基于太陽能利用的建筑節能技術與溫室氣體排放量的預測研究

摘要：太陽能利用對調整能源結構、減少二氧化碳排放有著極其重要的意義，是我國可持續發展的重要能源保障。尤其是，太陽能利用可以與建筑相結合這一特點使得太陽能技術表現出其他能源所無法比擬的發展前景。本文介紹了太陽能利用與建筑節能結合的多種技術形式，并通過建立計量經濟學模型對我國2020年二氧化碳減排量進行了預測和分析，進一步說明了太陽能利用對于能源安全與環境保護的重要意義。

關鍵詞：太陽能； 二氧化碳排放； 光伏發電； 建筑節能； 預測

中圖分類號：X382 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）01-0001-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.01.001

Review on building energy conservation techniques based on solar energy utilization and forecast on greenhouse gas emissions

Qiu Xin

（ Wenzheng College of Soochow University， Suzhou Jiangsu 215104， China）

Abstract： It is well known that the solar energy utilization is a promising approach to reduce the consumption amount of fossil energy and decrease carbon dioxide emissions with the aim to alleviate the pressure of energy. Especially， the solar energy technique can be directly used by combining with building energy conservation， which shows better application prospect than other energy sources. The research status of solar energy and the various techniques of the combination of solar energy and building energy conservation are summarized in the present paper. The models based on the econometrics were established and used to forecast the amount of energy saving and emission reduction in 2020 in this paper. The results furtherly verify the importance of the application of solar energy for energy security and environment protection.

Keywords： Solar energy， Carbon dioxide emissions， Photovoltaic power generation， Building energy conservation， Forecast

自20世紀90年代開始，我國經濟步入了高速發展階段，國內生產總值（GDP）從1999年的8.04萬億元增長到了2014年的63.61萬億元，名義GDP增長了近7倍；絕對居民消費水平從1999年的3143元上升到了2014年的17806元，增加了近5倍。與此同時，我國建筑業也得到了蓬勃發展，全國建筑竣工面積從1999年的73924.94萬平方米增長到2014年的423357萬平方米[1]，增加了近5倍。值得注意的是，與之相對應的是我國能源消費亦是增長迅猛，一次能源消費總量從1999年的14.06億噸標煤增加到了2014年的42.60億噸標煤[2]，比當年的北美洲合計消費總量還要多，約為歐盟消費總量的2倍。龐大的能源消費量帶來了龐大的污染物排放量，多年來我國的二氧化碳排放量始終位居全球第一，2016年排放量相當于北美洲的1.44倍（我國當年的一次能源消費總量僅相當于北美洲的1.09倍）。

在如此龐大的能源消費總量中，建筑能耗所一直居高不下，約占社會總能耗的三分之一。面對這一問題，我國提出以提高能源使用效率、降低污染物排放為目標，大力倡導可再生能源的使用，同時確定了建筑節能將是我國長期的重點努力的方向。

1 太陽能技術的優勢

與核電、水電、風電以及生物能發電等可再生能源的利用相比，太陽能因其具有安全、無噪聲、利用限制小、方便靈活等優點，在近年來得到了顯著發展。此外，其他可再生能源的應用基本上都局限于電站發電，而太陽能是唯一可以直接應用于建筑物的可再生能源，且可以多種應用形式與建筑結合，是最適用于建筑節能減排的能源形式，在降低建筑能耗方面有著無可比擬的優勢。目前，太陽能在建筑節能方面的應用如圖1所示。

圖1 太陽能應用于建筑的主要形式圖

2 太陽能光熱轉換技術應用

目前太陽能光熱轉換技術的應用主要是熱水系統，可以分為分散式太陽能熱水系統和太陽能熱水建筑一體化。據2016年12月國家能源局發布的《太陽能發展“十三五”規劃》中2020年我國的“太陽能熱利用集熱面積達到8億平方米”以及“因地制宜推廣太陽能供熱”可知，大力發展太陽能熱水系統還將在我國的中長期能源政策中占有重要地位。

2.1 分散式太陽能熱水系統

分散式太陽能熱水系統（又稱太陽能熱水器）是太陽能應用于建筑的初級形式，主要為單戶家庭提供熱水，在太陽能利用方式中技術最為成熟且安裝費用較低，目前在我國的應用非常廣泛、城市農村里隨處可見，是極為適合我國國情的建筑節能減排方式。據統計，2000年至2014年間我國太陽能熱水器年增長率始終保持在15%以上，尤其是2012年和2014年的年增長率更是達到了30%以上，太陽能熱水器的生產量和保有量居世界第一位。如果按一平方米年可替代標準煤120公斤計算，2014年太陽能熱水器年可替代能源消費量甚至略高于當年菲律賓的一次能源消費總量。以上數據顯示，太陽能熱水器在我國的節能減排中發揮了極大作用。

2.2 太陽能熱水建筑一體化

太陽能熱水建筑一體化是將太陽能熱水系統中的集熱器與建筑進行結合的一種建筑節能技術。這種方式與傳統的太陽能熱水器相比，不會對建筑產生損壞，整體更為美觀，且適用于包括高層建筑在內的所有建筑。根據集熱器與建筑物結合的程度，可以分為附加型和建材型。前者是將集熱器用裝配件安裝到建筑物上，建筑物起支承作用，可以進行大規模生產，成本較低；后者將集熱器建材化，是“真正的”太陽能熱水建筑一體化，但因需要根據具體情況與設計要求進行結構與制造、不適合大批量生產[3]。

3 太陽能光電轉換技術應用

太陽能發電有光伏發電和光熱發電兩種，因目前光熱發電在太陽能發電中所占比例極小且無法直接應用于建筑節能，本文不做介紹。

我們目前所說的太陽能發電多指光伏發電，其原理是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種太陽能發電技術。我國對于光伏發電的應用從20世紀70年代的空間應用開始，逐漸向通信和工業應用、無電地區應用、光伏產品和分散利用、與建筑結合的分布式發電以及大型并網光伏電站等多種應用方向拓展[4]。

2005年，我國累計光伏裝機容量僅為68MW、約占世界總容量的1.6%[2]。從2009年初開始，伴隨著《關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見》《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》等多種國家級鼓勵政策與補貼的陸續出臺，我國的光伏發電迎來了高速發展期。2009年初至2015年底，我國累計裝機容量增加了二百多倍，年平均增長率近120%，最高增長率為2011年的317.6%。2015年底我國的累計光伏裝機容量達到43530MW[2]、占據全球光伏裝機容量的約20%，成為全球光伏發電裝機容量最多的國家。

光伏發電與建筑的結合免去了電力的長距離輸送、節省了長期大量的人力物力投入，比如對于遠離電網的較為偏遠的西部地區或是其他地區農村山區，光伏發電更容易解決當地的用電難題，對我國人口密度較大的中部與東南部地區，用電量最大的是夏季，此時太陽光照條件是全年最好的時候，光伏建筑一體化為解決用電難題提供了很好的解決思路。且光伏建筑產生的電能除可自用外，也可將多余電量通過并網出售，同時當因天氣原因造成的發電量不足時又可以正常方式從電網中購買、靈活方便。

光伏發電與建筑的結合形式主要有BAPV（Building Attached Photovoltaic）與BIPV（Building Integrated Photovoltaic）兩種。其中，BAPV是附著在建筑物上的太陽能光伏發電系統，又稱 “安裝型”光伏建筑。BIPV則是太陽能發電系統成為建筑物不可分割的一部分（例如光伏屋頂、光伏幕墻），又稱“建材型”或“構件型”光伏建筑，是真正的建筑光伏一體化。

4 光伏光熱建筑一體化

太陽能光伏光熱建筑一體化又稱BIPV/T（Building Integrated Photovoltaic/Thermal），是在“建材型”光伏建筑的基礎上，通過在光伏組件背面使用水冷或風冷的方式為組件降溫的方式，在光伏系統發電的同時為建筑提供熱水或供暖，是“零能耗建筑”的技術保障。光伏組件在工作時會放出極大的熱量，這些熱量將導致太陽能光伏組件的發電效率隨組件溫度升高而降低。BIPV/T不但解決了這個問題、改善了BIPV的發電效率，同時還以水或空氣為吸熱介質將這些熱量進行收集，為建筑提供熱水或用來改善室內熱環境，極大提高了太陽能的利用效率。

BIPV/T目前尚處于研究試驗階段，建筑本身與光伏、光熱設備的使用壽命間的較大差異造成的設備更換、光伏和光熱系統的規劃與建筑之間的協調與設計等難題也須得到解決[5]。

5 太陽能利用與溫室氣體減排量預測

近年來，我國的二氧化碳排放量一直高居世界第一位，這與我國經濟的飛速發展分不開，同時也是由于我國的以化石能源為主的能源結構決定的。為了抑制逐年增加的二氧化碳排放量，緩解其對環境的不利影響，多年來我國一直著力于調整能源結構、提倡可再生能源的使用。我國政府公布的二氧化碳減排目標為：到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放將分別比2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消費的比重達到15%[6]。

本文利用2005年至2015年間的太陽能光電與光熱轉換數據建立計量經濟學模型，對2020年二氧化碳排放量進行預測，具體模型結構如圖2所示。

從圖2可以看出，為了獲得單位國內生產總值二氧化碳排放（即CO2/GDP）的預測值，最重要的是對二氧化碳總排放量的進行有效預測。二氧化碳總排放量的多少取決于化石能源消費量和化石能源的消費方式，由圖2的層層推導可得到函數式：CO2排放量= f（一次能源中化石能源消費量fuel，可再生能源發電比例raren），由此利用Excel軟件建立多元線性回歸方程，擬合結果如表1所示：

此外，為了更好地反應太陽能利用對我國節能減排的意義，我們還建立了“太陽能利用節約化石能源量與二氧化碳減排量計算模型”，結構如圖3所示。

圖3 太陽能利用節約化石能源量與二氧化碳減排量計算模型結構圖

通過上述兩個模型，可以得到2020年單位國內生產總值（GDP）二氧化碳排放值和太陽能利用年可替代標準煤以及由此得到的二氧化碳減排量，預測結果與相關設定見表2。

通過預測并結合表2中的分析結果，可以看出，2020年我國二氧化碳排放量約為10261.27百萬噸，單位GDP二氧化碳排放值為1.09噸/萬元，與2015年1.33噸/萬元相比，下降了18.3%，完全可以完成我國2020年的二氧化碳減排目標。此外，2020年可再生能源發電比例達到28.84%，化石能源發電比例進一步下降；2020年太陽能利用年可替代標煤12637萬噸，相較于2015年6505.82萬噸，增加了近一倍，與2015年阿根廷一個國家的一次能源消費總量基本持平；由于太陽能利用，2020年二氧化碳減排量達到31045萬噸，約為當年我國總排放量的1/33。以上數據說明，我國的能源結構調整、可再生能源的廣泛利用尤其是太陽能這種最為靈活的可再生能源的進一步推廣對我國的污染物排放是否達標起到決定性作用。

6 結語

通過本文中的分析與計算，可知未來我國太陽能利用的高速發展期還將延續，尤其是與建筑相結合的發展方向大有可為。我國幅員遼闊、人口眾多，且隨著經濟發展、商用、住宅面積增長迅速，太陽能在建筑中的利用有利于緩解建筑能耗過高、能源緊張以及污染物排放等日益嚴重的能源與環境問題，是零能耗建筑的發展方向。太陽能熱水系統方面伴隨著分散式太陽能熱水系統保有量的繼續增長，太陽能熱水建筑一體化技術的發展將填補日益增多的高層建筑、商用建筑以及熱水需求量極大的高校宿舍等不適應分散式太陽能熱水系統的安裝空白；太陽能發電方面隨著建筑光伏一體化技術應用的推進，我國現有的建筑物進行BAPV改造有著極其廣闊的市場，BIPV與BIPV/T的技術進步也將逐漸解決現存問題、加快其產業化步伐。政策方面，國家能源局于2016年12月公布的《太陽能發展“十三五”規劃》中，明確提出“大力推進屋頂分布式光伏發電”為“十三五”期間的重點任務。有了市場的需要以及政策的引導，太陽能建筑將從低層次的太陽能利用有層次地逐漸向高水平的太陽能建筑一體化進行轉變，是未來太陽能利用以及綠色建筑的發展方向。

參考文獻

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http：//www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201701/t20170117_835278.html

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[8] 國家能源局.太陽能發展“十三五”規劃[EB/OL]. http：//ghs.ndrc.gov.cn/ghwb/gjjgh/201708/t20170809_857321.html

[9] 古麗娜·卡米力，李志東. 中國風力發電中長期展望的計量經濟模型[J]. 可再生能源，2012，（10）：108-114.

收稿日期：2018-01-02

作者簡介：裘欣（1981-），女，碩士，助教，研究方向為可再生能源利用與節能減排。