光伏幕墻建筑能效評估與提升策略

陳忠華， 陳致遠， 王仁順， 陳琳， 尹建兵， 王駿海， 江全元*

(1.杭州市電力設計院有限公司， 杭州 310012； 2.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司， 杭州 310016；3.浙江大學電氣工程學院， 杭州 310027)

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出[1]，中國能源革命有了清晰明確的發展路線和目標，清潔、低碳、安全、高效的能源轉型目標將加快推動太陽能等可再生能源的發展；2017年《中國建筑能耗研究報告》數據顯示，建筑能源消費約占全國能源消費總量的20%[2]，預計到2050年，建筑部門節能減排潛力將達到74%，可減少碳排放量約50%，因此建筑節能是實現中國碳排放目標的關鍵[3]。光伏系統與建筑物結合具有節約土地、調峰填谷以及降低能耗等多重作用，在城市中具有良好的發展前景[4]。

目前對于光伏建筑一體化(building integrated photovoltaic, BIPV)技術的研究，國內外已有一些研究成果。文獻[5]采用EnergyPlus軟件對巴西地區建筑進行能耗模擬分析，證明了半透明光伏玻璃的應用價值；文獻[6]研究了光伏玻璃發電性能與建筑能耗之間的關系，分析了不同地域下光伏玻璃建筑節能差異；文獻[7]對比了意大利地區鈣鈦礦光伏玻璃與普通玻璃的建筑能耗水平，分析了光伏玻璃在節能方面的優勢。文獻[8]將太陽能板與通信樓建筑物相結合，提出了北京地區建筑光伏一體化的設計方案并進行經濟性評價。文獻[9]研究了雨水花園與光伏系統協同設計方案，結果表明該項目具有良好的環境價值和經濟效益。但目前光伏建筑一體化的研究視角較為單一，缺乏對影響建筑能耗和光伏發電量的因素綜合分析，并且對碳排放效益考慮較少，對光伏幕墻應用價值挖掘不夠全面。

基于能耗分析和經濟性評價的建筑能效評價方法，借助Dest-C軟件進行杭州地區某辦公建筑物分別加裝普通玻璃和光伏幕墻能耗模擬，基于PVsyst軟件對光伏幕墻發電量進行仿真計算，在此基礎上對光伏幕墻建筑進行節能效果與經濟性評價，以杭州辦公建筑仿真模型為例提出了建筑能效提升策略。

1 光伏幕墻建筑能效評估模型

通過建立能耗分析模型和經濟性評價模型，對光伏幕墻建筑方案進行能效評估。

1.1 能耗分析模型

能耗分析模型包括能耗影響因素分析和相關性分析兩部分。

1.1.1 能耗影響因素分析

將不同時段、不同設備類型的能耗總量進行對比，分析室內能耗受季節等因素影響的變化趨勢；對比不同傾角、朝向、環境溫度下光伏幕墻發電量的變化情況，從而綜合考慮建筑能耗影響因素。

1.1.2 相關性分析

某一區域的能耗可能與多種因素有關，通過灰色關聯分析，可得到不同因素與能耗之間的關聯程度；同理，可以得到不同因素與光伏幕墻發電之間量的相關程度。灰色關聯分析具體步驟如下[10]。

(1)確定參考序列X0={x0(1),x0(2),…,x0(n)}；其中n表示參考序列維度；選取m個比較序列Xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)}(i=1,2,…,m)。

(2)對X0和Xi進行無量綱處理[10]。

(3)計算灰色關聯系數ξi(k)，公式為

ξi(k)=

(1)

式(1)中：ρ為分辨系數，取值范圍[0,1]。

(4)計算參考序列和比較序列之間的灰色關聯度γ，公式為

(2)

(5)根據灰色關聯度大小排序，分析各比較序列對參考序列的影響。

此外，為對比不同類別建筑能耗和溫度等因素之間的正、負相關性，可采用Pearson相關性系數評估，公式為

(3)

1.2 經濟性評價模型

1.2.1 靜態投資回收期

靜態投資回收期(static payback period, SPP)是指不考慮時間成本時項目收回投資所需時間，廣泛應用于項目經濟性評價[12]。對于光伏幕墻建筑項目，假設項目投運后各年凈收益均相同，則SPP的計算公式為

(4)

式(4)中：LCC(life cycle cost)為在不考慮時間成本情況下項目全壽命周期費用；Apr為項目每年凈收益。

1.2.2 效益費用比

效益費用比(benefit-cost ratio, BCR)是指項目全壽命周期效益與全壽命周期費用的比率[13]，是項目經濟性分析的輔助評價指標，其計算公式為

(5)

式(5)中：RCC為不考慮資金的時間價值下，項目全壽命周期效益；LCC 為全壽命周期投入成本。當BCR大于1時，說明項目設計方案經濟上是可行的，即項目投運產生的效益大于投入的成本費用；并且BCR值越高，代表項目盈利效果越好。

1.2.3 減排環境效益

目前中國電源結構中仍以火電為主，截至2020年底，浙江電網裝機容量為10 142萬kW，以火電裝機容量占比最高，達到60.2%。建筑物安裝光伏幕墻后可以代替常規燃煤機組提供電能，減少CO2等溫室氣體及污染物的排放，減少排放物造成的環境治理成本為

(6)

(7)

式(7)中：EPV為光伏幕墻發電量。

2 光伏幕墻建筑能效評估方法

2.1 仿真建筑簡介

以杭州市某辦公大樓為例，該建筑為3層，辦公樓每層樓高3.6 m，面積為504 m2。共12間辦公室，每個辦公室為6 m×6 m的房間，并向外設窗戶，中間設有一條2 m×36 m的走廊。南、北向單面墻總面積為3.6×6×6×3=388.8 m2，東、西側墻面總面積為(6+6+2)×3.6×3=151.2 m2。建筑仿真模型軸測圖如圖1所示。該建筑功能為辦公室，通風設定為房間與房間、房間與外部環境都有通風口。

圖1 仿真建筑軸測圖Fig.1 Axonometric drawing of simulated building

2.2 光伏幕墻發電仿真

PVsyst是一款光伏系統設計輔助軟件，可用于光伏發電系統發電量模擬計算[15]。PVsyst軟件中光伏電池特性表示為

(8)

式(8)中：Iph為光生電流，與光照強度和面積成正比；I0為二極管反向飽和電流；q為電子電荷，取1.6×10-19C；A為二極管發射系數；k為玻爾茲曼常量，取1.38×10-23J/K；U、I分別為光伏電池的開路電壓和輸出負載電流；Tc為環境溫度；Rs、Rsh分別為光伏電池等效模型中的串聯和并聯電阻[16]。

杭州地區全年環境參數如表1所示。Ieff的計算公式為

表1 杭州地區全年環境參數Table 1 Annual environmental parameters in Hangzhou area

Ieff=IInc-IShd-IIAM-ISlg

(9)

式(9)中：IShd、IIAM、ISlg分別表示陰影遮擋、相對投射率、灰塵遮擋3個因素導致輻照量減少量。

2.3 建筑能耗仿真模擬

建筑能耗模擬工具采用清華大學研發的DeST-C軟件平臺，該平臺在建筑能耗模擬中應用廣泛，可用于建筑設計方案比較以及建筑節能評估[17]，建筑模型參數設定如下。

2.3.1 圍護結構

建筑的圍護結構材料及參數如表2所示，其中導熱熱阻等參數用于評估圍護結構的保溫性能。

表2 圍護結構物理參數Table 2 Physical parameters of enclosure structure

2.3.2 熱擾參數

辦公室不同日類型、不同時段的人員密度不同，設置人員、燈光、設備的熱擾參數如表3所示。

表3 人員、燈光、設備的作息時間及熱擾參數Table 3 Working and rest time and heat disturbance parameters of personnel, lighting and equipment

2.3.3 能耗設備定義

建筑的能耗系統主要包括空調、照明、動力等系統，對各能耗系統進行設備選型以及系統定義。

(1)空調系統。空調系統是建筑的主要耗能系統之一，設置建筑的空調季為每年6—8月，采暖季為每年11月中旬—次年3月中旬。在繪制建筑結構圖時每層樓設置一個空調系統，系統類型為風機盤管+新風。空調系統的冷源類型為離心式電制冷機，熱源類型為燃氣熱水鍋爐，設備容量均依據建筑負荷確定。

(2)照明系統。建筑在白天和黑夜的照明能耗不同，照明系統在計算能耗時可以分析窗墻比對照明能耗的影響，DeST-C軟件支持對建筑進行陰影和采光計算，可以對一年建筑的自然采光情況進行模擬。

(3)動力系統。建筑的動力系統主要考慮了電梯、通風機的能耗。電梯型號選擇辦公類直梯，額定功率26 kW，能量回收效率為10%；通風機型號選擇辦公室汽車庫變頻通風機，額定流量為1 000 m3/h，額定揚程為1 000 Pa，額定效率為60%。

3 算例分析

針對第2節介紹的辦公建筑以及相關物理參數，分別采用PVsyst軟件和DeST-C軟件進行光伏幕墻發電量模擬和建筑能耗仿真(加裝普通玻璃和光伏幕墻)計算，采用第1節介紹的光伏幕墻建筑能效評估模型對建筑方案進行綜合能效評估。

3.1 光伏幕墻發電量結果分析

設置光伏幕墻安裝在建筑南面，安裝傾角為90°。以一年為仿真時長，圖2展示了不同月份的光伏玻璃幕墻發電量的變化情況，光伏玻璃幕墻一年發電量累計為33.2 MW·h，上網發電量為32.4 MW·h，受到光伏陣列效率和逆變器效率等因素影響，系統平均轉換效率為85%。

圖2 光伏幕墻各月發電量Fig.2 Monthly power generation of photovoltaic curtain wall

當改變光伏玻璃傾角時，年發電量及轉換效率的變化如表4所示。可以看出，當光伏玻璃的安裝傾角從90°(豎直方向)不斷傾斜到50°的過程中，年發電量不斷增加，因為傾角為90°時夏季光伏幕墻平面得到的有效輻照量IInc與環境中的輻照量有較大差距。

表4 安裝傾角對發電量的影響Table 4 Influence of installation angle on power generation

改變光伏幕墻的朝向，窗前比均為0.9，即在建筑的不同面安裝光伏玻璃幕墻，年發電量如表5所示。由于不同朝向光伏玻璃幕墻面積以及得到的輻照量不同，光伏幕墻年發電量不同，建筑朝南面安裝光伏玻璃的年發電量比建筑北面安裝光伏玻璃的年發電量明顯增加，而建筑東面和西面安裝光伏玻璃的效果相同。

表5 幕墻朝向對發電量的影響Table 5 Influence of curtain wall orientation on power generation

采用灰色關聯分析計算光伏幕墻發電量與溫度、輻照量等因素之間的關系，灰色關聯排序結果如表6所示，結果表明光伏幕墻發電量主要影響因素為有效輻照量。

表6 光伏幕墻發電量影響因素的灰色關聯度和關聯序Table 6 Gray correlation degree and correlation order of factors of photovoltaic curtain wall power generation

3.2 建筑能耗模擬結果分析

以建筑物加裝普通玻璃為例，窗墻比設置為0.5，分析建筑的能耗水平及影響因素。該建筑的總面積為1 512 m2，總空調面積為1 512 m2，不同形式的能源折算值如表7所示。

表7 能源折算關系Table 7 Energy conversion relationship

3.2.1 建筑總能耗

辦公建筑一年總能耗如表8所示，主要消耗能源形式是電能和天熱氣，一年總電耗為29.88萬kW·h，單位面積電耗值為197.61 kW·h/(m2·a)。一年消耗能源折合成等效電能的總耗量為36.36萬kW·h，單位面積能源折合電耗值為240.47 kW·h/(m2·a)。參照GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》，夏熱冬冷地區A類和B類商業辦公建筑的能耗指標約束值分別為85 kW·h/(m2·a)和110 kW·h/(m2·a)，因此該模擬辦公建筑的單位面積能耗高于約束值，能耗較高，需要采取措施降低能耗。

表8 建筑總體能耗Table 8 Total building energy consumption

3.2.2 建筑分月能耗

從時間角度分析該建筑逐月能耗情況如圖3所示，可以看出該建筑電耗較高的時間出現在6—8月，在一年的夏季時段；而天然氣消耗較高出現在冬季，由于電耗是該辦公建筑的主要能耗來源，因此該建筑能耗高峰期為夏季。

圖3 建筑逐月能耗Fig.3 Monthly building energy consumption

3.2.3 建筑分項能耗

分項建筑能耗中空調、照明、設備、電梯、給排水、通風分別耗電量如表9所示，建筑分項能耗所占比例如圖4所示，可以看出該辦公建筑中耗能較大的為空調、電梯、設備和照明，所占比例分別為36%、26%、18%和16%。

圖4 分項能耗所占比例Fig.4 Percentage of sub-item energy consumption

表9 建筑分項能耗Table 9 Building sub-item energy consumption

分項建筑能耗和單位面積建筑能耗逐月變化情況分別如圖5和圖6所示。

圖5 分項能耗逐月分布情況Fig.5 Monthly distribution of sub-item energy consumption

圖6 單位面積分項能耗分布情況Fig.6 Distribution of sub-item energy consumption per unit area

根據圖5和圖6可以看出，空調電耗較高的時間出現在6—8月，主要原因是夏季空調能耗較高；照明電耗較高的時間出現在1—3月及11—12月，主要原因是冬季日照時間減少、自然采光較弱；給排水電耗較高的時間出現在1—4月及10—12月，主要原因為冬季燃氣熱水鍋爐供暖能耗需求增加；設備電耗、電梯電耗、通風電耗在一年中分布較為均勻。

3.2.4 相關性分析

采用灰色關聯分析計算建筑能耗與影響因素之間的關系，結果如表10所示，能耗與溫度之間的相關性最大，因此不同月份之間能耗差異較大。

表10 建筑能耗影響因素的灰色關聯度和關聯序Table 10 Gray correlation degree and correlation order of factors of building energy consumption

建筑分項能耗與溫度之間的Pearson相關性系數矩陣如圖7所示。

指標1表示溫度，指標2～7分別代表空調、照明、設備、電梯、給排水、通風能耗圖7 溫度和分項能耗Pearson相關性系數矩陣Fig.7 Pearson correlation coefficient matrix of temperature and sub-item energy consumption

由圖7可知，空調能耗受溫度影響最大，并且成呈正相關，因此夏季空調能耗較高；照明和給排水能耗和溫度之間也存在較高的相關性，呈負相關。

3.3 光伏幕墻節能效果及經濟性評價

對比建筑加裝普通玻璃和光伏幕墻建筑能耗變化情況，通過經濟性評價分析光伏幕墻項目的經濟可行性。

3.3.1 節能效益計算

選取辦公樓南面安裝光伏玻璃幕墻，窗墻比為0.9，光伏玻璃幕墻總面積為350 m2。光伏玻璃的光學物理參數如表11所示。

表11 玻璃光學參數Table 11 Optical parameters of glass

通過對比安裝光伏幕墻前后建筑一年冷熱負荷變化以及幕墻發電量來評估安裝光伏幕墻對建筑總耗能的影響，結果如表12所示。

根據表12可知，由于玻璃幕墻的反射和隔熱效果以及發電量，光伏幕墻建筑總耗能比普通玻璃降低71.76 MW·h，按照商業用電0.67 元/(kW·h)計算安裝光伏玻璃后節約的電費為48 079.2元。

表12 建設光伏幕墻前后節能量Table 12 Energy saving before and after the construction of photovoltaic curtain wall

3.3.2 經濟性評價

目前光伏玻璃幕墻的成本主要包括光伏幕墻材料費用、光伏幕墻安裝人工費、光伏建筑電氣部分費用，光伏幕墻的建設投資費用為1 000～2 000 元/m2。根據靜態投資回收期、效益費用比分析不同光伏幕墻建設成本下光伏建筑的經濟性[18]。

(1)靜態投資回收期。不同光伏幕墻建設成本下，投建光伏幕墻項目的靜態投資回收期如表13所示。

由表13可知，隨著單位面積光伏幕墻成本的提高，光伏幕墻項目的靜態投資回收期不斷增加，光伏幕墻的壽命周期一般為20～25年，在目前的幕墻成本范圍內，建設光伏幕墻建筑的投資回收期小于光伏建筑的壽命期，表明項目投資能在規定的時間內收回成本，在經濟上可以接受。

表13 不同投建成本下靜態投資回收期Table 13 Static payback period under different investment and construction costs

(2)效益費用比。假設光伏幕墻壽命周期為20年，不同光伏幕墻建設成本下，項目的效益費用比如表14所示。

由表14可以看出，隨著幕墻成本的提高，光伏幕墻項目的效益費用比不斷減小，但在目前光伏幕墻成本的范圍區間內，項目的效益費用比均大于1，因此辦公建筑南面建設光伏幕墻在經濟上可行。

表14 不同投建成本下效益費用比Table 14 Benefit cost ratio under different investment and construction costs

(3)碳排放環境效益。根據建筑配置光伏幕墻后節能量以及燃煤機組單位電量排放物的排放密度和處理成本[12]，光伏幕墻在20年壽命周期內總的減排量和環境效益如表15所示，減少CO2排放量為1 180.89 t，總環境效益達到156 331.87 元。

表15 光伏幕墻減排環境收益Table 15 Environmental benefits of photovoltaic curtain wall emission reduction

3.4 建筑能效提升策略

對比加裝普通玻璃和光伏幕墻建筑能耗以及結合建筑能耗影響因素和光伏幕墻發電量影響因素，得到建筑能效提升策略如下。

(1)對比建筑物加裝普通玻璃和光伏幕墻能耗，由于玻璃幕墻的反射和隔熱效果，冷、熱負荷峰值均下降，并且光伏幕墻可以提供電力補償量，因此加裝光伏幕墻可以有效提升建筑能效水平。

(2)針對建筑能耗影響因素，溫度和窗墻比對建筑能耗影響較大，因此在設計光伏幕墻時應重視窗墻比的影響；建筑分項能耗中，空調和電梯兩者占總能耗比例超過60%，因此需要重點進行節能方案設計，可通過考慮能耗指標和用戶舒適度指標建立節能優化模型降低建筑能耗[19]。

(3)由于光伏幕墻發電量可以降低建筑能耗，因此影響光伏幕墻發電量的因素也會影響建筑能耗，在設計光伏幕墻安裝時可通過選擇合適傾角和朝向提高有效輻照量，從而提高光伏幕墻發電量和降低建筑能耗。

4 結論

本文提出了基于能耗分析和經濟性評價的建筑能效評價方法，以杭州地區某辦公建筑物為例，采用DeST-C軟件和PVsyst軟件進行能耗仿真計算和光伏幕墻發電量模擬，驗證了加裝光伏幕墻對建筑能效的提升作用，采用經濟性評價模型分析了光伏幕墻建筑項目的經濟可行性和環境價值，提出了建筑能效提升策略，得到如下主要結論。

(1)灰色關聯分析結果表明，影響光伏幕墻發電量的主要因素是有效輻照量，和建筑能耗相關性最高的因素是環境溫度。

(2)建筑物配置光伏幕墻和普通玻璃相比，光伏幕墻總耗能比普通玻璃降低71.76 MW·h，加裝光伏幕墻可有效提升建筑能效水平。

(3)在目前的幕墻成本范圍內，光伏幕墻建筑項目的投資回收期小于光伏建筑的壽命期，效益費用比均大于1，在20年壽命周期內可減少CO2排放量為1 180.89 t，總環境效益達到156 331.87 元，具有良好的經濟價值和環境價值。