上海市既有住宅區(qū)太陽(yáng)能光伏改造潛力研究

■ 王 一 WANG Yi 姜培培 JIANG Peipei

0 引言

發(fā)展綠色建筑，建設(shè)生態(tài)城市，“開(kāi)源”和“節(jié)流”是兩個(gè)基本的方向?？稍偕茉吹睦檬恰伴_(kāi)源”的一個(gè)重要方式，使建筑不再僅僅是消耗能源的末端環(huán)節(jié)，而成為能源生產(chǎn)、蓄存和轉(zhuǎn)換的單元。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，居住建筑能耗占城市建筑能耗的3/4，在居住建筑中應(yīng)用以太陽(yáng)能為代表的可再生能源具有特別的意義[1]。目前，國(guó)家相關(guān)政策法規(guī)對(duì)于新建建筑，特別是住宅建筑中太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用有相關(guān)要求，但既有住宅建筑中太陽(yáng)能光伏技術(shù)的應(yīng)用較少，且多為住戶(hù)自發(fā)安裝，缺乏系統(tǒng)性應(yīng)用，易造成浪費(fèi)。因此，對(duì)既有住宅太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的利用潛力以及應(yīng)用方法的研究十分必要。

基于國(guó)情，國(guó)外學(xué)者對(duì)居住建筑太陽(yáng)能光伏利用潛力的研究大多針對(duì)的是單體建筑，而居住區(qū)建筑表面的太陽(yáng)輻射情況會(huì)受到周邊住宅的影響[2]，因此，在研究過(guò)程中要考慮到周邊的建筑環(huán)境。國(guó)內(nèi)有部分學(xué)者，針對(duì)光伏板更適于安裝在何種形態(tài)的居住建筑方面進(jìn)行了初步的研究，研究中主要考慮了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，而沒(méi)有進(jìn)行費(fèi)效比的分析。

目前，對(duì)于光伏系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析多是比較不同光伏系統(tǒng)性能的經(jīng)濟(jì)效益，例如是選用BIPV 還是BAPV，以及何種電能輸送形式更為經(jīng)濟(jì)等，而沒(méi)有考慮到由于建筑朝向或遮擋等因素造成的發(fā)電效率降低對(duì)費(fèi)效比的影響。

綜上所述，要評(píng)估既有居住區(qū)住宅建筑的光伏利用潛力，需綜合考慮費(fèi)效比[3]。研究方法是，根據(jù)建筑屋頂和立面接收到的太陽(yáng)輻射量，確定適宜安裝光伏板的位置，進(jìn)而根據(jù)太陽(yáng)能光伏板的轉(zhuǎn)換效率求得發(fā)電量。但光伏板的安裝并非多多益善，需要通過(guò)比較光伏板在不同安裝情況下的費(fèi)效比，確定不同形態(tài)的居住建筑更適合何種光伏板布置方式。

研究主要涉及兩個(gè)方面，首先是對(duì)太陽(yáng)能利用潛力的研究，由于受建筑形態(tài)的影響，建筑不同部位獲取太陽(yáng)能輻射的能力不同，安裝后的發(fā)電量不同，不同位置是否適宜安裝也是有差異的[4]。其次是對(duì)費(fèi)效比的研究，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)初期投入較大，還有壽命期限，如果費(fèi)效比較高，既不利于推廣，也會(huì)影響住戶(hù)應(yīng)用的積極性。

1 研究?jī)?nèi)容

本文研究的對(duì)象是上海市20 世紀(jì)90 年代前建造的工人新村，其所占數(shù)量較大，對(duì)于太陽(yáng)能的利用普遍不足，且熱工性能較差。綜合利用太陽(yáng)能對(duì)于改善工人新村的生態(tài)效能大有益處。這些住宅多以行列式多層住宅為主（圖1），晚期也建有少量的高層建筑（圖2）。

圖1 鞍山四村總平面示意圖

圖2 赤峰小區(qū)總平面示意圖

在上海地區(qū)，建筑單體北立面接收的太陽(yáng)輻射較差，基本可以不考慮安裝太陽(yáng)能板，主要考慮南立面和東西立面。另外，單體建筑接受的太陽(yáng)能輻射還受其在群體中位置的影響，因此，研究對(duì)象不應(yīng)該是單獨(dú)的一棟住宅。

住宅在群體中的位置情況主要有以下幾種：①建筑西側(cè)有道路，南側(cè)、東側(cè)有建筑；②建筑周邊無(wú)道路，東、西、南側(cè)均有建筑；③建筑東側(cè)有道路，西側(cè)、南側(cè)有建筑；④建筑西側(cè)和南側(cè)有道路，東側(cè)有建筑；⑤建筑南側(cè)有道路，西側(cè)和東側(cè)有建筑；⑥建筑南側(cè)和東側(cè)有道路，西側(cè)有建筑（圖3、4）。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，住宅建筑的行列式排布，有一列排布、兩列排布、三列排布的情況。因此，計(jì)算模型綜合為三列建筑排布的形式。該9 棟建筑組成的群體單元足以描述單體建筑的群體關(guān)系。

圖3 住宅群體影響情況

對(duì)這樣一個(gè)9 棟建筑組成的群體單元，需考慮建筑與建筑之間的間距?；趯?duì)大量相關(guān)案例的調(diào)研，多層建筑的南北向間距基本為18 m，東西向間距為11 m，高層建筑南北向間距設(shè)定為34 m，東西向間距設(shè)定為13 m。由于不考慮北立面，最北側(cè)一排的受遮擋情況和第二排一致，因此，只比較南側(cè)兩排建筑。將正南朝向不同位置的住宅分別編號(hào)為S1～S6（圖4）。

圖4 住宅群體單元

朝向?qū)ㄖ砻嫣?yáng)輻射的獲取亦有影響，且對(duì)東西立面的影響也不一樣。通過(guò)對(duì)曲陽(yáng)新村、同濟(jì)新村及鞍山新村等建于20 世紀(jì)90 年代前工人新村的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這類(lèi)住宅建筑正南北朝向居多，也有部分南偏東30°、南偏西30°朝向。因此，本研究選取了這三種典型朝向。將南偏東30°朝向不同位置的住宅編號(hào)為E1～E6，將南偏西30°朝向住宅編號(hào)為W1～W6。

2 研究方法

2.1 技術(shù)工具

本研究采用的模擬軟件是Autodesk Ecotect Analysis，利用上海典型氣象年太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，模擬各個(gè)形態(tài)類(lèi)型表面的太陽(yáng)輻射情況，確定適宜安裝太陽(yáng)能光伏板的位置，根據(jù)測(cè)算的建筑表面安裝太陽(yáng)能光伏板后的月發(fā)電量，計(jì)算各個(gè)可利用位置安裝光伏板后的年總發(fā)電量[5]。

2.2 可利用面的確定

多晶硅電池成本相對(duì)較低，且穩(wěn)定性較好，目前在住宅建筑中應(yīng)用較廣。據(jù)相關(guān)研究，太陽(yáng)輻射照度至少要達(dá)到200 W/m2，多晶硅電池才可達(dá)到較好的發(fā)電效率。因此，既有住宅并非所有面都具有安裝價(jià)值，本研究利用Ecotect 中得到的數(shù)據(jù)，篩選住宅建筑太陽(yáng)輻射照度能達(dá)到200 W/m2的可利用面。

由于太陽(yáng)能光伏板的安裝位置要滿(mǎn)足冬至日全天有3 h 以上的日照時(shí)數(shù)要求。

篩選出建筑可利用面后，需進(jìn)一步篩選建筑適宜安裝光伏板的層數(shù)。

具體的方法如下：根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)構(gòu)建建筑群體模型，建模過(guò)程中，同時(shí)需考慮到建筑自身的凹凸情況[6]，包括凸出的陽(yáng)臺(tái)，并對(duì)建筑表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用2 800 mm×2 800 mm 的模式，每格為一層。由于建筑自身遮擋，日照時(shí)數(shù)不滿(mǎn)足3 h 的即為不符合區(qū)域（圖5）。

圖5 全天日照時(shí)數(shù)示意圖

另外，窗戶(hù)處無(wú)法安裝太陽(yáng)能板，在模擬計(jì)算中，需按建筑窗墻比扣除。通過(guò)調(diào)研，多層住宅南墻面窗墻比為35%（圖6），高層住宅南墻面窗墻比為40%（圖7），多層住宅東西立面窗墻比為15%，高層住宅東西立面窗墻比為8%。

圖6 多層住宅南立面、東立面圖

圖7 高層住宅南立面、東立面圖

2.3 電力保障潛力

電力保障潛力指的是住戶(hù)用電部分滿(mǎn)足需求的情況，達(dá)到100%即為滿(mǎn)足住戶(hù)用電部分的使用需求。

電力保障潛力的計(jì)算公式如下:

式中：P為住宅電力保障潛力；C為住宅單位面積光伏產(chǎn)能，單位：kWh/m2；E為住宅單位面積耗電量，單位：kWh/m2。

住宅單位面積光伏產(chǎn)能C的計(jì)算方法是用住宅安裝光伏板后的年發(fā)電量除以住宅的總建筑面積。根據(jù)上海統(tǒng)計(jì)年鑒，住宅單位面積耗電量E取均值30 kWh/m2。

通過(guò)電力保障潛力，可以更直觀(guān)地看到太陽(yáng)能改造后的效果。但僅比較改造后的發(fā)電量并不足以比較潛力，還需要費(fèi)效比的計(jì)算。

2.4 費(fèi)效比的計(jì)算

根據(jù)國(guó)家《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的費(fèi)效比Cbrd，按下式計(jì)算：

式中：Cbrd為費(fèi)效比（元/ kWh）；Czd為增量成本（元）；N為系統(tǒng)壽命期，一般取20 年；En為年發(fā)電量（kWh）。

增量成本由初期投資減去補(bǔ)貼得出。光伏系統(tǒng)的初始投資主要由光伏組件的成本、逆變器、電纜和支架等部分的花費(fèi)組成。

通過(guò)對(duì)上海市光伏系統(tǒng)安裝公司進(jìn)行調(diào)研，按一般公司的計(jì)算方法，光伏項(xiàng)目每瓦花費(fèi)8 元，一般每千瓦占用7 m2。在計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)不同情況下光伏板可安裝面積可求得光伏板的裝機(jī)量，進(jìn)而可求得光伏項(xiàng)目的初始投資。再根據(jù)每度電補(bǔ)貼0.84 元/ kwh，求得相應(yīng)發(fā)電量的政策補(bǔ)貼，即可得出不同安裝情況下的增量成本。

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，“太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)費(fèi)效比可以按小于項(xiàng)目所在地當(dāng)年商業(yè)用電價(jià)格的3 倍進(jìn)行評(píng)價(jià)?！鄙虾５墓ど虡I(yè)電價(jià)為0.866 元/kWh，即費(fèi)效比小于2.6 元/kWh 即為合理。另外，費(fèi)效比的級(jí)別Cbrd按照表1 劃分為3級(jí)，其中1 級(jí)最高，即費(fèi)效比少于1.3元/kWh（表1）。

表1 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)費(fèi)效比Cbrd的級(jí)別劃分

3 研究過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 發(fā)電量的模擬

3.1.1 太陽(yáng)能光伏板的安裝位置

以多層住宅S1 為例，將住宅群體模型導(dǎo)入Ecotect（圖8），并導(dǎo)入上海地區(qū)氣象數(shù)據(jù)“Shanghai_CSWD”，通過(guò)軟件模擬得出建筑表面月均日太陽(yáng)輻射照度。以南立面月均日太陽(yáng)輻射照度為例，圖中圈出的部分即為滿(mǎn)足太陽(yáng)輻射照度200 W/ m2的時(shí)間段（圖9）。

圖8 建筑群體模型

圖9 S1 表面月均日太陽(yáng)輻射照度

進(jìn)而對(duì)建筑S1 各面冬至日的全天日照時(shí)數(shù)進(jìn)行測(cè)算，可以看出，對(duì)于S1 南立面來(lái)說(shuō)，由于受到南側(cè)建筑的遮擋，3 層以下不滿(mǎn)足3 h 日照時(shí)數(shù)，因此，南立面可利用的層數(shù)為3～6層（圖10）。S1 東立面3 層以上才能滿(mǎn)足冬至日全天日照時(shí)數(shù)3 h，西立面1～6 層均滿(mǎn)足（圖11）。

圖10 S1 南立面冬至日全天日照時(shí)數(shù)

圖11 S1 東、西立面冬至日全天日照時(shí)數(shù)

同理得出其他多層、高層住宅表面適宜安裝太陽(yáng)能光伏板的位置（表2、3）。

表2 多層住宅表面適宜安裝太陽(yáng)能光伏板的部位

表3 高層住宅表面適宜安裝太陽(yáng)能光伏板的部位

總的來(lái)說(shuō)，建筑遮擋對(duì)建筑南立面可利用的范圍會(huì)產(chǎn)生影響，使太陽(yáng)輻射衰減20%～30%，對(duì)于高層建筑群的影響更大，可達(dá)到20%～35%。

朝向?qū)ㄖ目砂惭b面會(huì)產(chǎn)生影響，南偏東30°朝向西立面不適宜安裝光伏板，南偏西30°朝向東立面不適宜安裝光伏板。

另外，對(duì)于南立面，在南偏東30°和南偏西30°朝向，建筑表面太陽(yáng)輻射情況受建筑自身體量遮擋影響較為明顯。

3.1.2 發(fā)電量與保障潛力分析

從發(fā)電量的角度而言，由模擬可知，屋頂受太陽(yáng)輻射最為充足，是需要安裝光伏板的位置。因此，在比較研究中，均在屋頂安裝了光伏板，進(jìn)而比較其他部分在不同安裝情況下的發(fā)電量，以確定適宜的改造形式。光伏板的安裝組合形式分別為：屋頂、屋頂與南陽(yáng)臺(tái)、屋頂與南立面、屋頂與東立面/西立面、屋頂與南陽(yáng)臺(tái)及東立面/西立面、可利用面全部安裝（圖12）。

圖12 光伏板安裝組合形式

3.1.2.1 多層住宅

對(duì)于不同位置的多層住宅來(lái)說(shuō)，在各個(gè)可利用部位全部安裝的情況下，電力保障潛力可以達(dá)到100%，甚至大于100%。在各個(gè)部位中，屋頂?shù)碾娏ω暙I(xiàn)均是最多的，可以超過(guò)50%，南立面次之，東/西立面再次，南陽(yáng)臺(tái)的貢獻(xiàn)量最少。

在南側(cè)無(wú)建筑遮擋的情況下，南立面安裝光伏板后，南偏西30°朝向下發(fā)電量最高，南偏東30°朝向次之，正南朝向最少。

在南側(cè)無(wú)建筑遮擋的情況下，各個(gè)位置的建筑屋頂加南立面的安裝形式，其電力保障潛力均可滿(mǎn)足100%。而南側(cè)有建筑遮擋的情況下，南偏東30°朝向和正南朝向，若想獲得100%的電力保障，需要所有適宜安裝的部位均安裝光伏系統(tǒng)。而南偏西30°朝向，南側(cè)無(wú)建筑遮擋的W1～W3，屋頂和南立面安裝光伏板后，其電力保障率也達(dá)到了98%（圖13～15）。

圖13 S1～S6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

圖14 E1～E6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

圖15 W1～W6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

3.1.2.2 高層住宅

對(duì)于高層建筑，建筑在群體中的位置以及朝向?qū)τ诎l(fā)電量影響的基本規(guī)律與多層住宅一致。

由于高層住宅屋頂面積占比少，只在屋頂安裝光伏板只能滿(mǎn)足30%的使用需求。全部安裝最高能達(dá)到70%，立面的安裝可以增加一倍的發(fā)電量。所以，建筑立面的利用對(duì)于高層建筑的電力貢獻(xiàn)非常大，尤其是南立面（圖16～18）。

圖16 S1～S6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

圖17 E1～E6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

圖18 W1～W6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

3.2 費(fèi)效比的計(jì)算與分析

通過(guò)費(fèi)效比的計(jì)算公式得出多層、高層住宅建筑在不同光伏板安裝方案下的費(fèi)效比。費(fèi)效比越高，安裝效益越低。

3.2.1 多層住宅

對(duì)于正南朝向的S1～S6，采取屋頂和南陽(yáng)臺(tái)安裝光伏板的方式費(fèi)效比最佳，但南陽(yáng)臺(tái)的面積較小，屋頂和南陽(yáng)臺(tái)安裝的方式發(fā)電量只能滿(mǎn)足70%～80%的需求。滿(mǎn)足100%的安裝方案是屋頂加南立面安裝和全部安裝，但全部安裝的形式費(fèi)效比較高（圖19）。

圖19 S1～S6 不同安裝方案下的費(fèi)效比

南偏東30°朝向，東側(cè)無(wú)建筑遮擋的E3、E6 在東立面安裝光伏板后費(fèi)效比明顯降低，因此，有必要利用東立面。而對(duì)于其他建筑更適合屋頂加南立面的安裝形式（圖20）。

圖20 E1～E6 不同安裝方案下的費(fèi)效比

南偏西30°朝向，屋頂、南立面、西立面都安裝光伏板的情況下，費(fèi)效比明顯高于屋頂和南立面安裝的情況。并且，在屋頂和南立面安裝的情況下，電力保障已達(dá)100%，因而這種情況下更適合屋頂加南立面的安裝方式（圖21）。

圖21 W1～W6 不同安裝方案下的費(fèi)效比

3.2.2 高層住宅

對(duì)比多層建筑，高層建筑的費(fèi)效比明顯更高，屋頂和南立面安裝光伏板的形式，其費(fèi)效比高于多層建筑全部安裝的費(fèi)效比，卻只能保障居民一半的電力使用需求，而多層可以滿(mǎn)足100%。可見(jiàn)高層建筑的太陽(yáng)能光伏改造潛力不如多層建筑（圖22）。

圖22 S1～S6 不同安裝方案下的費(fèi)效比

南偏東30°朝向，相較于發(fā)電量較高的屋頂和南立面安裝光伏板的形式，東立面也安裝光伏系統(tǒng)后，E3和E6 的費(fèi)效比沒(méi)有明顯增加，但發(fā)電量增加了10%，E4 和E5 的發(fā)電量?jī)H增加了6%，費(fèi)效比明顯增加。綜合發(fā)電量和費(fèi)效比的情況，E1、E2、E4、E5 適合屋頂、南立面安裝光伏板，E3、E6 適合屋頂、南立面、東立面安裝光伏板（圖23）。

圖23 E1～E6 不同安裝方案下的費(fèi)效比

同理，南偏西30°朝向，西側(cè)無(wú)建筑遮擋的W1、W4 適合屋頂、南立面、西立面安裝，其他更適合屋頂加南立面的安裝方案（圖24）。

圖24 W1～W6 不同安裝方案下的費(fèi)效比

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 建筑形態(tài)對(duì)光伏系統(tǒng)應(yīng)用潛力的影響

對(duì)于單體建筑而言，建筑朝向?qū)ㄖ目衫妹鏁?huì)產(chǎn)生直接的影響。南偏東30°朝向，西立面不適宜安裝光伏板；南偏西30°朝向，東立面不適宜安裝光伏板。相較于正南朝向，南偏東30°和南偏西30°朝向，建筑受自身形態(tài)凹凸變化的影響更為明顯。

從群體角度而言，由于受到周邊建筑遮擋，建筑立面接收的太陽(yáng)輻射量會(huì)減少20%～35%左右。

3.3.2 光伏板改造安裝方案

不同安裝形式下，建筑可利用面安裝光伏板后的費(fèi)效比均較為合理，綜合發(fā)電量和費(fèi)效比情況，得出以下幾種改造方案。

對(duì)于多層建筑群，正南朝向和南偏東30°朝向（圖25），東側(cè)無(wú)建筑遮擋的住宅適合：屋頂加南陽(yáng)臺(tái)加?xùn)|立面的安裝方案（圖25 中3、6），但當(dāng)南側(cè)無(wú)遮擋時(shí)，南墻面也要利用（圖25中6）。東側(cè)有建筑遮擋的適合：屋頂加南立面的安裝方式（圖25 中1、2、4、5）。

圖25 正南、南偏東30°朝向多層住宅建筑群安裝方案

南偏西30°朝向，均宜采用屋頂加南立面（陽(yáng)臺(tái)板以及墻面）的安裝方案（圖26）。

圖26 南偏西30°朝向多層住宅建筑群安裝方案

對(duì)于高層建筑，南立面面積較大，有很大的利用價(jià)值。正南朝向，均宜采用屋頂加南立面（陽(yáng)臺(tái)板和墻面）的安裝方案（圖27 中1、2、3、4、5、6）。

南偏西30°朝向（圖27），西側(cè)無(wú)建筑遮擋時(shí)，適合屋頂、南立面、西立面安裝光伏板（圖27 中1、4），有遮擋時(shí)，適合屋頂和南立面安裝（圖27 中2、3、5、6）。

圖27 正南、南偏西30°朝向高層住宅建筑群安裝方案

南偏東30°朝向，東側(cè)無(wú)建筑遮擋時(shí)，適合屋頂、南立面、東立面安裝光伏板（圖28 中3、6），有遮擋時(shí)，適合屋頂和南立面安裝（圖28 中1、2、4、5）。

圖28 南偏東30°朝向高層住宅建群安裝方案

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)建立上海市既有居住區(qū)建筑群體模型，運(yùn)用Autodesk Ecotect Analysis 軟件對(duì)不同單元模型建筑表面的太陽(yáng)輻射照度及發(fā)電量情況進(jìn)行了模擬，并進(jìn)一步比較了光伏板在不同安裝形式下的費(fèi)效比。

總的來(lái)說(shuō)，上海市既有居住區(qū)住宅建筑的可利用面安裝光伏板后的費(fèi)效比是合理的，需在設(shè)計(jì)中綜合考慮發(fā)電量和費(fèi)效比情況，采取不同的改造方案以獲得更高的效益。本文通過(guò)模擬計(jì)算得出的安裝方案，望能對(duì)之后的改造工作提供參考。由于太陽(yáng)能光伏板技術(shù)的更新對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果影響較大，需在設(shè)計(jì)中結(jié)合光伏技術(shù)實(shí)際情況具體分析。