“雙碳”背景下基于BIPV的應用場景分析

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.002

摘" 要：建筑行業在全國碳排放總量中占據著較大的比例，約占三分之一，這使得建筑節能減排成為實現“碳達峰、碳中和”雙碳目標的關鍵環節。目前，建筑行業很多采用的太陽能光伏建筑技術形式為“安裝型”（BAPV），即將光伏組件直接附著在建筑表面而非作為建筑材料的一部分。而光伏建筑一體化技術（BIPV）是一種將光伏發電技術與建筑材料進行集成設計的技術，其將光伏發電技術與建筑設計緊密融合，真正實現降低建筑能耗、減少碳排放的目的。該文將從構建型、建材型、結合安裝型等角度探討BIPV技術在建筑場景中的應用，為實現建筑碳排放減排目標提供重要技術支持，以此促進建筑綠色化轉型與光伏發電行業發展。

關鍵詞：雙碳；光伏發電；BIPV；碳排放；建筑能耗

中圖分類號：TU18" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0006-04

Abstract： The construction industry is responsible for a significant portion of the national carbon emissions， accounting for one-third of the total emissions in China. Therefore， energy saving and emission reduction in the construction industry are the key step in achieving the \"Dual Carbon\" goals. Currently， the main solar photovoltaic technology BAPV used in the construction industry adopts an \"attachment\" approach， where the photovoltaic modules are directly attached to the building surface as an addition rather than integrating them into the building materials. In contrast， building-integrated photovoltaic （BIPV） technology integrates the photovoltaic energy generation technology with building materials， achieving an organic fusion of photovoltaic power generation and architecture， and reducing building energy consumption and carbon emissions. This paper will analyze the application of BIPV technology in the construction industry from different perspectives， including constructive types， building material types， and integrated installation types. This study is supposed to provide important technical support for achieving emission reduction targets in the construction industry and promote the development of the green transformation of the building industry and the photovoltaic power generation industry.

Keywords： Dual Carbon; photovoltaic power generation; BIPV; carbon emission; building energy consumption

建筑行業是我國能源消耗和二氧化碳排放的主要領域之一，建筑全生命周期碳排放量占到全國碳排放總量的50.6%。呼吁建筑行業積極探索低碳發展之路，實現綠色可持續發展已成為必要之舉。目前，我國提出了“碳達峰、碳中和”的戰略目標，建筑節能減排已被寫入相關政策。中央財經委員會第九次會議把“雙碳”即碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體，進行深遠的、系統性的社會變革[1]。建筑減碳不僅事關我國碳減排目標的實現，還能夠增強我國建筑產業的核心競爭力、提高人民生活品質。

在“雙碳”目標的大背景下，可持續發展已經成為建筑業發展不可或缺的重要方向，而建筑節能減排正是實現可持續發展的必經之路。多種節能減排技術得到開發和推廣，綠色建筑與近零能耗建筑逐漸成為市場的主流，光伏發電與建筑相結合的BIPV技術更是在近些年快速發展，吸引了太陽能和建筑行業的廣泛關注。該技術把光伏組件與建筑物完美地融為一體，構建節能建筑模式，在建筑屋頂、幕墻等建筑元素上嵌入光伏組件，從而實現節能、降低能耗的目的。BIPV技術提供了實踐路徑與技術方案，為我國在建筑領域實現“碳達峰、碳中和”目標提供了有力支持，從而助力我國早日實現“雙碳”目標。BIPV技術的廣泛應用，還將促進光伏發電行業發展和建筑綠色化轉型，同時降低能源開支，提高社會效益。

1" BIPV一體化設計

1.1" 功能一體化設計

光伏發電建筑是一種創新的太陽能發電應用，我國目前主要的太陽能光伏建筑應用有兩種模式，即太陽能光伏建筑技術（Building Attached Photovoltaic，BAPV）和太陽能光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）[2]。BIPV通過將光伏電池集成到建筑物中，實現了光伏建筑一體化，與傳統應用有著明顯的區別。這種集成方式更加強調系統產品的集成性，相較于BAPV，BIPV具有更高的性能優勢。從應用效果來看，BIPV的優勢主要在于實現建筑自身的能源產能，降低了能源損耗。傳統建筑結構需要依靠城市電網系統的供電，但長距離電能傳輸會產生大量損耗，降低供電效率。而光伏建筑一體化技術能夠利用建筑自身的光伏電池將太陽能轉化為電能，縮短了供電路徑，降低了電能損耗，提高了供電效率。這種應用方式能夠有效地減少城市的能源浪費，達到環保節能的目的。

BIPV所使用的建材型光伏發電材料不僅滿足建筑對于建材的基本功能和美學要求，還能夠優化建筑建造技術，提高建筑的科技美感。這也是BIPV相對于傳統建筑應用的優勢之一。在未來，這種創新應用有望成為一種能夠帶來經濟效益和環境效益的綠色建筑技術，同時符合建筑美學與科技發展的趨勢。

1.2" 信息一體化設計

BIPV建筑作為一種新型太陽能發電應用，推動現代建筑向智能化、安全性高、環保節能方向轉型。基于BIPV設計的建筑可增配光伏發電實時監測系統、建筑綜合管理系統，以實現系統集成化，提高光伏建筑的自動化管理水平[3]。

光伏監控系統是BIPV建筑的重要組成部分，用于采集光伏系統運行數據，如電氣參數等。同時，該系統還能夠根據收集環境數據來對光伏發電量進行預測，及時提供運維信息，從而保障建筑光伏系統的正常運行。建筑綜合能源管理系統則是實現光伏產能最大化利用的核心。該系統收集和分析用電負荷數據，實現光伏發電產能和建筑能源消耗的有機結合，最大限度地實現高效現代化清潔能源的利用。這個系統不僅有助于建筑實現自我能源的可持續發展，也能為推進清潔能源的自主應用和促進建筑行業的可持續發展作出貢獻。

2" BIPV應用影響因素

2.1" 地理位置

不同地理位置的光伏系統所能接受的最大太陽輻射強度是不同的，這與其所處的緯度、溫度、海拔、氣候和空氣質量等因素綜合作用有關。因此，對于同一光伏系統，在不同地理氣候條件下的工作表現也可能存在很大差異。

在實際應用中，為了確保光伏系統能夠達到預期的工作表現，需要充分考慮項目所處的地理位置及其環境因素。例如，對于接受光輻射較少、氣溫較低的地區，需要使用更高效的光伏組件，以提高系統的能量輸出效率。另外，在確保安全的前提下，可以采取適當的安裝角度、朝向和陰影遮擋措施，以最大程度地提高光伏系統的發電效率。地理位置及其環境因素對光伏系統的工作表現具有重要影響，需要在實際應用中充分考慮，并根據實際情況進行合理的設計和調整，以實現最佳的能量輸出效率。

2.2" 光伏發電朝向和傾角

光伏板的輸出受到多種因素的影響，包括環境因素和光伏板自身的特性。盡管環境因素如緯度和溫度在最優范圍內，但光伏板的輸出仍取決于其放置方式，即朝向和傾角。

北半球的光伏板應該朝向正南方，因為在北半球，太陽最強烈的輻射來自正南方。南半球的情況與之正好相反。因此，選擇正確的朝向可以最大程度地利用太陽能。傾角指太陽能電池板與水平面的夾角，是另一個影響光伏板輸出的重要因素。最佳傾角因地而異，需要結合大量仿真模擬和實地監測數據來確定。然而，在簡單的系統設計中，可以將緯度作為傾角的近似值，盡管不夠準確，但仍有一定的參考意義。在優化光伏板輸出時，必須考慮其放置方式，選擇正確的朝向和傾角，以最大化太陽能的利用。通常以組件接收最佳日照來決定光伏板的安裝傾角，也可以進行模擬計算來確定其傾角[4]。

3" BIPV應用形式與場景

3.1" 構建型

構建型的光伏建筑構件是指太陽能組件與建筑構件的融合，或者直接將光伏組件作為獨立建筑構件。光伏建筑構件可以采用標準普通光伏組件，也可以根據建筑要求訂制。其中，光伏雨蓬是一種常見的光伏建筑構件。光伏雨蓬利用光伏材料替代傳統的雨蓬材料，實現防雨和發電兩大功能的融合。有2種類型的太陽能雨棚：一種是與大型建筑物融合；另一種則是獨立構件，例如設計在公交站點處的雨棚。盡管不追求最大發電量，不同形式的太陽能雨棚均具有特定的傾角和光伏面積，且光伏材料面積較建材型的幕墻和屋頂較小[5]。因此，一體化光伏建筑構件的采用能夠在滿足建筑功能需求的同時，有效提高太陽能的利用效率，具有重要的實際應用前景和經濟效益。

3.2" 建材型

通過將太陽能電池與建筑材料結合成為一體，建材型的光伏建筑構件可以在建筑基礎上實現直接發電的功能。其中，光伏采光頂是建材型一種常用的形式。建筑物的屋頂不僅較為開闊不易受遮擋，而且位置處于建筑物的高處，因而在光照時間和光線遮擋概率方面都具備更為優越的條件，是安裝最佳地點。與此同時，在安裝該種形式的BIPV系統時不影響建筑外觀。然而，在滿足室內采光的情況下，屋頂需要在設計時留有類似于天窗的空間，以確保光線進入室內的同時不影響太陽能電池的正常工作。因此，太陽能電池要求一定透光性。采用該種方式可以最大程度地利用屋頂的光照資源，且不會影響建筑外觀。在設計BIPV系統時需要綜合考慮發電效果、室內采光和建筑材料強度安全等多種因素。

3.3" 結合安裝型

安裝型的光伏建筑形式是另一種建筑一體化光伏形式，其形式多種多樣，常見的有平屋頂上安裝、順坡架空安裝及墻面平行安裝等。安裝型光伏建筑與前兩種光伏建筑形式有所不同，其不是以光伏材料作為建筑材料，而是在建筑完成之后對光伏組件進行安裝和架設。由于該形式的光伏材料并沒有融入建筑材料之中，因此其與建筑的結合度較低。盡管在一些文獻中，安裝型的光伏建筑形式并未被嚴格定義為光伏建筑一體化的形式之一，然而該形式仍然擁有著廣泛的應用前景和實際價值。該形式的光伏組件安裝相對簡便，無須考慮建筑的整體設計和光伏組件與建筑材料的協同性。因此，安裝型的光伏建筑形式雖然與建筑的結合程度不如前兩種形式那么高，但其仍然是一種重要的太陽能利用形式，在光伏建筑應用中仍然扮演著重要的角色。

4" BIPV應用存在的問題

4.1" 標準待完善

光伏建筑作為一種新興的建筑形式，在環保、經濟和美觀等方面具有獨特的優勢，逐漸受到人們的關注。然而在建筑光伏一體化建材的設計、施工以及使用過程中，需要考慮的因素非常多，從政策、管理、技術、經濟和社會等方面考慮，有學者結合文獻檢索結果與專家訪談建議，選取政策、管理、技術、經濟與社會等因素指標，建立了影響因素的解釋結構模型[6]，有助于全面掌握這些因素，但仍然亟需統一的規范和標準。行業標準和產品技術標準對于建筑光伏一體化建材也至關重要。建立一整套完善的規范和標準能夠保障建筑的安全性、節能性和舒適性，為行業的可持續發展提供穩定保障。

建筑光伏一體化建材行業標準應該包括安全性、性能、耐久性、防水性和防火性等各個方面。例如，在安全性方面，建筑光伏一體化建材應符合建筑結構和設計的負荷要求，滿足國家相關建筑標準和規定，確保建筑使用過程中不會對人員和財產造成損害。在性能方面，建筑光伏一體化建材應當具有較高的發電效率，同時還要具備良好的光電轉換效率和電池板的穩定性。此外，還應考慮光伏建筑在不同氣候條件下的耐久性、防水性和防火性等特殊要求。建筑光伏一體化建材產品技術標準應該圍繞光伏建筑的建筑材料、電池板和光伏組件等方面進行，進一步保證光伏建筑的質量和性能。例如，在電池板技術標準方面，應該定義電池板尺寸標準、電池片類型、接線方式和尺寸公差等重要參數，既能滿足工程需求，又能保證組件的生產和供應能夠質量穩定且可控。建筑光伏一體化建材需要制定全面、細致的行業標準和產品技術標準，才能更好地保障光伏建筑的安全性、質量和性能，推動光伏建筑產業的健康、可持續發展。

4.2" 市場不成熟

建筑光伏一體化技術是一種將太陽能電池板和建筑外觀相結合的新型技術，可以為建筑物提供清潔可再生能源，為城市的綠色建筑和能源轉型作出貢獻。然而，在BIPV技術的推廣應用過程中，仍存在一些困難和挑戰，成熟的商業模式也亟待探索[7]。一方面，市場中可供選擇的BIPV產品種類相對較少，應用場景相對局限，在市場推廣中還需要進行進一步驗證。雖然目前市場上已經有了一些BIPV相關產品，但其應用場景較為局限，無法滿足市場上不同客戶群體的需求。因此，BIPV產業需要進一步提高產品創新能力，推廣新型產品，并不斷拓展應用場景和范圍。另一方面，在整個BIPV產業中，項目全周期的運營和維護存在著諸多的難點。比如，BIPV項目缺乏完善的設計、施工、運營和維護標準；由于缺乏經驗，維護成本通常較高，且可靠性難以得到保障。應對這些問題，產業需要進一步完善標準、培養人才，提高技術和經驗的共享。除此之外，成功推廣和應用BIPV技術還需要一個成熟的商業模式的支撐。目前，BIPV產業的商業模式尚處于探索和實踐階段。因此，產業需要積極探索多樣化的商業模式，以滿足市場需求和推動BIPV產業的快速發展。

BIPV應用的困難和挑戰明顯，在推廣BIPV技術方面需取得一些突破。同時，大規模的推廣還依賴于建筑行業與其他行業的緊密合作和交流。產業需要進一步完善標準和規范，促進公私合作和技術共享，使BIPV技術逐步成為大規模應用的關鍵技術之一。未來，隨著裝配式建筑的快速發展，BIPV產業將有望迎來實質性的發展突破。同時，政策支持力度的增強和技術創新的推動，也將為產業帶來更多的機遇和優勢，進而實現全面升級和產業化的目標。

4.3" 經濟性待提高

BIPV技術的出現拓展了光伏建筑的應用場景，但與BAPV技術相比，其經濟性表現并不突出。目前，BAPV技術更為成熟，施工成本和技術路線也更為清晰。雖然BIPV技術在未來可能會有更廣泛的應用，但在目前階段，其高成本和復雜的施工方式仍然影響了其推廣。首先，相對于BAPV技術，BIPV技術需要更高的裝配技術和成本。BIPV技術需要將太陽能電池板集成到建筑物的外觀中，從而使得其施工工序較為復雜。同時，由于BIPV技術需要更高的技術和裝配工具，因此每個工藝節點的投入成本也會更高，使得整個項目的建設成本顯著增加。其次，雖然BIPV技術在解決景觀破壞等問題方面具有優勢，但由于其裝配成本高、施工難度較大，使得其應用面臨一些限制。相比之下，BAPV技術更可行和靈活，可以更好地利用現有的墻面或屋頂，為建筑物提供清潔、可再生的能源。此外，由于BAPV技術施工簡單、成本低廉，更容易被市場和用戶所接受。因此，BIPV產業需要進一步提高技術研發和創新能力，在成本和施工難度上進一步優化，提高裝配效率和降低成本，以更好地滿足市場需求。

綜上所述，BIPV技術的出現為光伏建筑的發展注入了新的動力，但在其成本和施工難度等方面仍存在一些難點和挑戰。與此相比，BAPV技術在經濟性、施工難度和靈活性等方面表現更加出色，更符合市場需求和用戶期望。未來，BIPV產業需要不斷探索創新，提高技術和成本效益，推進產業向著更高效、更可持續方向邁進。

5" 結束語

在全球氣候變化日益嚴峻的背景下，減少碳排放、降低碳排放已經成為各個行業的共同目標。建筑業是世界上能源消耗和碳排放較高的產業之一，通過不斷探索和推廣可持續的建筑技術和理念，建筑業也在逐漸實現綠色化發展。在“雙碳”建設大背景下，建筑領域的減碳舉措日益受到各行各業的關注。作為建筑領域的一種重要節能減碳技術，光伏發電不斷得到各界的青睞。而BIPV作為一種新興的建筑技術，正在改變我們對于建筑的認知，為建筑行業的節能減排工作帶來了新的希望。本文旨在探討“雙碳”建設背景下建筑領域的減碳舉措，特別關注節能建筑與光伏發電融合的應用，重點分析以BIPV為基礎的建筑應用形式與場景。BIPV作為光伏一體化建筑技術的一種重要形式，在建筑領域具有廣闊的應用前景。本文以構建型、建材型、結合安裝型應用形式和場景展開分析，探討BIPV應用場景的潛力及挑戰。

盡管在標準制定、產業鏈完善、成本控制等方面，BIPV仍面臨諸多挑戰和提升空間，但在建筑領域中，BIPV所體現的發電特點和科技美感卻極其突出。未來，隨著節能建筑減碳要求日趨嚴格，BIPV建筑系統作為可再生清潔能源的代表，將越來越被廣泛采納和應用。隨著市場上光伏組件的價格不斷下降，BIPV市場的前景和潛力將會變得愈加巨大和廣闊。

參考文獻：

[1] 黃承梁.把碳達峰碳中和作為生態文明建設的歷史性任務[N].中國環境報，2021-03-25（003）.

[2] 趙錚.太陽能光伏在建筑中的應用研究[D].北京：清華大學，2012.

[3] 房建軍.光伏建筑一體化融合理念和光伏系統設計要點[J].科技和產業，2021，21（5）：251-254.

[4] 胡從川，王博淵，劉廣東，等.光電建筑工程的關鍵技術研究[J].太陽能，2021（7）：37-45.

[5] 王東.分布式光伏發電建筑一體化系統設計與研究[D].北京：華北電力大學，2017.

[6] 孫瑞鴻，周盛世，李龍.“雙碳”背景下光伏建筑一體化發展影響因素分析[J].湖南工業大學學報，2023，37（2）：65-71.

[7] 沈瑾.光伏建筑一體化技術的應用及展望[J].能源與節能，2023（3）：49-52.

基金項目：浙江省省屬高校基本科研業務費項目（Y202203）

作者簡介：張曉欣（1989-），男，碩士，工程師。研究方向為光伏發電技術、供配電技術。