上海地區(qū)近零能耗高層住宅光伏替代率研究

鄧 豐 DENG Feng

1 概論

為應(yīng)對全球化的能源與環(huán)境問題，建筑能耗都被各國作為能源節(jié)約的主要研究對象之一。建筑能耗包括建材的生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、建筑運(yùn)行及后期拆除等所需的能耗總和，其中，占比最大的是建筑日常的運(yùn)行能耗，約占整個建筑能耗的一半以上，包括采暖、制冷、通風(fēng)、照明、熱水、家用電器等。因此，許多歐美發(fā)達(dá)國家都將建筑的日常運(yùn)行能耗作為節(jié)能工作研究和控制的重點(diǎn)。由于各國政府及機(jī)構(gòu)對于“零能耗建筑”的邊界劃分、計(jì)算范圍、衡量指標(biāo)、轉(zhuǎn)換系數(shù)、平衡周期等問題的設(shè)定都不盡相同[1]，經(jīng)過長期的發(fā)展，逐漸形成了各自的節(jié)能建筑理念，因此，“零能耗”建筑的相關(guān)定義和能耗計(jì)算范圍在國際上也各不相同（表1）。

表1 世界各國“零能耗”相關(guān)建筑類型及能耗計(jì)算范圍

2 我國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，我國的建筑節(jié)能工作發(fā)展迅速，取得了長足的進(jìn)步。目前，我國北方大部分城市已經(jīng)執(zhí)行居住建筑節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)，北京率先編制并執(zhí)行了居住建筑節(jié)能75%的標(biāo)準(zhǔn)；位于夏熱冬冷地區(qū)的上海、南京等有條件的大城市也加強(qiáng)了執(zhí)行居住建筑節(jié)能65%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)力度。2015 年，河北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳發(fā)布了《被動式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB13(J)/T177—2015），這是中國首部地方性被動房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。同年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）》，借鑒國外被動房和近零能耗建筑的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國已有工程實(shí)踐，明確了我國被動式超低能耗綠色建筑的定義、不同氣候區(qū)技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和評價技術(shù)要點(diǎn)，為全國被動式超低能耗綠色建筑的建設(shè)提供指導(dǎo)。按照被動式超低能耗標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行換算，基本能夠?qū)崿F(xiàn)建筑節(jié)能83%，若再輔以可再生能源的補(bǔ)充，即可實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能90%及以上，也就是實(shí)現(xiàn)本文所探討的近零能耗（圖1）。

圖1 我國節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

2019 年1 月24 日，住 房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了“關(guān)于發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的公告”，《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51350—2019）自2019 年9 月1日起實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)將近零能耗建筑（Nearly Zero Energy Building）定義為：“適應(yīng)氣候特征和場地條件，通過被動式建筑設(shè)計(jì)最大幅度降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求，通過主動技術(shù)措施最大幅度提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境，且其室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和能效指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的建筑”。其中，在夏熱冬冷地區(qū)，其建筑能耗水平應(yīng)較國家標(biāo)準(zhǔn)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134—2016）降低75%以上。本文中所討論的近零能耗住宅是以住宅為主要研究對象，以年為計(jì)算周期，以終端用能形式作為衡量指標(biāo)，由自身可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生的能源總量接近于其消耗的能源總量的住宅建筑。

3 太陽能光伏利用研究

近零能耗建筑是在低能耗住宅基礎(chǔ)之上通過對可再生能源的高效利用實(shí)現(xiàn)住宅運(yùn)行能耗的自給自足[2]。因此，可再生能源利用技術(shù)的研究發(fā)展進(jìn)程也成為近零能耗住宅是否能夠盡快成為未來住宅主要發(fā)展目標(biāo)的重點(diǎn)，其中，太陽能光伏的產(chǎn)能是實(shí)現(xiàn)近零能耗的關(guān)鍵。

3.1 不同住宅類型的太陽能光伏產(chǎn)能比較

不同住宅類型的太陽能光伏產(chǎn)能存在很大區(qū)別。以上海地區(qū)為例，新建住宅以高層住宅類型占主導(dǎo)，10 層以上高層住宅占總建設(shè)住宅棟數(shù)的58.2%[3]。相比低層和多層住宅，高層住宅適用的技術(shù)選擇和設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定存在很大區(qū)別，在不增加立面光伏系統(tǒng)的前提下，單位面積對可再生能源的利用有限，基本不可能實(shí)現(xiàn)近零能耗。如圖2 所示，以近零能耗為目標(biāo)，從耗能和產(chǎn)能的角度來看，板式住宅明顯優(yōu)于點(diǎn)式住宅；低層住宅優(yōu)于多層住宅；而高層住宅由于屋頂PV 面積占比小，在不增加立面PV 系統(tǒng)的前提下，最不利于實(shí)現(xiàn)近零能耗。但是，由于高層住宅立面可利用PV 的面積遠(yuǎn)大于屋頂，若增加立面PV 系統(tǒng)，則高層板式住宅的產(chǎn)能優(yōu)勢比較明顯。因此，立面光伏系統(tǒng)的產(chǎn)能對于實(shí)現(xiàn)近零能耗至關(guān)重要，而這一特點(diǎn)是低層和多層住宅所不具備的。

3.2 不同地區(qū)住宅屋頂單位面積年發(fā)電量比較

利用Ecotect 軟件，確定各地最佳朝向；再利用PVsystem 軟件，選取標(biāo)準(zhǔn)模塊，平屋頂安裝，算出各地單位面積的年發(fā)電量。由圖3 可見，處于溫和地區(qū)的昆明市，其屋頂單位面積年發(fā)電量最高；其次是嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的哈爾濱和北京；而處于夏熱冬暖地區(qū)的廣州，其屋頂單位面積年發(fā)電量最低。

3.3 不同地區(qū)住宅單位建筑面積年耗電量比較

根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2009》，除空調(diào)電耗隨氣候有明顯變化外，其他住宅終端能耗隨氣候變化不大。因此，根據(jù)不同氣候區(qū)高、中、低三種生活方式人群的比例和單位面積總能耗，對各氣候區(qū)的平均能耗強(qiáng)度進(jìn)行估值，得出各地區(qū)住宅年單位建筑面積的耗電量，包括空調(diào)、照明和家電等[4]。

以一個建筑面積為100m2的家庭為例，可以測算出實(shí)現(xiàn)近零能耗的光伏屋頂安裝面積。如表2 所示，如果在北京的屋面安裝太陽能光伏板，其單位光伏發(fā)電量為216.94kWh/m2，則需要5.21m2的屋頂安裝面積就能夠滿足整個住宅建筑的總耗電量；而同樣面積的住宅在廣州則需要8.76m2的屋頂安裝面積，才能夠滿足整個住宅建筑的總耗電量。

3.4 各城市補(bǔ)貼政策及收益比較

隨著國家整體生態(tài)節(jié)能意識的提高，建筑節(jié)能工作快速發(fā)展，政府從政策和經(jīng)濟(jì)層面對可再生能源利用的支持也不斷加大。目前，我國部分地區(qū)居民分布式光伏發(fā)電已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，并且可以享受國家補(bǔ)貼0.42 元/kWh，補(bǔ)貼年限共20 年；另外，各地還有各自的補(bǔ)貼政策（表3）。①北 京 在2015 年1 月1 日～2019 年12 月31 日期間，對并網(wǎng)發(fā)電的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，按照實(shí)際發(fā)電量給予0.3 元/kWh 的獎勵（含稅），連續(xù)獎勵5 年。②上海地區(qū)居民分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)可享受優(yōu)惠電價0.4 元/kWh，補(bǔ)貼5 年。③廣州2020 年之前建設(shè)完成的項(xiàng)目，對項(xiàng)目建設(shè)個人或單位按照0.1 元/kWh 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)貼，補(bǔ)助時間為項(xiàng)目建成投產(chǎn)后連續(xù)10 年；對建筑物權(quán)屬人以建成的項(xiàng)目總裝機(jī)容量為基礎(chǔ)，按0.2 元/kW 的標(biāo)準(zhǔn)確定補(bǔ)助金額，單個項(xiàng)目最高補(bǔ)助金額為200 萬元。

以住宅平屋頂為例，比較各城市光伏系統(tǒng)投資回收期及IRR（內(nèi)部收益率）（圖4）。可看出，北京、上海住宅平屋頂分布式光伏系統(tǒng)投資回收期更短、收益率更高，其中，上海住宅平屋頂分布式光伏系統(tǒng)投資回收年限為7.11 年，內(nèi)部收益率11.89%。

4 上海地區(qū)典型高層住宅光伏替代率限值研究

4.1 典型模型設(shè)定

據(jù)統(tǒng)計(jì)，上海新建住宅小區(qū)中，高度為18層的住宅占比最高，達(dá)28%[3]。其中，一梯兩戶的單元類型出現(xiàn)頻率最高，為72%；其次是一梯三戶的單元類型，達(dá)到27%。但由于一梯三戶點(diǎn)式單元類型的體形系數(shù)更大，更不利于節(jié)能，因此，將一梯三戶的18 層點(diǎn)式住宅設(shè)為本案的典型高層住宅模型，采用家用空氣源熱泵空調(diào)器（圖5）。以上?，F(xiàn)行的2015 年居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，利用PKPM 建筑節(jié)能軟件進(jìn)行能耗模擬計(jì)算[5]。

利用PV-system 軟件對該典型模型在各地的光伏發(fā)電量進(jìn)行測算，預(yù)設(shè)為平屋頂，屋面有效安裝面積為197.08m2。利用PV-system 軟件對該住宅在上海地區(qū)的光伏發(fā)電量進(jìn)行測算，預(yù)設(shè)為平屋頂有效面積，正南朝向，安裝最佳角度為25°，單晶硅材料，測算出其全年最佳發(fā)電量為184.97 kWh/m2，則其屋面光伏系統(tǒng)全年總發(fā)電量為36 391 kWh。

圖2 不同住宅類型的體形系數(shù)和屋頂PV 面積占比

圖3 不同城市住宅屋頂單位面積年發(fā)電量比較

表2 不同城市每100m2 建筑面積實(shí)現(xiàn)零能耗的屋頂安裝面積

表3 不同城市住宅平屋頂光伏補(bǔ)貼金額及投資回收期和收益率比較

圖4 不同城市住宅平屋頂光伏發(fā)電投資回收年限及內(nèi)部收益率IRR 比較

如圖6 所示，設(shè)定模型案例為居住小區(qū)中心住宅單元。根據(jù)《上海市城市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定》第27 條：“高層居住建筑與高層居住建筑平行布置時的間距：南北向的，不小于南側(cè)高層建筑高度的0.5 倍，且其最小值浦西內(nèi)環(huán)線以內(nèi)地區(qū)為 24m，其他地區(qū)為 30m?！钡湫湍Ｐ蜑?8 層一梯三戶點(diǎn)式高層住宅，建筑層高2.9m，建筑總高度控制不大于60m，按照正南北向布局，南北向控制間距應(yīng)為30m，且需同時滿足冬至日滿窗日照1h 標(biāo)準(zhǔn)，東西向控制最小間距為13m。

4.2 節(jié)能率計(jì)算

根據(jù)中國工程建設(shè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和建筑一體化技術(shù)規(guī)程》（CECS418：2015）4.3.2條規(guī)定：“光伏組件安裝位置要滿足冬至日全天有3h 以上日照時數(shù)的要求”。利用SkethcUp日照大師軟件模擬計(jì)算出上海冬至日的日照情況（圖7、8），可以得出，若要做到光伏利用最大化，需要在11 層以上東、西、南向安裝立面光伏系統(tǒng)，即：在12～18層南向陽臺板外側(cè)和凸窗窗間安裝光伏發(fā)電板，安裝面積為148.96m2；東側(cè)及西側(cè)立面安裝光伏發(fā)電板，安裝面積各201.67 m2；因此，立面光伏系統(tǒng)總安裝面積約為552.3m2。

預(yù)設(shè)光伏系統(tǒng)材料選用單晶硅，90°安裝，利用PVsystem 軟件進(jìn)行全年發(fā)電量模擬，得出立面光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量為56 717 kWh，再加上屋頂光伏系統(tǒng)，則全年總發(fā)電量可達(dá)到93 108kWh。在滿足被動式超低能耗標(biāo)準(zhǔn)前提下，該住宅的全年耗電量為128 234kW，被動節(jié)能率可達(dá)71.6%；光伏替代率為72.61%，總節(jié)能率達(dá)到92.2%，可以實(shí)現(xiàn)近零能耗（圖9）。

圖5 典型高層住宅模型

圖6 模型案例典型布局及間距控制

圖7 冬至日日照分析

圖8 模型案例冬至日日照分析

圖9 案例模型不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下光伏替代率比較

5 案例模型住宅建筑在不同地區(qū)的能耗和光伏替代限值研究

根據(jù)以上方法，計(jì)算出案例模型在不同氣候區(qū)典型城市（哈爾濱、北京、上海、廣州和昆明）的能耗。根據(jù)CSWD 氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行測算，當(dāng)?shù)湫湍Ｐ徒ㄖ?jié)能做到被動式超低能耗標(biāo)準(zhǔn)時的建筑能耗極限（即被動節(jié)能率），再根據(jù)各地城市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定的日照條件，計(jì)算出該地區(qū)的光伏發(fā)電極限值，最后得出模型案例在各地區(qū)的光伏替代率和總節(jié)能率極限值（表4、圖10）。

根據(jù)各地的城市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定和住宅日照間距控制標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定哈爾濱和北京的住宅間距控制為42m，上海、昆明住宅間距控制為30m，廣州為44m。滿足冬至日日照3h 以上的區(qū)域分別為哈爾濱頂上5 層，北京、上海頂上7 層，廣州頂上13 層，昆明頂上9 層。

在南向陽臺板外側(cè)和凸窗窗間，以及東、西側(cè)立面安裝光伏發(fā)電板。從表4 和圖10 可以看出：①案例模型在昆明地區(qū)的光伏替代率可達(dá)177.7%，總節(jié)能率為136.7%，實(shí)現(xiàn)零能耗；②在北京、上海和廣州地區(qū)，最終節(jié)能率也都能夠達(dá)到90%以上，可以實(shí)現(xiàn)近零能耗；③在哈爾濱地區(qū)總節(jié)能率可達(dá)85.4%。其中，廣州地區(qū)雖然被動節(jié)能率低，光伏發(fā)電效率也不高，但由于日照控制標(biāo)準(zhǔn)時長為大寒日滿窗日照3h，且住宅間距控制為44m，使得立面可安裝面積增大，高層住宅建筑頂上13 層皆可以安裝立面光伏系統(tǒng)，全年總發(fā)電量最大，發(fā)電量接近日照條件最好的昆明地區(qū)；若排除立面光伏系統(tǒng)，僅安裝屋面光伏系統(tǒng)，則光伏替代率僅為22.03%，增設(shè)立面光伏系統(tǒng)以后，其光伏替代率可達(dá)到80.6%，總節(jié)能率達(dá)92.4%，可以實(shí)現(xiàn)近零能耗。

表4 被動式超低能耗高層住宅案例模型在各地的耗能和產(chǎn)能比較

圖10 被動式超低能耗高層住宅案例模型在各地的耗能和產(chǎn)能比較

6 結(jié)語

綜上所述，只要滿足被動式超低能耗綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的要求，基本能夠?qū)崿F(xiàn)建筑節(jié)能83%，若再輔以可再生能源的補(bǔ)充，達(dá)到建筑節(jié)能90%及以上，即可實(shí)現(xiàn)近零能耗。

（1）以被動式超低能耗為基礎(chǔ)，上海地區(qū)低層獨(dú)立式住宅和多層住宅在添加屋面光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)近零能耗，而高層住宅在僅安裝屋面光伏系統(tǒng)的前提下無法實(shí)現(xiàn)近零能耗，但在增加安裝立面光伏系統(tǒng)的條件下，也可以實(shí)現(xiàn)近零能耗。

（2）對于高層住宅建筑而言，立面光伏系統(tǒng)的產(chǎn)能對于實(shí)現(xiàn)近零能耗至關(guān)重要。其有效安裝面積與住宅建筑體形和平面關(guān)系密切。

（3）上海地區(qū)典型模型高層住宅，當(dāng)建筑節(jié)能滿足被動式超低能耗標(biāo)準(zhǔn)時，其被動節(jié)能率可達(dá)71.6%；增加屋頂及立面光伏系統(tǒng)，光伏替代率可達(dá)72.61%，總節(jié)能率為92.2%，可以實(shí)現(xiàn)近零能耗。

（4）以被動式超低能耗綠色建筑能耗控制指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，高層住宅典型模型根據(jù)各氣候區(qū)典型城市的規(guī)劃和日照條件增設(shè)屋面及立面光伏系統(tǒng)，則除嚴(yán)寒城市哈爾濱以外，其余城市均可達(dá)到總節(jié)能率90%以上，實(shí)現(xiàn)近零能耗。