn)行循環(huán)回收以及再利用，從而最大限度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能。能夠有效地降低房屋能耗的關(guān)鍵技術(shù)就是被動(dòng)房技術(shù)，如果能夠滿足以下標(biāo)準(zhǔn)，即可成為被動(dòng)房：

1）采暖所消耗的一次能源每年每平方米不得超過(guò)15 kW·h；

2）總消耗的一次能源每年每平方米不得超過(guò)120 kW·h；

3）當(dāng)室內(nèi)與室外壓差在50 Pa時(shí)，換氣次數(shù)不得超過(guò)0.6次/h。

如果符合以上的幾項(xiàng)參數(shù)，那么就意味著該建筑已經(jīng)達(dá)到了被動(dòng)房的標(biāo)準(zhǔn)［2］。

在設(shè)計(jì)被動(dòng)房時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮建筑所在地的地理位置以及相應(yīng)的氣候環(huán)境，針對(duì)建筑的不同需求來(lái)采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)，被動(dòng)房設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于避免屋內(nèi)與屋外的冷熱交換，所以應(yīng)當(dāng)采用保溫隔熱性能較好的材料，同時(shí)保證接縫處的氣密性，避免熱量從窗戶或者其他有縫隙的地方損失。當(dāng)屋內(nèi)環(huán)境與屋外環(huán)境隔絕后，為了保證室內(nèi)空氣質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)或者采用相應(yīng)的設(shè)備來(lái)完成換氣。這樣就保證了在高質(zhì)量的居住舒適條件的前提下，通過(guò)減少環(huán)境的熱量損失，使能耗盡可能的少。

3 BIPV與BAPV

設(shè)計(jì)被動(dòng)房之初是為了不使用任何附加熱源而度過(guò)寒冷的冬季，而隨著人們對(duì)生活質(zhì)量的不斷追求，不僅要讓居住環(huán)境在冬季保持溫度適宜，還應(yīng)在夏天保持室內(nèi)的涼爽。隨著節(jié)能減排這個(gè)觀念的提出，被動(dòng)房在設(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)不斷降低能源的消耗，同時(shí)采用清潔能源作為節(jié)能建筑的唯一能源。因此，太陽(yáng)能建筑一體化這個(gè)概念就誕生了。

光伏系統(tǒng)與太陽(yáng)能的結(jié)合方式一般分為兩種：一是對(duì)現(xiàn)有的建筑用光伏系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其成為以太陽(yáng)能供電的建筑，也可以稱為光伏系統(tǒng)依附于建筑物，這種稱為BAPV系統(tǒng)；另一種是將光伏組件作為建材，在建筑物的建造之初就將光伏組件融入到建筑物之中，也可稱為光伏組件與建筑的一體化集成設(shè)計(jì)，這種系統(tǒng)也可稱為BIPV系統(tǒng)。

3.1 建筑一體化光伏系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

相比BAPV系統(tǒng)，對(duì)原有建筑物進(jìn)行改造無(wú)疑是利用類似屋頂和墻壁這種現(xiàn)有無(wú)用位置，將太陽(yáng)能組件安裝到這些位置上，雖然這種安裝形式可以有效地利用各種無(wú)用面積，但是美觀性不足。而BIPV系統(tǒng)則有更多的優(yōu)勢(shì)，除了可以正常的發(fā)電，還為與建筑物集成的這種形式提供了很多的附屬功能。相比BAPV系統(tǒng)，BIPV更具有美觀性，同時(shí)光伏建材也有普通建材所具有的特點(diǎn)。這種材料不光能夠發(fā)電，還具有比普通建材更好的性能，例如隔音、屏蔽輻射、減少熱損失等。

雖然BIPV系統(tǒng)目前的發(fā)展前景非常廣闊，甚至可以說(shuō)是建筑發(fā)展的必然趨勢(shì)，但是發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)還面臨著很多的困難以及挑戰(zhàn)，主要分為3個(gè)方面：一是技術(shù)層面的問(wèn)題；二是設(shè)計(jì)層面上的問(wèn)題；三是經(jīng)濟(jì)層面上的問(wèn)題。BIPV系統(tǒng)需要將光伏組件與建筑物高度集合，所以光伏組件的一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要滿足建筑物的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及法規(guī)，尤其需要達(dá)到建筑物的相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)，例如防火、電氣安全以及機(jī)械強(qiáng)度。另外，還應(yīng)該保證光伏建材相應(yīng)的使用年限應(yīng)該與一般的建材相匹配。所以，光伏建材的使用壽命必須要比一般的光伏材料長(zhǎng)，同時(shí)還應(yīng)該解決在使用中產(chǎn)生的高溫問(wèn)題，使光伏建材能夠有效地降溫。這些都是技術(shù)層面所面臨的問(wèn)題。設(shè)計(jì)層面上的問(wèn)題主要是BIPV系統(tǒng)的組件需要在外觀上與建筑物完美結(jié)合，從而讓建筑物更加美觀，顏色、安裝方式以及耦合方式都是能夠影響建筑物美觀的設(shè)計(jì)層面問(wèn)題，同時(shí)還不能影響建筑本身的功能，例如遮陽(yáng)、擋雨等。在經(jīng)濟(jì)層面上，則是要使用光伏建材來(lái)代替原有的建材，從而降低系統(tǒng)的成本，而且通過(guò)選用的光伏材料應(yīng)該具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，這樣的材料可以提高發(fā)電效率，能夠進(jìn)一步地降低系統(tǒng)的成本。

3.2 促進(jìn)光伏建筑一體化發(fā)展的有效措施

為了能夠有效地解決以上問(wèn)題，同時(shí)促進(jìn)光伏建筑一體化的發(fā)展，可嘗試采取下列措施：

1）盡可能的降低成本，提高太陽(yáng)能與其他能源的競(jìng)爭(zhēng)力。優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及組件的結(jié)構(gòu)，在能夠滿足系統(tǒng)安全以及結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度的前提下，盡可能的減少材料的使用。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)的排線簡(jiǎn)單明了，減少電纜線路的使用。同時(shí)，政府應(yīng)該鼓勵(lì)在建筑設(shè)計(jì)時(shí)采用光伏建筑一體化。

2）盡可能的提高光伏系統(tǒng)的效率。從技術(shù)上研發(fā)效率更高的光伏組件以供使用。每個(gè)案例應(yīng)該針對(duì)具體情況進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)來(lái)滿足不同建筑的不同需求，例如可以讓太陽(yáng)能電池組件盡量處于一個(gè)效率相對(duì)高的工作溫度；針對(duì)不同建筑物的立面和屋頂，可以采用不同的逆變器的連接方式，選用集中逆變或者使用微逆變器提高系統(tǒng)的效率，采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)以及對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以最大化地利用太陽(yáng)能；光伏組件在安裝的時(shí)候要盡量選擇光照充足的方位，在不影響美觀的前提下，要盡量做到以最佳傾角安裝。

3）提高系統(tǒng)的安全性。光伏組件既然作為建材使用，在滿足建材標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)的前提下，針對(duì)不同的建筑物，應(yīng)當(dāng)采用適合的光伏建材，同時(shí)要對(duì)這些建材進(jìn)行相關(guān)的安全測(cè)試，例如防火測(cè)試、電氣安全相關(guān)測(cè)試，以及機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)試。

4）應(yīng)當(dāng)盡快出臺(tái)光伏建筑一體化的相關(guān)法律法規(guī)，使建筑商能夠有相關(guān)的建筑依據(jù)與參考，有了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，才能夠?qū)κ欠穹蠘?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一的認(rèn)證。

5）在使用光伏材料作為建材時(shí)，光伏材料都應(yīng)具有建筑材料所具有的一般功能，在追求發(fā)電量最大化時(shí)，不能以犧牲一般建材的附加能力為代價(jià)。

6）開發(fā)新的光伏材料，提高光伏組件在建材上的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 產(chǎn)能建筑

所謂“產(chǎn)能建筑”，指的是建筑本身可以發(fā)電，在以滿足自身能耗條件的前提下，將無(wú)法利用的多余能量送入電網(wǎng)，用來(lái)供給其他負(fù)載?！爱a(chǎn)能建筑”將重點(diǎn)放在節(jié)能以及產(chǎn)能上，同時(shí)還要求盡可能地使用綠色環(huán)保材料來(lái)減低碳排放量，在可以滿足健康舒適的室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的前提下，應(yīng)該最大限度地降低能耗，利用自然采光、自然通風(fēng)或者利用人體散熱以及家用電器的散熱。產(chǎn)能型建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)通常與被動(dòng)房的設(shè)計(jì)相一致，并且要優(yōu)于被動(dòng)房。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要具有以下特點(diǎn)［3］：

1）使用保溫性能高的建筑材料

使用保溫隔熱性能好的建筑材料，可以在冬季抵御室外的嚴(yán)寒，也可以在夏季抵擋住高溫以及熱輻射。因此，墻體可以采用蓄熱能力較強(qiáng)的材料。高效的保溫隔熱是保證室內(nèi)時(shí)刻處于宜居溫度的關(guān)鍵。

2）保證建筑良好的氣密性

針對(duì)建筑的門窗縫隙進(jìn)行密封，可以提高建筑物的氣密性，防止熱量從這些縫隙中逸散，從而減少建筑內(nèi)外環(huán)境的冷熱量交換。室內(nèi)溫度的損失減少，用于維持相應(yīng)溫度所需的熱負(fù)荷與冷負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能的目的。除了門窗的縫隙之外，還應(yīng)考慮墻體之間的縫隙，尤其是一些墻體內(nèi)的穿墻預(yù)埋件，針對(duì)這些位置應(yīng)當(dāng)做相應(yīng)的處理，防止熱量從這些地方散失。

3）降低建筑的熱橋

“熱橋效應(yīng)”是一種物理上的效應(yīng)，它表示的是物體中的熱量傳導(dǎo)的一種效應(yīng)，一般用來(lái)表示材料當(dāng)中冷熱交換比較巨大的地方，這種冷熱交換比較密集并且巨大的位置就稱之為熱橋。熱橋的存在加快了熱量的損失，所以在設(shè)計(jì)建造時(shí)要盡量避免熱橋的存在。針對(duì)熱橋的存在，在建筑時(shí)應(yīng)當(dāng)將建筑物的外圍包裹在保溫層內(nèi)，構(gòu)件不允許貫穿保溫層，要做好對(duì)建筑物的陰陽(yáng)角的包角工作。

4）新風(fēng)系統(tǒng)及新風(fēng)熱回收

當(dāng)建筑內(nèi)外相互獨(dú)立時(shí)，被動(dòng)換氣無(wú)法提供足量的新空氣，就需要用新風(fēng)系統(tǒng)為建筑物內(nèi)部進(jìn)行空氣更新，同時(shí)針對(duì)排出建筑物的廢空氣所攜帶的熱量，利用新風(fēng)熱回收系統(tǒng)來(lái)回收這部分熱量，從而減少能量的損失。

5）供暖供熱功率較低

通過(guò)提高建筑物的保溫隔熱能力及建筑物的氣密性，增設(shè)新風(fēng)系統(tǒng)和新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)屋內(nèi)良好適宜的居住環(huán)境。當(dāng)建筑物的保溫隔熱能力提高了之后，熱能損失減少，供暖以及供熱的負(fù)荷就降低了，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

6）充分利用太陽(yáng)能等可再生能源

被動(dòng)房在降低房屋能耗的同時(shí)，也考慮使用太陽(yáng)能作為房屋的能量來(lái)源。太陽(yáng)能不僅僅能夠提供電能，還能提供建筑所需的熱能，例如熱水、地?zé)岬?。還可以把多種新型能源結(jié)合利用。

產(chǎn)能型建筑主要通過(guò)提高3個(gè)技術(shù)指標(biāo)來(lái)做到開源節(jié)流：一是通過(guò)提高建筑的隔熱能力，從而提高能源的利用率，防止能源的浪費(fèi)；二是盡量降低能源的消耗，做到能源的節(jié)約；三是建筑物內(nèi)的能源要采用可再生能源和綠色能源。

1）提高建筑能源利用率

在設(shè)計(jì)產(chǎn)能建筑時(shí)，建筑物的設(shè)計(jì)不應(yīng)該過(guò)于寬敞，以防熱量散發(fā)；在建筑物的周圍避免有遮擋，以便于建筑物吸收熱量，同時(shí)也能夠讓太陽(yáng)能發(fā)電更加穩(wěn)定；還要根據(jù)對(duì)溫度需求的不同采用不同的建筑物朝向，合理的設(shè)計(jì)窗戶的位置以及大小，南側(cè)可以適當(dāng)?shù)拈_幾扇窗戶，而在北側(cè)如果不是有必要的話，可以考慮不開窗戶。太陽(yáng)能電池的安裝位置一般在屋頂?shù)臇|、南、西三面墻上，要在這些位置留有一定的空間安裝太陽(yáng)能電池，如果留有的位置過(guò)大，則會(huì)影響窗戶的面積從而影響屋內(nèi)的采光；如果窗戶的面積過(guò)大，則會(huì)影響太陽(yáng)能電池的安裝面積，從而影響建筑物的發(fā)電量。同時(shí)，建筑物的保溫隔熱一定要做好，還有建筑的氣密性也要做到最佳，這些方面可以將被動(dòng)房的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為建筑參考。

2）降低建筑能源消耗

產(chǎn)能型建筑最優(yōu)先的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要做到自給自足，所以設(shè)計(jì)一棟產(chǎn)能建筑就是一個(gè)系統(tǒng)化的工程。家里的電器一般要選用能耗最低的電器，供暖系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)可以選用以太陽(yáng)能作為能源的設(shè)備，使用能源控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)電、儲(chǔ)電和用電進(jìn)行合理化的管理。新風(fēng)系統(tǒng)可以將建筑物排出的廢氣中的熱量進(jìn)行回收再利用，減少熱量的浪費(fèi)，不僅可以對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)管，防止儲(chǔ)能元件溫度過(guò)高，對(duì)電器設(shè)備造成損壞，同時(shí)也可以對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的充放電進(jìn)行控制，完成儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)電器供電方式的合理再分配。

3）利用可再生能源

產(chǎn)能建筑要使用一些比如太陽(yáng)能等新能源作為能量來(lái)源，太陽(yáng)能可以提供建筑所需的電能以及熱能。建筑的設(shè)計(jì)要盡量考慮自然采光，利用新風(fēng)熱回收系統(tǒng)保證室內(nèi)溫度不宜過(guò)低。采用能量管理系統(tǒng)將白天太陽(yáng)能產(chǎn)生的多余電能存儲(chǔ)起來(lái)，到了夜間就可以用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)給建筑物供電。儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)一般需要參考當(dāng)?shù)氐臍夂?，尤其是最大連續(xù)陰天數(shù)。如果蓄電池已經(jīng)滿電，同時(shí)發(fā)出的電能又高于建筑所耗的電能，可以將電能送入電網(wǎng)，以供其他負(fù)載使用。

由于產(chǎn)能建筑使用太陽(yáng)能電池組件發(fā)電作為電能的主要來(lái)源，所以發(fā)電量受光照的影響非常大。因此，在設(shè)計(jì)產(chǎn)能建筑的時(shí)候要充分考慮該地區(qū)的氣候、環(huán)境，以及往年的天氣來(lái)決定該地區(qū)是否適合建造太陽(yáng)能建筑。在設(shè)計(jì)產(chǎn)能建筑的朝向時(shí)，也應(yīng)當(dāng)將這些外在的因素納入到考慮范圍內(nèi)，同時(shí)這些因素也能夠決定光伏材料的安裝方式。針對(duì)產(chǎn)能建筑設(shè)計(jì)相應(yīng)的能量管理系統(tǒng)，以防因?yàn)閷?duì)溫度設(shè)置的不正確而影響了房屋的節(jié)能率，造成了不必要的浪費(fèi)。對(duì)產(chǎn)能建筑增加能量監(jiān)管系統(tǒng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的發(fā)電量以及耗電量，以便于觀察能源系統(tǒng)是否存在問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)以及建造產(chǎn)能建筑時(shí)，大力提倡使用新型的環(huán)保材料、可循環(huán)再生的建材，能源也應(yīng)當(dāng)采用清潔綠色能源，以此來(lái)降低房屋的碳排放量。

5 結(jié)論

產(chǎn)能型建筑的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是零能耗建筑，但是相比零能耗建筑，產(chǎn)能建筑更具有優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)能建筑的大部分能量來(lái)自于可再生能源或者綠色清潔能源，較傳統(tǒng)能源相比，更能有效地降低碳排放量。通常采用太陽(yáng)能電池作為建筑物的能量來(lái)源，供給建筑物內(nèi)的一般電器使用。產(chǎn)能型建筑一般應(yīng)當(dāng)具有以下的特點(diǎn)：

1）與建筑物相結(jié)合，節(jié)省土地。適合在建筑物密集的城市中采用。

2）建筑一體化的材料是可以替代不同建材的，相比原本的系統(tǒng)，這種形式的光伏系統(tǒng)會(huì)更具有經(jīng)濟(jì)性。

3）光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)采用“自發(fā)自用”模式，在滿足自身建筑的能耗的同時(shí)，多余的能耗可以賣給電網(wǎng)公司。

4）光伏建筑的裝機(jī)容量一般比較小，所以當(dāng)給電網(wǎng)送電的時(shí)候，并不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊，會(huì)減少對(duì)電網(wǎng)的損害。

5）光伏組件與建筑物相結(jié)合的這種形式，有效地利用了空間，同時(shí)取消了光伏組件的支架，節(jié)約了成本。

6）光伏組件安裝在墻壁和屋頂，可以有效地降低墻面和屋頂?shù)臏囟?，從而降低屋?nèi)空調(diào)的負(fù)荷，改善了屋內(nèi)的環(huán)境。

7）光伏材料包裹建筑物，增加了建筑物的科技感，從而提高建筑物的美觀程度，而且可以起到良好的宣傳作用。