光電建筑是節(jié)能建筑的必然形式

王志東，王春麗

(1.中國建筑技術(shù)集團有限公司，北京 100013；2.建研暉潤(北京)能源科技有限公司，北京 100013)

0 引言

得益于節(jié)能建筑和光伏組件技術(shù)的發(fā)展，使建筑與光伏這2個行業(yè)融合出“光電建筑”這一新的建筑形式，“光電建筑”一詞最早是于2009年在財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布的文件中被提出。自中國提出將力爭于2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”，在2060年前實現(xiàn)“碳中和”這一“中國目標(biāo)”，且在2021年的全國兩會上規(guī)劃出提高自主貢獻(xiàn)的力度的路線圖后，作為節(jié)能且減少碳排放的有效方法，光電建筑成為完成該“中國目標(biāo)”的方法之一。

1 光電建筑

1.1 “光電建筑”的介紹

2009年3月23日，財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布的《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實施意見》中第一次提出“光電建筑”這一概念，可見，光電建筑是屬于建筑的一種形式。同年10月10日，中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會光電建筑應(yīng)用委員會成立大會在北京召開，落實了“光電建筑”的概念。

光電建筑從概念被提出至今已經(jīng)歷了10多年的發(fā)展，根據(jù)T/CBDA 39-2020《光電建筑技術(shù)應(yīng)用規(guī)程》，光電建筑是指由擁有光伏發(fā)電功能的建筑材料建造的建筑，它是建筑的一種形式。可發(fā)電的建筑材料即建筑用光伏組件，是光伏組件與其他建筑材料的整合，其在建筑中首先承擔(dān)的是建筑的建筑材料功能，同時兼具光伏的發(fā)電功能。例如光伏幕墻，其既具有幕墻功能，同時還具有發(fā)電功能。

既然作為建筑材料，建筑用光伏組件就應(yīng)達(dá)到建筑要求，比如與建筑的使用壽命相同，這體現(xiàn)了建筑材料的屬性；同時還應(yīng)滿足建筑材料的同一性、建筑的美觀性與和諧性，以及建造師的創(chuàng)作性。

光電建筑是建筑的一種新形式，真正的光電建筑是在光伏組件發(fā)展到符合建筑要求，且能夠成為建筑產(chǎn)能的一種方式時出現(xiàn)的。光電建筑解決的不僅是建筑節(jié)能問題，還解決了減碳問題。

1.2 光電建筑的成本特性

光電建筑與普通建筑最主要的區(qū)別在于二者使用的建筑材料不同，光電建筑使用的是擁有綠色環(huán)保概念且具有發(fā)電功能的建筑材料，而普通建筑使用的是普通建筑材料。兩者使用的雖然都是建筑材料，都可以建造房屋等建筑，但建成的建筑的性質(zhì)卻不同，一個屬于節(jié)能建筑，另一個屬于普通建筑，因此，2類建筑的建造成本和售價也不同。光電建筑和普通建筑的建造成本如圖1所示。

從圖1的建造成本來看，光電建筑的建造成本是一條自上而下的斜線，呈現(xiàn)出動態(tài)變化特性，由于光電建筑靠光伏發(fā)電可節(jié)省電費并獲得補貼收益，因此隨著建筑使用年限的增加，依靠光伏發(fā)電收入使建筑的建造成本越來越低，在30～50年的建筑全壽命周期內(nèi)，建造成本甚至出現(xiàn)了負(fù)數(shù)，也就是實現(xiàn)了盈利；而普通建筑的建造成本則是一條平線，呈現(xiàn)出靜態(tài)特性，只有依靠折舊才能回收成本。因此，光電建筑改變了建筑的成本特性，使其由靜態(tài)變?yōu)榱藙討B(tài)；雖然光電建筑的初始建造成本高于普通建筑的，但隨著時間的延續(xù)，光電建筑的建造成本在不斷降低，用不了多久的時間即可實現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，其建造成本將逐漸低于普通建筑的。如此可以說明，光電建筑是當(dāng)前各種建筑形式中成本最低的。

1.3 制定光電建筑規(guī)范的重要性

普通建筑外圍護結(jié)構(gòu)中不存在電的因素，而光電建筑中增加了這一因素。光電建筑是光伏行業(yè)與建筑行業(yè)的融合，但這2個行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都不能滿足規(guī)范和約束光電建筑的要求。因此針對這一特性需要編制新的關(guān)于光電建筑的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范和約束。

由中國建筑裝飾協(xié)會批準(zhǔn)立項、中國建筑科學(xué)研究院和中國建筑裝飾協(xié)會幕墻工程分會為主編單位編制并發(fā)布的T/CBDA 39-2020《光電建筑技術(shù)應(yīng)用規(guī)程》是國內(nèi)第1部光電建筑專項標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)于2020年3月24日發(fā)布，于2020年7月1日起實施，填補了這一領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的空白。該標(biāo)準(zhǔn)是從建筑的角度出發(fā)編制的、只針對采用帶有發(fā)電功能的建筑材料建造的光電建筑的應(yīng)用規(guī)范，參編單位包含研究院、設(shè)計院、大學(xué)、政府部門、施工單位、材料生產(chǎn)單位等，參編單位范圍廣泛，代表性強。該標(biāo)準(zhǔn)的實施可指導(dǎo)光電建筑這一新的建筑形式的設(shè)計、施工和驗收。

企業(yè)的發(fā)展離不開大數(shù)據(jù)，可以說沒有數(shù)據(jù)的強有力支撐企業(yè)就得不到最優(yōu)化的發(fā)展方案，同時大數(shù)據(jù)能幫助并引導(dǎo)企業(yè)高層進(jìn)行更明智的決策。企業(yè)需要建立基礎(chǔ)平臺或有效工具來收集數(shù)據(jù)，同時要利用大數(shù)據(jù)開拓思路。 讓數(shù)據(jù)來說話，整合多方力量。從某種程度上說，大數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)分析的前沿技術(shù)。簡言之，從各種各樣類型的數(shù)據(jù)中，快速獲得有價值信息的能力，就是大數(shù)據(jù)技術(shù)。

1.4 國外BIPV的發(fā)展現(xiàn)狀

光電建筑這一概念是在中國環(huán)境下，根據(jù)光伏組件技術(shù)的發(fā)展和建筑節(jié)能條件下提出的新的建筑形式概念，而國外當(dāng)前多以BIPV形式為代表。

全球光伏市場的數(shù)據(jù)統(tǒng)計難題是存在多種商業(yè)模式和應(yīng)用方式，難以統(tǒng)一統(tǒng)計口徑。因此，石油工程師學(xué)會(SPE)、國際可再生能源署(IRENA)、國際能源協(xié)會下屬光伏電力系統(tǒng)項目研究小組(IEA-PVPS)并未對BIPV的裝機容量進(jìn)行分項統(tǒng)計。

據(jù)IEA-PVPS預(yù)測，當(dāng)前歐洲BIPV市場的裝機容量約為200～300 MW/年，全球BIPV市場的裝機容量約為1 GW/年。其還表示，BIPV是光伏行業(yè)中的新興領(lǐng)域，正處于市場爆發(fā)前夕[1]。歐洲BIPV市場的情況如圖2所示。

圖2 歐洲BIPV市場情況Fig.2 Condition of European BIPV market

1.5 國內(nèi)光電建筑的發(fā)展?fàn)顩r

據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會光電建筑專業(yè)委員會的統(tǒng)計，截至2019年底，全國光電建筑累計裝機容量約為30 GW；光電建筑應(yīng)用面積占既有建筑應(yīng)用面積的約1%。當(dāng)前應(yīng)用主要以工商業(yè)屋頂應(yīng)用為主[2]，工商業(yè)屋頂BIPV應(yīng)用示意圖如圖3所示。

圖3 國內(nèi)某工商業(yè)屋頂BIPV應(yīng)用示意圖Fig.3 BIPV application diagram on roof of an industrial and commercial building in China

2 節(jié)能建筑

2.1 節(jié)能建筑介紹

節(jié)能建筑是指低、超低、近零、零能耗建筑。具體定義可參見2019年9月1日起實施的GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中給出的定義。

2.2 建筑節(jié)能的2個階段

建筑節(jié)能可分為建筑降耗和建筑產(chǎn)能2個階段。我國建筑節(jié)能已經(jīng)歷了“六五節(jié)能”、“七五節(jié)能”、被動式技術(shù)應(yīng)用等第一階段建筑降耗，當(dāng)前將完成第二階段建筑產(chǎn)能。在歐洲，2020年新建建筑物要達(dá)到100%的零能耗建筑的要求，因此，建造零能耗節(jié)能建筑是未來的要求和趨勢，我國也正在制定相關(guān)政策和實施方法。

我國節(jié)能建筑的建筑節(jié)能發(fā)展過程如圖4所示。

圖4 我國節(jié)能建筑的建筑節(jié)能發(fā)展過程Fig.4 Development process of building energy conservation of energy-saving building in China

由節(jié)能建筑的建筑節(jié)能發(fā)展過程可以看出，節(jié)能建筑的最高形態(tài)是零能耗建筑與正能源建筑(即產(chǎn)能建筑)。當(dāng)建筑物的能耗與建筑物自身生產(chǎn)的能量相當(dāng)時，該建筑稱為零能耗建筑；當(dāng)建筑物不僅可以滿足建筑物的能耗，且自身生產(chǎn)的能量有額外的能量輸出，此時該建筑稱為正能源建筑。

實現(xiàn)零能耗建筑和正能源建筑就需要增大可再生能源在建筑物上的供能，光伏是可再生能源中最容易實現(xiàn)與建筑物結(jié)合的一種能源形式，而增大建筑物上光伏發(fā)電形式的使用面積就是解決問題的最佳方法。

2.3 光電建筑與節(jié)能建筑的關(guān)系

根據(jù)光電建筑的發(fā)展過程可以知道，若要使其快速發(fā)展，光電建筑需要滿足以下2個條件：一是光伏組件要符合建筑的美觀性、材料同一性的要求，成為建筑用光伏組件；二是節(jié)能建筑發(fā)展到由光伏發(fā)電實現(xiàn)建筑產(chǎn)能，即實現(xiàn)建筑節(jié)能的第2個階段。因此，節(jié)能建筑的發(fā)展是離不開光電建筑這種建筑形式的。

3 建設(shè)光電建筑的現(xiàn)實意義

3.1 光電建筑是節(jié)能建筑發(fā)展的必然形式

節(jié)能建筑的發(fā)展過程可分為近零能耗建筑→零能耗建筑→正能源建筑3個階段。從以上不同階段可以看出，第1階段的近零能耗建筑解決的是建筑降耗問題；第2階段的零能耗建筑解決的是使建筑降耗與建筑產(chǎn)能相平衡的問題；第3階段的正能源建筑解決了進(jìn)一步建筑產(chǎn)能的問題，使建筑成為可以產(chǎn)能的一種形式，實現(xiàn)了第三次工業(yè)革命第二大支柱—— 所有建筑都能生產(chǎn)能源[2]。

如前文所述，建筑發(fā)展的未來是節(jié)能建筑，節(jié)能建筑發(fā)展的未來是光電建筑。因此，光電建筑是節(jié)能建筑的必然形式，也是建筑的必然形式。

3.2 當(dāng)前光電建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約因素

當(dāng)前光電建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著一些制約因素，主要表現(xiàn)在當(dāng)前光伏產(chǎn)品大多是針對地面光伏電站的要求而設(shè)計生產(chǎn)的，對建筑安全、防火等性能的考慮不足；建筑行業(yè)中建設(shè)方、業(yè)主方、物業(yè)方等的積極性未能充分調(diào)動，并且?guī)追街g的收益分配不明確等。另外，光電建筑采用合同能源管理模式，而該模式的商業(yè)操作流程還有待理順。

3.3 光電建筑是完成我國“碳中和”目標(biāo)的路徑之一

國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上表示，我國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，即實現(xiàn)“碳達(dá)峰”，并努力爭取于2060年前實現(xiàn)“碳中和”[3]。習(xí)近平主席在氣候雄心峰會上提出了具體目標(biāo)，即到2030年，我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上；風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達(dá)到12億kW以上[4]。

為完成這一“中國目標(biāo)”，我國制定的實現(xiàn)目標(biāo)的方法是“植樹造林、節(jié)能減碳”等。光電建筑不僅是實現(xiàn)節(jié)能的方法之一，也是實現(xiàn)減少碳排放的方法之一，其可同時完成節(jié)能、減排這2項工作，是完成“中國目標(biāo)”的最佳方法之一。

4 我國光電建筑典型案例

4.1 2019中國北京世界園藝博覽會——中國館

作為2019中國北京世界園藝博覽會中的重要標(biāo)志性建筑，中國館的總建筑面積為2.3萬m2，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架剪力墻、鋼結(jié)構(gòu)。中國館的曲面鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用了新型發(fā)電建材—— 彩色透光碲化鎘(CdTe)薄膜光伏組件，單塊光伏組件的透光率達(dá)到了40%，顏色采用了中國傳統(tǒng)的金黃色。中國館采用的CdTe薄膜光伏組件的尺寸各異，共安裝了1056塊，總安裝面積約為1600 m2，總裝機容量為70 kW，年發(fā)電量約為6萬kWh。

圖5 中國館的外觀及內(nèi)部圖Fig.5 Exterior and interior of China Pavilion

4.2 嘉興光伏科技展示館

嘉興光伏科技展示館為國內(nèi)首座采用全BIPV構(gòu)件的公共建筑，其總建筑面積為8695 m2，其中光伏幕墻的安裝面積達(dá)5556 m2，總裝機容量為390 kW，年發(fā)電量約為30萬kWh。整體建筑外部結(jié)構(gòu)從幕墻到屋頂全部采用了建筑用光伏組件，是目前國內(nèi)建筑面積最大的全部采用建筑用光伏組件的建筑物。

圖6 嘉興光伏科技展示館Fig.6 Jiaxing PV technology exhibition hall

4.3 國家大劇院舞美基地

國家大劇院舞美基地中，共有5棟建筑增加了光伏元素，其中3棟建筑采用了屋頂分布式光伏(即BAPV)形式，2棟建筑采用了光伏幕墻形式，整體裝機容量為642.7 kW。該項目中，2號樓采用“陽光屋頂”形式，裝機容量為20 kW，單塊建筑用光伏組件的透光率為40%；3號樓采用光伏幕墻形式，總裝機容量為18 kW，其中光伏幕墻的裝機容量為4 kW，采光頂?shù)难b機容量為14 kW，帶logo圖案的單塊建筑用光伏組件的透光率為40%。

圖7 國家大劇院舞美基地Fig.7 Stage art base of National Centre for the Performing Arts

4.4 國家電力投資集團有限公司辦公樓

在國家電力投資集團有限公司的辦公樓改造項目中，部分幕墻及屋頂安裝了建筑用光伏組件。改造后的辦公樓采用了光伏幕墻形式，總裝機容量為170.66 kW，在25年使用期內(nèi)的年均發(fā)電量為12.69萬kWh。通過節(jié)能改造，該項目可使室溫平均降低5～8℃，且由于室溫的變化，預(yù)計空調(diào)耗電量可降低15%。因此，除了節(jié)能外，該項目的減排貢獻(xiàn)也非常明顯。

圖8 國家電力投資集團有限公司辦公樓Fig.8 Office building of State Power Investment Group Co., Ltd.

5 結(jié)論

本文對光電建筑的概念及應(yīng)用進(jìn)行了介紹，其是建筑的一種新形式。建筑發(fā)展的未來是節(jié)能建筑，節(jié)能建筑發(fā)展的未來是光電建筑。光電建筑可同時完成節(jié)能及減排這2項工作，是節(jié)能建筑的必然形式，也是建筑的必然形式。