高層建筑一體化光伏（BIPV）在綠建初期工作中需要注意的 若干問題

羅宇宏

摘要：本文通過回顧影響B(tài)IPV能效的兩大因素：太陽輻射量以及BIPV運(yùn)行工況。以此為出發(fā)點(diǎn)，逐個介紹了影響上述兩大因素的環(huán)境變量，并且依次分析了這些變量的計算方法。在此基礎(chǔ)上，本文分析了這些變量在BIPV初步設(shè)計和優(yōu)化階段的重要程度，并按照重要程度和復(fù)雜程度對這些變量按照必須計算，必須考慮和不需要考慮三個層級進(jìn)行了歸納總結(jié)。此外，除了面向設(shè)計以外，本文還介紹了BIPV項目業(yè)主最為關(guān)注，同時也是實(shí)際工作中最容易引發(fā)業(yè)主和綠建咨詢方/設(shè)計方矛盾的因素：BIPV的經(jīng)濟(jì)效益。本文通過介紹BIPV全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益的簡單計算方法，為今后的BIPV項目快速估算經(jīng)濟(jì)效益提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：BIPV，太陽輻射，陰影遮擋，風(fēng)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)，計算

1研究背景

首先需要明確BIPV與BAPV的區(qū)別。BAPV （Building Attached Photovoltaics）指另行安裝的，附著在建筑上的光伏發(fā)電技術(shù)，要求不影響建筑本身的功能。BIPV（Building Integrated Photovoltaics）特指與建筑本身集成一體的光伏技術(shù)。BIPV的表現(xiàn)方式多種多樣，可以與屋頂，外墻，外窗以及外遮陽等集成一體。BIPV本身應(yīng)當(dāng)構(gòu)建與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)或建筑材料在建筑設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計以及多功能性與可持續(xù)能源的共生關(guān)系【1】。因此，BIPV不僅應(yīng)當(dāng)作為一種可再生能源的來源，而是在提供清潔能源的同時，為住戶提供遮風(fēng)，擋雨，隔熱，遮光，隔聲以及隔絕電磁輻射等作用【2】。

BIPV在我國具有成熟的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)以及廣闊的市場前景，正處于高速發(fā)展，且急需產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)點(diǎn)。國家發(fā)改委《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》一文指出，我國從2010年到2015年，光伏累計裝機(jī)從86萬千瓦增長到4318萬千萬，僅2015年一年，我國光伏新增裝機(jī)1513萬千瓦。而根據(jù)《光電建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要》，到2020年，建筑光伏系統(tǒng)將占全國分布式據(jù)光伏裝機(jī)量的70%，總裝機(jī)量的30%。

與此同時，光伏行業(yè)依舊存在許多問題，《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出了我國光伏發(fā)展具有成本高，輸配難，國際貿(mào)易壁壘，產(chǎn)業(yè)升級慢等問題。故在2017至2019年初，我國光伏裝機(jī)量增速驟降，甚至低于2015年水平。因此現(xiàn)在正是優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，從粗放發(fā)展轉(zhuǎn)向精細(xì)化專業(yè)設(shè)計的最佳時機(jī)。

另一方面，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市土地，特別是市區(qū)中心土地緊缺的問題日趨嚴(yán)重。高層以及超高層建筑具有節(jié)約土地，縮短公用設(shè)施和市政管網(wǎng)的開發(fā)周期，從而減少市政投資，加快城市建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。為了把BIPV和高層建筑有機(jī)結(jié)合起來，我國財政部，住建部從2008年開始，重點(diǎn)鼓勵與建筑，特別是與高層建筑一體化的太陽能供熱，太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。近年來，為加快落實(shí)政策到位，全國各地，如山東，寧波，河北等，均開始進(jìn)行高層建筑一體化光伏項目的示范管理和鼓勵。例如山東省政府在《山東加強(qiáng)可再生能源建筑應(yīng)用示范管理》（2015）一文中，明確了“鼓勵和支持高層建筑太陽能光熱系統(tǒng)、太陽能中高溫、太陽能與熱泵復(fù)合系統(tǒng)供暖制冷等技術(shù)應(yīng)用”。由此可見，未來一段時間內(nèi)，高層建筑上的BIPV必將成為可再生能源運(yùn)用的新熱門領(lǐng)域。

2研究目的

本文旨在為綠建工作中快速的評估新建高層建筑上建筑一體化光伏（BIPV）的能效和經(jīng)濟(jì)效益提供一種簡單快捷的分析方法，利于在項目初期確定可再生能源，特別是太陽能的使用方向。通過回顧幾個影響B(tài)IPV能效的關(guān)鍵因素，以及國外同行在BIPV設(shè)計和使用過程中的研究成果與發(fā)現(xiàn)的問題，概括并且量化這些關(guān)鍵因素的計算方法，不僅可以大體評估出BIPV對于項目的可行性，同時也可以進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計。利用初步優(yōu)化的結(jié)果，BIPV設(shè)計能夠參與到土建項目的整體進(jìn)程中，避免設(shè)計缺陷導(dǎo)致的影響美學(xué)，日照，風(fēng)環(huán)境以及室內(nèi)熱環(huán)境的不良結(jié)果。也可以避免能源，資源的浪費(fèi)。同時，作者希望以此文拋磚引玉，引發(fā)同行和業(yè)界的探討，進(jìn)一步促進(jìn)BIPV產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化與精細(xì)化，為促進(jìn)我國光伏技術(shù)，能源技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

3影響B(tài)IPV性能的要素分析

整體來說，影響B(tài)IPV性能的外界因素主要有：入射的太陽輻射量與光伏工況（主要是光伏模組的溫度）。本章將討論朝向，傾角，所處緯度，日照晴空系數(shù)（insolation clearness index）以及地面反射率對BIPV性能的影響。其中光伏板朝向，傾角和所處緯度互相關(guān)聯(lián)，而日照晴空參數(shù)與地面反射率則取決于項目實(shí)際所處地理位置。

最后，本章會討論為何不將陰影遮擋這一因素納入BIPV的初步優(yōu)化。

3.1太陽輻射量

Duffie 與 Beckman經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與理論分析，給出了對于一個無遮擋，有傾角的平面的太陽輻射構(gòu)成【3】：

利用上述公式，可求得全年任意時刻一小時的單位面積輻射總量。上述公式及其變體和簡化，被此后的中外學(xué)者及行業(yè)廣泛運(yùn)用各項研究及模擬軟件中，可以認(rèn)為是迄今為止運(yùn)用最為廣泛，學(xué)界和業(yè)界接受程度最高的太陽輻射計算公式【4】【5】【6】。

從該公式中，可以看出，除太陽為止外，影響一個無遮擋傾斜面上太陽輻射的因素包括。朝向，傾角，所處緯度，日照晴空系數(shù)（insolation clearness index）以及地面反射率。對于高層建筑來說，可用面積最大的平面毫無疑問是外墻面?？紤]到高層以及超高層建筑外立面設(shè)計通常以垂直面為主，因此在初期估算中，可簡單的將傾角β認(rèn)定為90度。

3.2緯度與朝向

為了探尋緯度與朝向?qū)μ栞椛淞康挠绊?，運(yùn)用EXCEL和VBA，選取每月1日和15日，可大體計算出不同緯度下垂直單位平面全年的太陽輻射總量，如下圖所示：

從本圖中可以得出一個有趣的結(jié)論。既有應(yīng)用中，我國大多數(shù)固定PV均指向赤道，以期獲得全年最大的太陽輻射量，該觀念也為眾多研究所接受【7】。然而上圖結(jié)果顯示出另一個結(jié)果，即對于低緯度地區(qū)（0o至30o），運(yùn)用在高層建筑外墻上的BIPV，東西朝向相較于南向，可獲得更高的全年太陽輻射總量。因此在項目設(shè)計中，可以不必拘泥于南向，大膽選擇東西朝向。特別是西向，不論是我國傳統(tǒng)觀念還是實(shí)際設(shè)計，因?yàn)槲绾笕諘竦木壒剩飨蛲ǔＪ情_窗較少的一個朝向。在西向上運(yùn)用BIPV，不僅可以充分利用空白墻體，也可以將BIPV作為外遮陽，減少午后日曬對室內(nèi)熱舒適環(huán)境的影響?？v觀我國地圖，北緯30度以南的省份包括海南，云南，廣西，廣東，貴州，四川，福建乃至浙江大部等。圖1的計算結(jié)果，相信可以為這些地區(qū)將來BIPV的運(yùn)用指出一個新的研究方向。

3.3日照晴空系數(shù)（Kt）與地面反射率 ρg

日照晴空系數(shù)與地面反射率這兩個參數(shù)，是僅與項目所在地有關(guān)的氣象學(xué)參數(shù)。日照晴空系數(shù)這一概念雖然早在1960年就提出，但隨著航天技術(shù)，大氣遙感技術(shù)的發(fā)展，這個概念被擴(kuò)展和補(bǔ)充。NASA在2015重新定義為“到達(dá)地表的太陽輻射與在到達(dá)大氣層頂?shù)奶栞椛渲取?【8】，用以表示穿透大氣層的太陽輻射的比例?？紤]到大氣層時刻變化，輻射透過量也在時刻變化，通常來說，在實(shí)際應(yīng)用中以月平均值來計算某一時刻的太陽輻射量。

地面反射率定義為地表反射的太陽輻射量與到達(dá)地表的太陽輻射量的比值，該參數(shù)與地面材質(zhì)，光滑程度，空氣和地面溫濕度等因素有關(guān)。

分別賦予兩個固定且常見的Kt值0.3以及ρg值0.3，對于一個南朝向的垂直面，全年太陽輻射總量與ρg以及Kt的關(guān)系如下兩圖所示：

兩圖對比可以看出，全年太陽輻射總量的變化隨日照晴空系數(shù)的變化遠(yuǎn)比隨地表反射率變化要大。因此在BIPV的初設(shè)階段，更應(yīng)當(dāng)注意日照晴空系數(shù)的準(zhǔn)確度。

日照晴空系數(shù)有多種來源，下面列舉三個過程由繁至簡的例子。

其一是中國氣象局氣象信息中心氣象資料室出版的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，本書光盤附帶的軟件中可以提取全國270個氣象站任意一個的數(shù)據(jù)記錄，其中包括全年逐時以及逐月水平面總輻射強(qiáng)度以及水平面散射輻射強(qiáng)度。結(jié)合上文公式，可以算出當(dāng)月平均的日照晴空系數(shù)。

另外，對于運(yùn)用于高層建筑，特別是垂直墻面上的BIPV，本書直接提供了東、南、西、北四個朝向垂直面的太陽總輻射強(qiáng)度。直接引用這些數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)精度的同時，可以大大減少計算工作量。

另一種方式是利用商業(yè)模擬軟件。例如業(yè)界廣泛采用的光伏發(fā)電模擬軟件PVsyst，目前最新的版本（V6.79）中包括了全中國90個城市的氣象數(shù)據(jù)，直接收錄了這些城市逐月的日照晴空系數(shù)值。該軟件有一個月的免費(fèi)試用期，對獲取氣象數(shù)據(jù)來說完全夠用。

最后一個例子是充分利用各類文獻(xiàn)中提供的簡化模型。例如劉大龍等人的研究【9】，將全國各省按全年平均日照晴空系數(shù)分為9個太陽輻射分區(qū)，并且列出了9個分區(qū)具體的全年平均日照晴空系數(shù)值。在BIPV設(shè)計時可以將項目所在省份的全年平均日照晴空系數(shù)大致等同于項目所在地的日照晴空系數(shù)進(jìn)行設(shè)計。概因目前我國BIPV設(shè)計絕大多數(shù)仍采用并網(wǎng)模式，并不要求BIPV滿足項目全部用電負(fù)荷，因此BIPV發(fā)電量不足的部分可由國家電網(wǎng)補(bǔ)充。因此BIPV設(shè)計時更多考慮全年整體發(fā)電量，而非特定時間段的發(fā)電量。因此使用全年平均的日照晴空系數(shù)，在整體計算精度上也可以接受。

3.4陰影遮擋對BIPV性能的影響

顯而易見，陰影遮擋對BIPV的性能有顯著的影響。Duffie & Beckman 的書中根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)和計算總結(jié)出了任一受陰影遮擋影響的斜面的太陽輻射總量公式：

其中fi是不受遮擋的區(qū)域與總區(qū)域面積的比值，F(xiàn)r-s與Fr-g分別是遮擋陰影減少的對天空和地面的可見系數(shù)（view factor）。誠然，任何時刻，所有遮擋物和遮擋陰影面積均可以通過三角函數(shù)與立體幾何知識計算出，所用公式也不涉及高等數(shù)學(xué)。但是逐時計算陰影面積的工作量極大，Duffie & Beckman直接使用了‘tedious（沉悶的，冗長乏味的）一詞來描述陰影遮擋影響的計算。因此在BIPV的初步設(shè)計階段，只建議設(shè)計中注意遮擋帶來的影響，盡量選取遮擋少的朝向，但不建議把陰影遮擋進(jìn)行量化計算。

本節(jié)簡單回顧了建筑表面，特別是垂直表面全年可用太陽輻射量的計算方法，并根據(jù)太陽輻射量的計算公式分析了影響其數(shù)值的幾個變量，并且在分析過程中，本節(jié)逐一梳理了這些變量的計算方法以及查找方法。利用這些方法，可以較為快速準(zhǔn)確的計算出建筑單一或多個朝向表面的全年可用輻射量。再結(jié)合目前常見的光伏系統(tǒng)整體發(fā)電效率（10%～15%），能夠大體估算出本項目全年光伏發(fā)電量。對不同朝向進(jìn)行反復(fù)計算，再結(jié)合本項目預(yù)估能耗，即可在項目初設(shè)階段對本項目BIPV發(fā)電能耗占比有一個較為清晰的認(rèn)識。并且可以將BIPV需要的面積和朝向盡早提供給建筑專業(yè)和業(yè)主，有利于后續(xù)建筑設(shè)計以及項目決策。

4在BIPV設(shè)計中另外需要考慮的兩個要素

4.1建筑周邊風(fēng)速對光伏光電轉(zhuǎn)化效率的影響

除了太陽輻射量以外，光伏板的表面和背板溫度也嚴(yán)重影響光伏的發(fā)電效率。下圖是某型號光伏板在不同工作溫度下的輸出功率-電壓（P-V）關(guān)系圖。

本圖清晰的描述了不同溫度下光伏板的效率變化，清楚地描述了光伏光電轉(zhuǎn)化效率隨溫度升高而降低的事實(shí)。國外一些實(shí)驗(yàn)表明，光伏板溫度每升高1開爾文，光伏板的輸出功率和光電轉(zhuǎn)化效率就會分別降低0.65%和0.08% 【11】。因此降低光伏組件的運(yùn)行溫度成了固定太陽輻射量下提升光伏效率最簡單的方法。

對于絕大部分BIPV，特別是運(yùn)用于高層建筑上的BIPV來說，利用自然風(fēng)的空氣冷卻可以說是唯一可行的冷卻方式。國外大量研究表明，光伏表面附近的風(fēng)速，無論風(fēng)向如何，都對光伏的溫度有巨大影響。例如一項針對塞浦路斯幾處BIPV的實(shí)地調(diào)查表明，風(fēng)速對光伏整體溫度的影響可高達(dá)40℃以上【12】， 如下圖所示：

這項調(diào)查也被一項風(fēng)洞測試所證明【13】，這項風(fēng)洞測試表明，不論風(fēng)向如何改變，在大約5 m/s 的外界風(fēng)影響下，光伏整體溫度相較于完全無風(fēng)的環(huán)境，可降低25～30℃。然而建筑表面的風(fēng)速，由于其流體力學(xué)特性，在不利用計算流體力學(xué)（CFD）等模擬工具的情況下，很難正確預(yù)測。下圖是美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室給出的典型建筑周邊風(fēng)流場示意圖，清晰地指出建筑周圍風(fēng)流場的復(fù)雜性。

因此，基于快速設(shè)計，初步優(yōu)化的目標(biāo)，在BIPV的初期階段，不建議將建筑表面風(fēng)速考慮進(jìn)去。作為替代，可以用簡單的CFD模擬，或依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，又或現(xiàn)場實(shí)地測量，對建筑周遭的風(fēng)環(huán)境做出評估，并將其運(yùn)用在BIPV的設(shè)計中。

4.2BIPV的經(jīng)濟(jì)回報計算

對于一個BIPV項目來說，綠建咨詢方更注重全年發(fā)電量，但是，作為項目業(yè)主，顯然會更加注意BIPV的經(jīng)濟(jì)效益。因此作為綠建咨詢顧問，應(yīng)當(dāng)能今早的將BIPV相關(guān)的經(jīng)濟(jì)回報數(shù)據(jù)和相關(guān)圖表呈遞業(yè)主，作為項目決策的依據(jù)。同時，綠建咨詢顧問自己也應(yīng)當(dāng)清楚BIPV項目的相關(guān)經(jīng)濟(jì)信息，理解項目的收益和風(fēng)險。

所幸，BIPV的經(jīng)濟(jì)回報并不復(fù)雜。可以用簡單的 凈收入=總收入-支出 公式來表示BIPV的經(jīng)濟(jì)收益。這種方式避免了傳統(tǒng)的節(jié)能收益計算必須考慮建筑本身全年能耗這樣一個復(fù)雜數(shù)據(jù)的問題。將計算涉及的尺度縮小，變量總數(shù)減少的同時各變量的復(fù)雜程度也在減輕。

這個公式引入了一個新的變量——折損率t。由于光伏板表面污染，設(shè)備老化等因素，BIPV的全年發(fā)電量在BIPV的全生命周期內(nèi)隨時間增長而減少。折損，或者說設(shè)備損耗對BIPV全生命周期經(jīng)濟(jì)收益的影響頗大。例如，一項研究表明，在前幾年常見的BIPV系統(tǒng)壽命周期內(nèi)（25年）內(nèi)，折損率d可以達(dá)到0.8%～1%，也就是說在20～25年內(nèi)，BIPV的全年發(fā)電總量將會降低到一個全系統(tǒng)的80%。因此在計算中，必須考慮設(shè)備折損帶來的收益下降。

5總結(jié)

本文回顧了BIPV的基本定義，以及我國BIPV市場的現(xiàn)狀和未來前景，由此引出本文的核心內(nèi)容：回顧BIPV能效計算的基礎(chǔ)，并以此為基點(diǎn)討論綠建工作中BIPV初步設(shè)計和優(yōu)化的步驟。通過回顧BIPV能效計算最基本的可用太陽輻射一項，對其中各項變量，包括朝向，傾角，所處緯度，日照晴空系數(shù)（insolation clearness index）以及地面反射率的計算方法進(jìn)行了討論，也由此討論了這些變量在BIPV初步設(shè)計和優(yōu)化中的重要性和必要性。另外，本文也討論了陰影遮擋和建筑表面風(fēng)環(huán)境對BIPV能效的影響。通過回顧這兩個因素的計算方式和既有文獻(xiàn)，本文明確了這兩個因素在沒有其他模擬軟件的輔助下，不宜在初步設(shè)計階段就進(jìn)行考慮。最后，本文就BIPV或者說綠建項目業(yè)主最為關(guān)注的經(jīng)濟(jì)回報問題進(jìn)行了簡述，提供了一個簡潔且精確度尚可的計算公式，能夠快速的算出BIPV每年的凈收益，并由此計算出其他相關(guān)的內(nèi)容。

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（作者單位：上海柏慕工程咨詢有限公司）