光伏在歐洲建筑節(jié)能中的應(yīng)用

季媛媛，管永麗（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096）

◆環(huán)球攬萃◆

光伏在歐洲建筑節(jié)能中的應(yīng)用

季媛媛，管永麗
（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096）

太陽能是清潔的可再生能源，將光伏技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域能降低建筑能耗甚至實(shí)現(xiàn)零能耗。分析了光伏技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的重要性和可行性，介紹了光伏在歐洲的發(fā)展前景和建筑節(jié)能上的發(fā)展前景，對比分析了光伏建筑一體化和非一體化的案例，最后介紹了西班牙背景下的3種類型住宅：獨(dú)立式住宅、半獨(dú)立住宅和多住戶住宅的能源效率，進(jìn)行了節(jié)能效果的分析。結(jié)果表明，光伏建筑值得大力推廣和發(fā)展。

光伏；建筑節(jié)能；歐洲；建筑能耗

建筑領(lǐng)域的能源消耗和二氧化碳排放量快速增長使得提高能源效率成為不同國家的優(yōu)先目標(biāo)，不少國家已經(jīng)在開發(fā)新的建筑法規(guī)和認(rèn)證制度來最大限度的降低能源消耗。2015年，歐盟通過EPBD指出，到2020年底所有新建筑應(yīng)該是“接近零能耗建筑”，即具有非常高的能源效率并可通過可再生能源來滿足建筑物的能源需求。

對于建筑節(jié)能，太陽能是最明顯最清潔的能源之一。目前光伏應(yīng)用于建筑節(jié)能的手段主要有2個，BAPV和BIPV。BAPV（Building attached photovoltaic，光伏依附于建筑）是指太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)附著在建筑物上，是一種安裝型的太陽能光伏建筑。它的主要功能是發(fā)電，與原有的建筑物功能不發(fā)生沖突，也不會改變原有建筑的功能。

BIPV（即光伏建筑一體化）是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新的概念，比較常用的是光伏方陣與建筑的結(jié)合，即將光伏方陣依附于建筑物上。建筑物都需要對空氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，而采用空調(diào)、燃煤等方式不僅會給外界帶來污染，而且也會消耗巨大的能量。光伏建筑一體化一方面可以由太陽能對室溫進(jìn)行一部分調(diào)節(jié)，另一方面也可以為建筑物提供能量，從而減少對電力系統(tǒng)的依賴性。由于光伏組件是建筑的一部分，不同于BAPV，光伏組件應(yīng)避免太大的影響建筑物的功能，也可以在一定程度上成為一種新的外觀設(shè)計元素。

1 光伏在歐洲的發(fā)展與前景

1.1 光伏在歐洲的發(fā)展

1990年，歐盟提出了到2020年要實(shí)現(xiàn)減少20%的溫室氣體的排放；可再生能源提供20%的能源；在成員國的能源效率的提高下，減少歐盟的20%的能源消耗。2009年EPIA（European photovoltaic industry association，歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會）提出了3種發(fā)展模式：基本發(fā)展模式、加速發(fā)展模式和理想發(fā)展模式。到2020年，按照不同的發(fā)展模式的光伏總裝機(jī)容量分別為100 GW、200 GW和400 GW，分別占電力需求的4%、6%和12%。

近年，因?yàn)楣夥a(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展的和光伏成本的不斷降低，世界各地對太陽能光伏能量的利用將來急劇增加，在歐盟27個國家產(chǎn)生的光伏能量的總量在2010為22.5億kWh，比2009年增加60.1%。歐洲太陽能市場在2008年至2011年間進(jìn)展迅速：與2008年相比，2011年的總裝機(jī)容量是其4倍，在3年內(nèi)增加了42.404 MW裝機(jī)容量。太陽能市場在2012到2013年間有所減少，累計容量在2011至2014之間增長了65%，與上一個3年相比，裝機(jī)容量的增長減少了9 MW。

這種下降主要是由于幾個國家（例如：比利時，西班牙和德國等）公共政策的演變。只有2個國家（法國和英國）在2014年有顯著高于2008年的年裝機(jī)容量。尤其是英國市場，自2011年以來，成倍增長，與德國和意大利一起成為歐洲太陽能市場的主要動力之一。造成這種增長的主要因素是其在2010年4月引進(jìn)了一個上網(wǎng)電價方案。

1.2 光伏在歐洲建筑節(jié)能上的發(fā)展前景

雖然有幾個國家由于政策的變化導(dǎo)致裝機(jī)容量減小，但是光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無論是對能源節(jié)約還是經(jīng)濟(jì)增長都有很重要的作用。毫無疑問，太陽能光伏將是實(shí)現(xiàn)這一宏偉而重要目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。2012年歐洲建筑能效指導(dǎo)政策提出，歐盟所有成員國的新建筑到2020年都將實(shí)現(xiàn)接近零的能源消耗，歐盟成員國都需要貫徹執(zhí)行這一政策，而太陽能無疑是達(dá)到建筑零消耗的最佳選擇。

在歐洲，很多建筑物都安裝了太陽能發(fā)電裝置。40%的建筑屋頂和15%的建筑外墻可安裝光伏板，總面積高達(dá)2.2萬km2。僅靠安裝在這些建筑物上的光伏電池板，每年就可產(chǎn)生高達(dá)1.4萬億kWh的電量。根據(jù)EPIA最新數(shù)據(jù)顯示，到2020年為止，通過在建筑物上安裝太陽能電池板，大約可以供給歐洲4成的用電。

2 光伏在歐洲建筑節(jié)能的應(yīng)用

2.1 歐洲光伏建筑非一體化案例

（1）獨(dú)立別墅

對于某一棟獨(dú)立的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的別墅建筑，采用的太陽能設(shè)計方案為：南面的外墻采用透明玻璃材質(zhì)的設(shè)計，這樣在冬季可以盡可能的利用太陽輻射的熱量來調(diào)節(jié)該建筑的空氣溫度，在別墅的屋頂上設(shè)置了22組單晶硅光伏電板和10組太陽能空調(diào)系統(tǒng)。在采暖期，太陽能光伏板的發(fā)電主要用于該建筑的地源熱泵系統(tǒng)；在非采暖期，發(fā)電量可并入電網(wǎng)系統(tǒng)。

（2）坡地別墅

坡地別墅建筑主要是指建在山地的別墅，一般這種建筑的設(shè)計分為上下2層。根據(jù)這個特點(diǎn)，設(shè)計方案為：下層采用較為封閉的設(shè)計，將其用作客廳和臥室；上層采用全透明設(shè)計，將其用作廚房和餐廳。整個建筑采用外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計，外窗玻璃材質(zhì)采用充入氬氣的三玻兩腔式玻璃，其傳熱系數(shù)0.7 W/（m2·K），而上層透明玻璃采用Low-E鍍膜玻璃。

（3）集合式住宅

對于某一棟集合式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)住宅，設(shè)計方案如下：建筑外墻采用輕型的木框填充墻；有20組太陽能空調(diào)系統(tǒng)吸附在面向南面的外墻上，總面積達(dá)54 m2；南面和西面外墻上設(shè)有多晶硅光伏電板，總面積達(dá)78 m2；屋頂設(shè)置有87 m2的多晶硅光伏電板，且與屋頂平面呈30°夾角。建筑光伏系統(tǒng)發(fā)電所產(chǎn)生的電能既可滿足建筑照明和家電的用電需求，也可以將多余的電能并入電網(wǎng)系統(tǒng)。

2.2 歐洲太陽能10項(xiàng)全能競賽

2010年6月7日至7月21日，為了探索太陽能技術(shù)與建筑節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新模式，西班牙政府舉辦了“太陽能10項(xiàng)全能競賽”。競賽要求參賽隊伍設(shè)計的建筑內(nèi)裝上烹飪用具、冰箱、洗衣機(jī)、電視機(jī)等日常生活必需的家電，并保證3—6名人員在建筑內(nèi)可以正常生活，建筑物所需的能量都必須全部來源于太陽能。

這次競賽的第一名獲得者是來自美國弗吉尼亞理工學(xué)院的VGN團(tuán)隊。該團(tuán)隊設(shè)計的光伏陣列可以根據(jù)不同季節(jié)太陽高度角調(diào)整光伏板到最適合的角度。光伏陣列共安裝了45塊單晶硅電池，基于杠桿原理采用液壓缸來調(diào)節(jié)陣列角度。通過調(diào)節(jié)光伏陣列在不同季節(jié)的角度，該團(tuán)隊設(shè)計的光伏裝置可增加年發(fā)電量達(dá)15%～20%。而且，VGN團(tuán)隊還在建筑的南面巧妙地利用了光伏遮陽，電池組件的裝置及布局都實(shí)現(xiàn)了與建筑完美的一體化。

除了VGN團(tuán)隊的設(shè)計外，該10項(xiàng)全能競賽還集成了很多光伏建筑一體化的新技術(shù)，比如：天臺可以自然采光，屋頂采用半透明光伏組件；傳統(tǒng)的瓷磚材料上搭載微晶和能夠捕獲各種波長光的非晶硅雙層結(jié)構(gòu)；通過計算將光伏組件集成在建筑屋頂和外墻，從而實(shí)現(xiàn)與建筑熱量系統(tǒng)結(jié)合；通過對光伏組件的獨(dú)立設(shè)計，使其部分成為建筑物的裝飾，塑造建筑物屋頂?shù)那€輪廓等。這些技術(shù)或者方案都是值得借鑒學(xué)習(xí)的，在某種程度上極大的推動了歐洲乃至世界各國光伏建筑一體化的發(fā)展。

3 光伏建筑的節(jié)能效果

3.1 光伏建筑能量計算流程

對于住宅建筑，最常見有3種類型：獨(dú)立式住宅、半獨(dú)立住宅和多住戶住宅。西班牙的學(xué)者羅莎莉帕切科塔等人使用仿真軟件Energy Plus研究了這3種類型住宅能源效率，對光伏應(yīng)用于這3種住宅后的節(jié)能效果進(jìn)行了評估，工作流程如圖1所示。

（1）獲取住宅的基本信息

對住宅建筑進(jìn)行宏觀統(tǒng)計和住宅特征的提取，確定所要設(shè)計的建筑的類型，獲得住宅的基本信息：表面積、房間分布圖、熱區(qū)以及使用的建材等。

（2）計算住宅能源需求

根據(jù)住宅的基本信息，考慮住宅所在地的氣候條件、電器功率和使用時間分布以及住宅房間熱氣流的標(biāo)準(zhǔn)值，計算建筑每平方米的能源需求。

圖1 光伏建筑能量計算流程

（3）計算光伏太陽能

對住宅進(jìn)行光伏設(shè)計，確定光伏太陽能板的安裝方案，并根據(jù)使用的光伏太陽能板的性能和住宅所在地的地理位置等信息，計算光伏太陽能產(chǎn)生的能量。

（4）評估光伏建筑的節(jié)能效果

根據(jù)所計算的能源需求和光伏太陽能產(chǎn)生的能量，得到光伏建筑設(shè)計的能源效率，評估光伏建筑的節(jié)能效果。

3.2 能源需求的計算

羅莎莉帕切科塔等人使用Energy Plus進(jìn)行能量分析和熱負(fù)荷模擬。根據(jù)加熱和冷卻以及電力系統(tǒng)的響應(yīng)，通過每小時的天氣數(shù)據(jù)來計算熱負(fù)荷，并量化為能量消耗。

該仿真以安達(dá)盧西亞（西班牙）區(qū)域統(tǒng)計的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，光伏面板覆蓋面為住宅建筑屋頂和50%的南面外墻。綜合考慮住宅建筑內(nèi)每一個熱區(qū)的面積和人均占有率的值、照明安裝電源，人工照明光源和設(shè)備安裝功率以及住宅通風(fēng)。使用Energy Plus動態(tài)過程從各種要素獲得的熱量考慮，如：人員，照明和電器，并給這些內(nèi)部的源分配一個熱增益率。該仿真需要在已知每個熱區(qū)照明和電器的使用時間表的基礎(chǔ)之上，這些時間表不僅用來估算該住宅內(nèi)所產(chǎn)生的熱氣流，而且用于計算照明系統(tǒng)和電器電力消耗。圖2分別顯示出了臥室和客廳的人員、照明以及家電作為熱源的負(fù)載工作模式時間表。

3.3 光伏太陽能計算

羅莎莉帕切科塔等人計算安裝光伏太陽能在建筑物屋頂上和50%的南面外墻所產(chǎn)生的能量，且使用單晶光伏電池板。表1顯示出了在標(biāo)準(zhǔn)測試條件之下的單晶光電板的性能。

表1 單晶光伏面板的屬性面板類型

圖2 臥室和客廳內(nèi)部負(fù)載模式

光伏太陽能的計算公式

式中：Ep是由系統(tǒng)每天產(chǎn)生的能量，kWh；Gdm（α，β）是太陽能發(fā)電機(jī)上每天每平方米的太陽照射的平均值，kWh；Pmp是在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下發(fā)電機(jī)峰值功率，kWh；PR是性能比；GCEM是一個轉(zhuǎn)換因子，等于1 kW/m2。傾斜角 β相當(dāng)于太陽能面板和水平面之間的角度，取值范圍是0°～90°。最佳的傾斜βopt=?-10，其中?是住宅位置的緯度。方位角角度α是投影到由模塊表面形成的垂直平面和位置的子午線之間的角度，取值范圍是-90°～90°?？紤]太陽輻射損失慮為12%?；诿總€建筑物的屋頂表面計算太陽能電池組件的總數(shù)，面板之間的距離d滿足式（2）

式中：h為最佳傾斜時面板的高度值。

3.4 節(jié)能效果的評估

表2顯示了安裝了光伏系統(tǒng)的獨(dú)立住宅（1棟）和半獨(dú)立住宅（1—10棟）的能量平衡?？梢姡瑢τ谙嗤目偟挠杏帽砻娣e，獨(dú)立住宅比半獨(dú)立住宅生產(chǎn)光伏能源的效率更高，但是獨(dú)立住宅對能量的需求也更高，這主要是因?yàn)楠?dú)立住宅外墻的比例較大，每面較高的熱需求使得熱損失也較高。獨(dú)立式住宅的能量需求的21.64%可由屋頂上的太陽能電池板產(chǎn)生的能量提供。在半獨(dú)立式房屋的情況下，這一比例隨著連排的住宅數(shù)的增加可從22.46%上升到26.67%。

表2 獨(dú)立和半獨(dú)立單戶住宅的能源需求、光伏發(fā)電量的和光伏系統(tǒng)提供的能源需求占比

圖3和圖4分別顯示了安裝了光伏系統(tǒng)的2種多住戶住宅的總能量需求和光伏可提供的能量。藍(lán)色條代表建筑可用表面每平方米的年能源需求，紅色線表示可通過光伏系統(tǒng)來滿足這種需求的能量。可見，一個有25戶住戶且只有一層樓的住宅，光伏發(fā)電可以滿足高達(dá)74%的建筑物的能源需求，但是這樣的模式幾乎沒有，多住戶住宅大多是高層建筑，生產(chǎn)太陽能相比于需求量很小。多住戶住宅一般選擇3層，屋頂和外墻的光伏太陽能的發(fā)電能滿足總量的25%的能源需求。

4 結(jié)束語

本文介紹了光伏在歐洲的發(fā)展和建筑節(jié)能上的發(fā)展前景，具體介紹了光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用。光伏技術(shù)應(yīng)用于建筑有助于建筑最終的能源需求的減少和碳排放的減少，與歐洲聯(lián)盟政府的目的以及環(huán)保協(xié)會是完全一致的。因此，為福祉我們?nèi)祟?，未來的研究?yīng)多側(cè)重于建筑材料的影響，如：玻璃窗絕緣質(zhì)量和框架。此外，應(yīng)考慮較低的窗戶導(dǎo)熱系數(shù)，如：低輻射玻璃涂層或窗口氣隙充氬氣。

圖3 5住戶住宅的總能源需求和光伏可提供的能量比例

圖4 25住戶住宅的總能源需求和光伏可提供的能量比例

［1］ Joara Cronemberger，Monica Almagro Corpas，Isabel Cerón.BIPV technology application：Highlighting advances，tendenciesand solutions through Solar Decathlon Europe houses［J］.EnergyandBuilding，2014，83：44-56.

［2］ Solar Power Europe.Solar Photovoltaics Jobs&Value Added in Europe［R/OL］.http：//www.solarpowereurope.org/insights/national-pv-market-overviews/

［3］ Rosalía Pacheco-Torres，Mónica López-Alonso，Germán Martínez.Efficient design of residential buildings geometry to optimizephotovoltaic energy generation and energy demand in a warmMediterranean climate［J］.Energy Efficiency，2015（8）：65-84.

（本欄責(zé)任編輯 孫 晶）

Applications of photovoltaic in building energy efficiency in Europe

JI Yuan?yuan，GUAN Yong?li
（Southeast University，Nanjing 210096，China）

Solar energy is clean and renewable energy.Photovoltaic technology applied to the construction sector can reduce energy consumption even zero energy consumption.This paper analyzed the importance and feasibility of photovoltaic technology construction applied to the construction sector.This paper described photovoltaic development prospects in Europe and development prospects of energy-efficient buildings.The integrated and non-integrated photovoltaic building cases were compared and analyzed.Finally，the paper introduced energy efficiency of the three types of housing in Spanish and analyzed the effect of energy saving，which were detached houses，semi-detached houses and multi-dwelling houses.The results showed that the photovoltaic building is worth of promoting and developing.

photovoltaic；building energy efficiency；Europe；building energy consumption

季媛媛（1992），女，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)配電網(wǎng)故障選線技術(shù)；管永麗（1992），女，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)輸電線路故障測距技術(shù)。

F416.61；TK018

C

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.04.014

2016-06-01