“碳中和”背景下零能耗建筑BIPV技術(shù)研究與案例分析
——以安徽天柱綠色能源科技有限公司辦公樓為例

李 虎，劉 祥，殷建家

（安徽天柱綠色能源科技有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

2019年我國(guó)煤炭消費(fèi)比重達(dá)到58%，碳排放總量占全球比重達(dá)到29%，人均碳排放量比世界平均水平高46%。作為全球最大的發(fā)展中國(guó)家和碳排放國(guó)，我國(guó)需要在推進(jìn)發(fā)展的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速減排，任務(wù)十分艱巨。加快推進(jìn)能源生產(chǎn)清潔替代，打造清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，通過(guò)能源零碳革命引領(lǐng)全社會(huì)加速脫碳是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑。目前我國(guó)建筑面積約671億平方米，每年以20億平方米的速度增長(zhǎng)，建筑運(yùn)行能耗占全社會(huì)能源消費(fèi)比例約22%，在建筑上實(shí)現(xiàn)能源替代，零能耗建筑的推廣對(duì)于按期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要，要實(shí)現(xiàn)建筑零能耗，除了大力推廣節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用外，自身能耗是否完全由新能源替代是最終評(píng)判指標(biāo)，所以如何在建筑上應(yīng)用新型發(fā)電建材，使其自身變?yōu)橐粋€(gè)“發(fā)電場(chǎng)”實(shí)現(xiàn)“零能耗”是本文要重點(diǎn)探討的問(wèn)題。

2 零能耗建筑與BIPV

所謂零能耗建筑指不消耗常規(guī)能源的建筑，完全依靠太陽(yáng)能等可再生能源，在使用節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的超低能耗和近零能耗建筑的基礎(chǔ)上，完全實(shí)現(xiàn)能源自給自足。零能耗建筑在歐美國(guó)家已經(jīng)有一段時(shí)間的發(fā)展和推廣，隨著GB/T51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布與實(shí)施，我國(guó)建筑節(jié)能進(jìn)入了超低、近零和零能耗時(shí)代。實(shí)現(xiàn)建筑零能耗主要的途徑就是利用建筑自身特性進(jìn)行創(chuàng)能，應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)就是光電建筑一體化（BIPV），所謂光電建筑一體化就是把光伏系統(tǒng)與建筑本體集成在一起，實(shí)現(xiàn)“一體化”，但是受光伏發(fā)電特性和建筑自身功能和外觀等限制，實(shí)施過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，特別是使用普通的光伏組件，很難把光伏組件的發(fā)電功能釋放出來(lái)，也會(huì)對(duì)建筑的固有風(fēng)格會(huì)產(chǎn)生一定影響。

3 光伏發(fā)電建材

光伏發(fā)電技術(shù)目前已經(jīng)得到規(guī)?；膽?yīng)用，但是針對(duì)分布式光伏和光電建筑一體化的建材型發(fā)電構(gòu)件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)電建材）應(yīng)用還存在著一定的局限性，具體表現(xiàn)在一體化程度還不高，安全防護(hù)技術(shù)不完善，成本價(jià)格偏高等問(wèn)題。目前市場(chǎng)上發(fā)電建材基本都是使用傳統(tǒng)的發(fā)電芯片，經(jīng)過(guò)外觀和技術(shù)改造開(kāi)發(fā)出來(lái)的有發(fā)電磚、發(fā)電墻、發(fā)電屋頂?shù)龋瑧?yīng)用比較廣泛的是發(fā)電玻璃，因?yàn)椴ＡП旧砭褪枪夥M件的重要組成材料，同時(shí)玻璃也是重要的建筑材料。市場(chǎng)上銅銦鎵硒發(fā)電玻璃、碲化鎘發(fā)電玻璃等發(fā)電建材目前都批量生產(chǎn)，因其具有弱光性好，溫度系數(shù)低等優(yōu)勢(shì)作為發(fā)電墻（光電幕墻）得到廣泛應(yīng)用。

4 零能耗建筑的實(shí)現(xiàn)途徑

零能耗建筑的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)途徑，其一是節(jié)能，就是建筑自身和使用要做到低能耗，目前建筑能耗方面的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國(guó)家也有相應(yīng)的規(guī)范要求，這里不做重點(diǎn)論述；其二是創(chuàng)能，也就是建筑自身通過(guò)利用新能源實(shí)現(xiàn)能源的自給自足，不利用常規(guī)能源，這個(gè)也是評(píng)判建筑是否為零能耗的重要標(biāo)準(zhǔn)。那么如何實(shí)現(xiàn)有充足的新能源電力補(bǔ)充，從光伏發(fā)電的技術(shù)角度就是充分利用光電建筑一體化技術(shù)，使建筑本身具備發(fā)電功能，并且充分利用建筑物表面，根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)綜合考慮發(fā)電建材的選取和系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，達(dá)到最大化的新能源供給能力同時(shí)不影響建筑的使用功能和外觀美學(xué)要求。

5 安徽天柱綠色能源科技有限公司辦公樓光電建筑方案

5.1 項(xiàng)目基本情況

安徽天柱綠色能源科技有限公司辦公樓是一座兩棟連體四層結(jié)構(gòu)建筑，建筑面積約5600m2，屋頂面積約1400m2，墻體面積2800m2，窗面積約900m2，墻面積約1900m2全年實(shí)際用電量約12萬(wàn)kWh，目前使用銅銦鎵硒薄膜電池與鋁塑板作為幕墻外掛材料，其中安裝發(fā)電玻璃約1200m2，裝機(jī)容量約160kW，2020年全年發(fā)電量為6.37kWh，占總用電的53%，各月份的發(fā)電和用電情況是一季度發(fā)電量占用電的比例為35.2%，二三季度相對(duì)平穩(wěn)64.7%，四季度為45.8%（見(jiàn)圖1）。

圖1 發(fā)電用電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖

5.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

5.2.1 幕墻材料選型

本項(xiàng)目主要是利用墻體外立面安裝發(fā)電玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)幕墻玻璃，選用的主要發(fā)電設(shè)備為銅銦鎵硒薄膜發(fā)電玻璃，其除具有普通鋼化玻璃的建筑材料功能外，還具有利用太陽(yáng)能發(fā)電功能，同時(shí)具有弱光發(fā)電、溫度系數(shù)低等特點(diǎn)。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，因?yàn)榘惭b位置為墻面四周，接受陽(yáng)光的最佳角度受到限制，其弱光發(fā)電特性相對(duì)于普通光伏組件具有優(yōu)勢(shì)，溫度系數(shù)低，不僅可以在高溫天氣發(fā)電能力不會(huì)明顯降低，同時(shí)作為墻面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用對(duì)保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定和降低火災(zāi)隱患都具有好處。選用的銅銦鎵硒發(fā)電玻璃大小為1587mm×664mm，單片峰值功率130W（見(jiàn)表1）。

表1 發(fā)電玻璃電氣參數(shù)表

5.2.2 幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

幕墻是建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是建筑美化設(shè)計(jì)的重要方式之一，傳統(tǒng)幕墻設(shè)計(jì)是以大理石或者普通玻璃為主，這樣對(duì)建筑自身的能耗有一定量的增加，同時(shí)考慮光污染以及安全等因素，國(guó)家對(duì)幕墻相關(guān)技術(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)定比較嚴(yán)格。但是隨著太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)和分布式能源相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為充分利用建筑外立面，提高建筑的“創(chuàng)能”能力，圍繞建筑外圍護(hù)進(jìn)行建設(shè)“光電幕墻”的相關(guān)技術(shù)一直在研究和探索之中。本項(xiàng)目建設(shè)的銅銦鎵硒光電幕墻，不僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮了傳統(tǒng)幕墻設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全和防雷技術(shù)，還結(jié)合選用的銅銦鎵硒發(fā)電玻璃自身結(jié)構(gòu)和發(fā)電特性進(jìn)行了優(yōu)化，在幕墻基礎(chǔ)龍骨結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用專(zhuān)用緊固套件把銅銦鎵硒發(fā)電玻璃固定在支架上（見(jiàn)圖2），安裝找平后使用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行填縫處理。這與傳統(tǒng)的隱框玻璃幕墻安裝完全靠結(jié)構(gòu)膠與框架固定不同，安裝過(guò)程有一定靈活性，相對(duì)于傳統(tǒng)的安裝方式多了一個(gè)固定結(jié)構(gòu)，安全性更高，同時(shí)便于后期更換和檢修。另外因?yàn)楣怆娔粔€具有發(fā)電功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了框架內(nèi)部的電纜保護(hù)和固定，主要是增加固定橋架，同時(shí)在框架中預(yù)留穿線(xiàn)孔等。因?yàn)楣怆姴Ａг谶\(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，設(shè)計(jì)中充分考慮幕墻的空氣對(duì)流和散熱需求，預(yù)留散熱通氣孔，使幕墻與墻體間的空氣能形成流通，達(dá)到自動(dòng)散熱的目的。有效提高發(fā)電玻璃的發(fā)電效率同時(shí)不增加夏季室內(nèi)溫度。

圖2 光電玻璃安裝結(jié)構(gòu)圖

5.2.3 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑墻體安裝的發(fā)電玻璃情況，結(jié)合發(fā)電玻璃的電氣特性，把整個(gè)建筑的發(fā)電區(qū)域分為四個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)使用1臺(tái)40kW、1臺(tái)30kW、2臺(tái)36kW的組串式逆變器，根據(jù)選取的逆變器技術(shù)參數(shù)和效率曲線(xiàn)，結(jié)合發(fā)電玻璃的技術(shù)參數(shù)，綜合考慮系統(tǒng)效率、成本、施工便利等因素。選取的發(fā)電玻璃工作電壓在43.7V，選取的三款逆變器均為8路輸入、4個(gè)MPPT，每個(gè)MPPT的最大輸入電流26A，逆變器MPPT的電壓范圍在 200～1000V（見(jiàn)表 2），效率最高狀態(tài)在600V，所以設(shè)計(jì)發(fā)電玻璃每15塊組成一個(gè)組串，共80串。發(fā)電玻璃的工作電流2.98A，所以設(shè)計(jì)3個(gè)組串使用1個(gè)三進(jìn)一出匯流盒進(jìn)行匯流，再接入逆變器直流輸入端。最終1#逆變器接入22串實(shí)驗(yàn)樓西、南墻面42.9kW，2#逆變器接入24串實(shí)驗(yàn)樓東、北墻面46.8kW，3#逆變器接入14串辦公樓東、北墻面27.3kW，4號(hào)逆變器接入20串辦公樓西、南墻面39kW。

表2 逆變器輸入?yún)?shù)表

5.3 發(fā)電數(shù)據(jù)對(duì)比分析

現(xiàn)選取一年中的3月、7月和12月三個(gè)月份的發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（見(jiàn)圖3），總體來(lái)說(shuō)以3月份為代表的春季發(fā)電能力比較強(qiáng)，12月份為代表的冬季發(fā)電能力較弱。這與傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)發(fā)電特性基本一致，春季光照條件好，溫不高，外部環(huán)境有利于提高發(fā)電量，冬季日照時(shí)間短，同時(shí)存在遮擋的區(qū)域多，發(fā)電量明顯降低。夏季光照條件好，但是溫度過(guò)高，發(fā)電量受一定影響。從目前最新研究進(jìn)展來(lái)看，光照和溫度以及空氣質(zhì)量是光伏發(fā)電的主要影響因素。從統(tǒng)計(jì)的發(fā)電曲線(xiàn)看，同一時(shí)間段，東北墻面區(qū)域發(fā)電能力低于西南墻面發(fā)電能力，而同月份辦公樓東北墻面發(fā)電能力低于實(shí)驗(yàn)樓東北墻面，辦公樓西南墻面發(fā)電能力低于實(shí)驗(yàn)樓西南墻面是基于兩個(gè)建筑受遮擋影響造成的差異，辦公樓受南方高大住宅區(qū)樓影響較大。光電建筑的發(fā)電能力受建筑的外形和周?chē)h(huán)境影響很大，雖然銅銦鎵硒薄膜發(fā)電玻璃具有弱光發(fā)電、溫度系數(shù)低等特性，但是在具體案例發(fā)電數(shù)據(jù)可以看出相對(duì)于最佳傾角安裝的無(wú)遮擋光伏陣列發(fā)電能力還是明顯降低，所以光電建筑設(shè)計(jì)一定要做到與建筑統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，充分考慮使用的發(fā)電建材的發(fā)電功能與建筑自身結(jié)構(gòu)和維護(hù)美學(xué)要求的統(tǒng)一。

圖3 各區(qū)域發(fā)電量對(duì)比圖

5.4 實(shí)現(xiàn)零能耗建筑存在的問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)途徑

在雙碳背景下，實(shí)現(xiàn)建筑零能耗甚至負(fù)能耗是未來(lái)新型建筑的重要特點(diǎn)，也是能源實(shí)現(xiàn)以新能源為主體的電力結(jié)構(gòu)改革的重要途徑，但是完全實(shí)現(xiàn)零能耗建筑還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

5.4.1 新能源發(fā)電相對(duì)不均衡不充足與建筑實(shí)際能耗的匹配問(wèn)題

基于目前的建筑能耗比較高，根據(jù)目前光伏技術(shù)的現(xiàn)狀，多數(shù)情況下很難完全滿(mǎn)足建筑能源消耗的能源供給，所以解決建筑能耗問(wèn)題需要開(kāi)源與節(jié)流并舉，一方面要繼續(xù)提高建筑節(jié)能相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，降低建筑實(shí)際能耗，采用直流供電模式提高能源供給效率；同時(shí)在建筑外圍護(hù)上廣泛地使用發(fā)電型建材。對(duì)于建筑創(chuàng)能與建筑用能的不均衡問(wèn)題，必須使用儲(chǔ)能和綜合能源管理技術(shù)，優(yōu)化管理，提高能源利用效率和能源供給的穩(wěn)定性，以達(dá)到建筑自身能源的供給問(wèn)題。

5.4.2.發(fā)電型建材和建筑結(jié)合時(shí)發(fā)電能力與建筑美學(xué)技術(shù)、結(jié)構(gòu)安全、保溫等融合問(wèn)題

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的推廣應(yīng)用，建筑上安裝使用光伏發(fā)電技術(shù)案例很多，都較好地解決了發(fā)電型建材使用過(guò)程中與建筑結(jié)合問(wèn)題，但真正滿(mǎn)足建筑對(duì)美學(xué)、結(jié)構(gòu)、安全等方面的要求項(xiàng)目還比較少見(jiàn)。所以發(fā)電型建材的使用需要在建筑設(shè)計(jì)時(shí)同步進(jìn)行，綜合考慮建筑能耗需求、建筑外圍護(hù)美學(xué)要求和提高發(fā)電型建材發(fā)電能力的要求。

5.4.3.發(fā)電型建材和光電建筑一體化技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)規(guī)范問(wèn)題

對(duì)于零能耗建筑的實(shí)現(xiàn)，發(fā)電型建材的利用是主要途徑，但是目前市場(chǎng)上的發(fā)電型建材還是多以“發(fā)電”為主，建材的功能還不是太突出，使用過(guò)程中一般還是“兩張皮”的模式，沒(méi)有形成真正的集成應(yīng)用，存在這些問(wèn)題的原因之一是發(fā)電的功能和建材功能的融合問(wèn)題，還有很多技術(shù)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性突破，其次是建材型使用環(huán)境受到現(xiàn)有建筑規(guī)范的限制，目前光電建筑一體化的相關(guān)規(guī)范都是針對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的規(guī)范和規(guī)定，而傳統(tǒng)建筑的規(guī)范又把光電建材的應(yīng)用拒之門(mén)外，所以急需有針對(duì)性的對(duì)于零能耗建筑設(shè)立單獨(dú)的規(guī)范供行業(yè)參考，打開(kāi)這些壁壘，這樣才能有效地使零能耗建筑得到更快更廣泛的推廣。

6 結(jié)語(yǔ)

在“雙碳”國(guó)家戰(zhàn)略背景下，各級(jí)政府相關(guān)部門(mén)和行業(yè)都在出臺(tái)相關(guān)措施，支持光電建筑一體化推廣應(yīng)用，要求新建公共建筑屋頂利用光伏面積不低于50%，有些地方規(guī)定新建建筑有幕墻的，需要安裝一定比例的光電幕墻。光電建筑一體化推廣應(yīng)用是建筑創(chuàng)能的有效途徑，是零能耗建筑設(shè)計(jì)建造必須利用的技術(shù)手段，是實(shí)現(xiàn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要途徑之一，雖然目前還存在一定的困難和技術(shù)屏障，但在碳中和背景下圍繞零能耗建筑的BIPV技術(shù)、綜合能源管理等相關(guān)技術(shù)一定會(huì)得到快速發(fā)展。