光電建筑是節能建筑的必然形式

王志東，王春麗

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

0 引言

得益于節能建筑和光伏組件技術的發展，使建筑與光伏這2個行業融合出“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、住房和城鄉建設部聯合發布的文件中被提出。自中國提出將力爭于2030年前實現“碳達峰”，在2060年前實現“碳中和”這一“中國目標”，且在2021年的全國兩會上規劃出提高自主貢獻的力度的路線圖后，作為節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”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、住房和城鄉建設部聯合發布的《住房城鄉建設部關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見》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，中國建筑金屬結構協會光電建筑應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歷了10多年的發展，根據T/CBDA 39-2020《光電建筑技術應用規程》，光電建筑是指由擁有光伏發電功能的建筑材料建造的建筑，它是建筑的一種形式。可發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的是建筑的建筑材料功能，同時兼具光伏的發電功能。例如光伏幕墻，其既具有幕墻功能，同時還具有發電功能。

既然作為建筑材料，建筑用光伏組件就應達到建筑要求，比如與建筑的使用壽命相同，這體現了建筑材料的屬性；同時還應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展到符合建筑要求，且能夠成為建筑產能的一種方式時出現的。光電建筑解決的不僅是建筑節能問題，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保概念且具有發電功能的建筑材料，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卻不同，一個屬于節能建筑，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，呈現出動態變化特性，由于光電建筑靠光伏發電可節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，建造成本甚至出現了負數，也就是實現了盈利；而普通建筑的建造成本則是一條平線，呈現出靜態特性，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，使其由靜態變為了動態；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，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逆轉，其建造成本將逐漸低于普通建筑的。如此可以說明，光電建筑是當前各種建筑形式中成本最低的。

1.3 制定光電建筑規范的重要性

普通建筑外圍護結構中不存在電的因素，而光電建筑中增加了這一因素。光電建筑是光伏行業與建筑行業的融合，但這2個行業的相關標準和規范都不能滿足規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于光電建筑的標準進行規范和約束。

由中國建筑裝飾協會批準立項、中國建筑科學研究院和中國建筑裝飾協會幕墻工程分會為主編單位編制并發布的T/CBDA 39-2020《光電建筑技術應用規程》是國內第1部光電建筑專項標準。該標準于2020年3月24日發布，于2020年7月1日起實施，填補了這一領域相關標準的空白。該標準是從建筑的角度出發編制的、只針對采用帶有發電功能的建筑材料建造的光電建筑的應用規范，參編單位包含研究院、設計院、大學、政府部門、施工單位、材料生產單位等，參編單位范圍廣泛，代表性強。該標準的實施可指導光電建筑這一新的建筑形式的設計、施工和驗收。

企業的發展離不開大數據，可以說沒有數據的強有力支撐企業就得不到最優化的發展方案，同時大數據能幫助并引導企業高層進行更明智的決策。企業需要建立基礎平臺或有效工具來收集數據，同時要利用大數據開拓思路。 讓數據來說話，整合多方力量。從某種程度上說，大數據是數據分析的前沿技術。簡言之，從各種各樣類型的數據中，快速獲得有價值信息的能力，就是大數據技術。

1.4 國外BIPV的發展現狀

光電建筑這一概念是在中國環境下，根據光伏組件技術的發展和建筑節能條件下提出的新的建筑形式概念，而國外當前多以BIPV形式為代表。

全球光伏市場的數據統計難題是存在多種商業模式和應用方式，難以統一統計口徑。因此，石油工程師學會(SPE)、國際可再生能源署(IRENA)、國際能源協會下屬光伏電力系統項目研究小組(IEA-PVPS)并未對BIPV的裝機容量進行分項統計。

據IEA-PVPS預測，當前歐洲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是光伏行業中的新興領域，正處于市場爆發前夕[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 國內光電建筑的發展狀況

據中國光伏行業協會光電建筑專業委員會的統計，截至2019年底，全國光電建筑累計裝機容量約為30 GW；光電建筑應用面積占既有建筑應用面積的約1%。當前應用主要以工商業屋頂應用為主[2]，工商業屋頂BIPV應用示意圖如圖3所示。

圖3 國內某工商業屋頂BIPV應用示意圖Fig.3 BIPV application diagram on roof of an industrial and commercial building in China

2 節能建筑

2.1 節能建筑介紹

節能建筑是指低、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《近零能耗建筑技術標準》中給出的定義。

2.2 建筑節能的2個階段

建筑節能可分為建筑降耗和建筑產能2個階段。我國建筑節能已經歷了“六五節能”、“七五節能”、被動式技術應用等第一階段建筑降耗，當前將完成第二階段建筑產能。在歐洲，2020年新建建筑物要達到100%的零能耗建筑的要求，因此，建造零能耗節能建筑是未來的要求和趨勢，我國也正在制定相關政策和實施方法。

我國節能建筑的建筑節能發展過程如圖4所示。

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

由節能建筑的建筑節能發展過程可以看出，節能建筑的最高形態是零能耗建筑與正能源建筑(即產能建筑)。當建筑物的能耗與建筑物自身生產的能量相當時，該建筑稱為零能耗建筑；當建筑物不僅可以滿足建筑物的能耗，且自身生產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與建筑物結合的一種能源形式，而增大建筑物上光伏發電形式的使用面積就是解決問題的最佳方法。

2.3 光電建筑與節能建筑的關系

根據光電建筑的發展過程可以知道，若要使其快速發展，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；二是節能建筑發展到由光伏發電實現建筑產能，即實現建筑節能的第2個階段。因此，節能建筑的發展是離不開光電建筑這種建筑形式的。

3 建設光電建筑的現實意義

3.1 光電建筑是節能建筑發展的必然形式

節能建筑的發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能相平衡的問題；第3階段的正能源建筑解決了進一步建筑產能的問題，使建筑成為可以產能的一種形式，實現了第三次工業革命第二大支柱—— 所有建筑都能生產能源[2]。

如前文所述，建筑發展的未來是節能建筑，節能建筑發展的未來是光電建筑。因此，光電建筑是節能建筑的必然形式，也是建筑的必然形式。

3.2 當前光電建筑產業發展的制約因素

當前光電建筑產業的發展面臨著一些制約因素，主要表現在當前光伏產品大多是針對地面光伏電站的要求而設計生產的，對建筑安全、防火等性能的考慮不足；建筑行業中建設方、業主方、物業方等的積極性未能充分調動，并且幾方之間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”目標的路徑之一

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

為完成這一“中國目標”，我國制定的實現目標的方法是“植樹造林、節能減碳”等。光電建筑不僅是實現節能的方法之一，也是實現減少碳排放的方法之一，其可同時完成節能、減排這2項工作，是完成“中國目標”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志性建筑，中國館的總建筑面積為2.3萬m2，結構形式為鋼筋混凝土框架剪力墻、鋼結構。中國館的曲面鋼結構屋蓋采用了新型發電建材—— 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到了40%，顏色采用了中國傳統的金黃色。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，年發電量約為6萬kWh。

圖5 中國館的外觀及內部圖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首座采用全BIPV構件的公共建筑，其總建筑面積為8695 m2，其中光伏幕墻的安裝面積達5556 m2，總裝機容量為390 kW，年發電量約為30萬kWh。整體建筑外部結構從幕墻到屋頂全部采用了建筑用光伏組件，是目前國內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，采光頂的裝機容量為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年使用期內的年均發電量為12.69萬kWh。通過節能改造，該項目可使室溫平均降低5～8℃，且由于室溫的變化，預計空調耗電量可降低15%。因此，除了節能外，該項目的減排貢獻也非常明顯。

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 結論

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