雙碳背景下建筑減碳設計量化分析
——以夏熱冬暖地區某住宅項目光伏建筑一體化設計為例

伍文豪WU Wen-hao

（廣州市城市規劃勘測設計研究院有限公司，廣州 510030）

1 背景與問題

2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話，中國力爭碳排放2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。2020 年，《中國建筑能耗研究報告（2020）》顯示，2018 年全國建筑全過程碳排放總量占全國碳排放的比重達到51.3%。因此建筑領域碳減排是實現2030 碳達峰和2060 碳中和的先決條件和重要組成。2022 年3 月11 日，國家住建部官網發布了“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃”。規劃指出：到2025 年，全國新增建筑太陽能光伏裝機容量0.5 億千瓦以上，城鎮建筑可再生能源替代率達到8%，建筑能耗中電力消費比例超過55%。隨著國家推動太陽能發展力度逐年加大，如何實現建筑光伏建筑一體化（BIPV）成為一個重要的研究問題。

2 研究綜述

2.1 建筑碳排放（building carbon emission）

建筑碳排放是指建筑物與其有關的建材生產及運輸、建造及拆除、運行階段產生的溫室氣體排放的總和，以二氧化碳當量表示。本文所界定的碳排放計算階段主要為建筑運行階段，減碳設計策略包括：圍護結構保溫性能提升、遮陽設計優化、建筑設備能效優化、電氣照明功率優化、可再生能源利用（太陽能光伏）等。

2.2 光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaics）

太陽能作為一種分布廣泛、清潔環保的可再生能源，其充分開發利用對環節能源危機、保護生態環境、保證社會經濟可持續發展具有非常重要的意義。光伏建筑一體化（BIPV）設計是指綜合考慮建筑設計的經濟性、實用性和美觀性，將太陽能光伏構件與建筑結構進行有機結合。其結合形式主要包括：屋頂構架式、陽臺構架式、光伏外窗式、遮陽板結合式等。

3 研究對象與數據來源

3.1 案例概況及研究對象

本文選取的案例為廣州市南沙區某安置區項目，西臨京珠大道北，東臨黃閣大道，總用地面積約39500m2，總建筑面積約190000m2，功能包括：住宅及公建配套、幼兒園、交警辦公樓、地下車庫等。其中住宅部分建筑面積約110000m2，建筑高度為99.9m，層數為32 層，均為裝配式建筑。本文以一棟32 層、建筑高度99.9m、正南北朝向的B1#住宅作為研究對象，其圍護結構主要材料包括：鋼筋混凝土、?；⒅楸厣皾{、加氣混凝土砌塊、巖棉板、擠塑聚苯乙烯泡沫板；外窗主要材料為普通鋁合金框+6mm 中透光Low-E+12mm 氬氣+6 透明LOW-e 中空玻璃、普通鋁合金框+6mm 中透光Low-E+19mm 氬氣+6 透明內置百葉LOW-e 中空玻璃。

3.2 數據來源

運用清華斯維爾公司CEEB2023 碳排放分析軟件，進行建筑碳排放數據獲取及量化分析；需求評價通過相似案例項目分析對比搜集；經濟性分析通過文獻參照及造價咨詢收集。

4 評價模型建立及碳排放數據分析

4.1 評價模型建立

運用碳排放分析軟件——清華斯維爾CEEB2023 軟件，以B1#住宅為主要評價單元，輸入工程信息、基本材料信息、各種設備系統信息、建立平面模型、生成三維評價模型，主要研究了圍護結構、外窗性能、制冷系統、供暖系統、照明系統、電梯系統的對建筑碳排放貢獻值。

4.2 碳排放數據分析

本次研究主要針對住宅運行階段碳排放量的主要影響參數進行量化分析：①圍護結構方面，項目采用裝配式鋼筋混凝土外墻，對于項目節能減碳有一定的不利影響，結合建筑整體負荷曲線可看出，建筑供冷負荷最高月份為8 月，供暖最高月份為1 月份，其圍護結構傳熱為主要的負荷因素。研究采用保溫屋面、保溫外墻、隔熱外窗構造，有效降低建筑傳熱以及對空調系統的負荷；②制冷系統及供暖系統：項目采用能效比（APF）大于3.5 的單元式空調系統，對于夏季供冷、冬季供熱碳排放量很大程度的減緩；③照明系統：采用LED 節能照明，降低住宅主要功能房間：起居室、臥室、衛生間、廚房的照明單位面積電耗，進而對因用地而產生的碳排放量進行有效降低；對電梯的特定能量消耗及待機功率進行提升優化，進而降低電耗及碳排放量。依據圖1 統計分析，供冷系統的碳排放量占整體碳排放的67%，為主要的碳排放因素，因此采用能效比高的單元式空調系統以及提升圍護結構熱工性能極其關鍵。

圖1 建筑各類系統碳排放量分析

4.3 建筑運行階段碳排放量化分析及光伏建筑一體化結合形式分析

根據《建筑節能與可再生能源利用通用規范-GB 55015-2021》，并結合前述住宅單體建筑設計運行階段供冷負荷碳排放、供暖負荷碳排放、照明系統碳排放、電梯碳排放等相關數據，運用CEEB 碳排放計算軟件進行量化分析，可再生能源——太陽能光伏發電碳減排量需達到0.69（kgCO2/m2·a），以滿足對比參照建筑（2016 年執行的節能設計標準）碳排放量平均降低40%以上，碳排放強度平均降低7（kgCO2/（m2·a）以上。

5 太陽能光伏建筑一體化（BIPV）應用減碳量化分析

5.1 太陽能輻射概況及太陽能系統對比分析

項目所處北緯約23°，為夏熱冬暖氣候區，太陽輻射資源等級為III 級，屬于較豐富地帶，太陽總輻射在3758.8～5273MJ/m2，而逐月輻射量最高值分布在每年8 月份，最低月份為1 月份（圖2）。針對項目類型為住宅建筑，通過同類型項目調研分析以及CEEB 軟件模擬碳排放分析，對比太陽能光伏發電、太陽能熱水、太陽能集中供暖等三種太陽能可再生能源方案，進行碳減排量、使用需求度等多維度綜合分析。①碳減排方面，經CEEB 碳排放軟件計算分析，相同面積太陽能組件情況下，太陽能光伏方案較其余方案降碳量高200%；②設置需求方面，太陽能光伏方案可通過并網或獨立系統形式，在滿足自發自用情況下，還能余電上網，一定程度上為城市用電貢獻；太陽能熱水系統因高層住宅屋頂面積小、住戶數量多，太陽能光熱系統戶均熱水供應量嚴重不足，且容易引起計費糾紛，住宅無集中供暖及供冷需求，故無設置太陽能的條件；綜合以上各種分析，最終選擇太陽能光伏發電設計方案。

圖2 中國水平面太陽輻射資源帶

5.2 光伏電池材料選擇

目前光伏電池主流產品主要為單晶硅電池、多晶硅電池、碲化鎘薄膜電池（CdTe）、砷化薄膜電池（GaAs）四種。本次研究綜合對比光伏轉換效率、使用壽命、單價、應用場景等四方面，得出最適合項目應用的光伏電池。①砷化鎵薄膜電池轉化率最高，價格昂貴，難加工，耐高溫，穩定性好，適用于空間衛星、無人飛行器等，結合項目類型不采用；②碲化鎘薄膜電池運行轉化效率高于非晶硅電池，性能穩定、制造成本低，碲稀有、鎘有一定毒性，考慮項目為居住建筑，及環境質量要求較高不采用本類產品；③晶硅太陽能電池主流產品為單晶硅及多晶硅兩種，單晶硅電池轉化率較高，但價格較高，硅耗大，而多晶硅電池隨著技術的不斷成熟進步轉化率較高，其價格低，硅耗小，工藝簡單，壽命長。綜合上述分析結果，擬采用多晶硅太陽能光伏電池。

結合項目所處緯度為北緯23°，依據光伏板安裝角度與傾斜面太陽能輻射量曲線數據得出，當光伏板傾角為20°-25°時，其獲取的太陽能輻射量最大（約為1000W/m2）；當光伏板傾角為90°（即光伏組件垂直布置）時，其獲取的太陽能輻射量最?。s為350W/m2）。依據光伏板安裝角度與發電量曲線數據（圖3）得出，當光伏板傾角為15°-20°時，其發電量損耗最?。s為0%）；當光伏板傾角為90°（即光伏組件垂直布置）時，其發電量損耗最大（約為45%）（圖3）。經上述分析，光伏組件所獲取的太陽輻射量與光伏電池發電量成正比；當傾角大于20°時，光伏組件傾角角度與發電量成反比。

圖3 光伏板傾角變化對發電量影響曲線

根據不同的太陽能光伏建筑一體化結合形式：屋頂構架式、陽臺構架式、光伏玻璃窗結合式、遮陽結合式等四種形式，其中，①屋頂構架式光伏組件的傾角角度一般為0°-20°，為達到發電量損耗最低目標值，取值為20°，其發電量損耗為0；②陽臺構架式及光伏玻璃窗結合式的光伏組件傾角為90°，其發電量損耗比例為45%，光伏板面積對應增加45%；③遮陽結合式光伏組件傾角為70°-90°，為達到發電量損耗最低目標值，取值為70°，其發電量損耗比例為25%，光伏板面積對應增加25%。經CEEB 軟件模擬計算分析，以設計建筑碳減排量0.69（kgCO2/m2·a）為目標值，結合多晶硅光伏電池參數等，分別計算出不同安裝角度（20°、70°、90°）的光伏面積（125m2、157m2、182m2）。

可再生能源碳減排量需要與屋頂結合的光伏布置方式受周邊環境及建筑遮擋較小，占地面積小，光伏發電量及設計碳減排量最大。因此項目采用與屋頂結合的太陽能光伏建筑一體化方案。

5.3 太陽能光伏運行方式選擇

目前市場上光伏發電供電模式分兩種，一種是并網光伏系統，由太陽能發電組件、并網逆變器、電度表、避雷針、導線以及空氣開關所組成；一種是獨立光伏系統，由太陽能發電組件、導線、控制器、蓄電池、逆變器及負載所組成。作者選擇項目中一棟32 層高層住宅進行多角度定量分析，在同樣的年發電量15836kWh 條件下，對比兩種運行方式的設備空間需求、發電可靠性、初始成本、維護要求等多方面。

經分析，①設備空間需求：并網光伏系統需在電房增加并網設備，預留并網電柜及逆變器，電房面積適當加大7m2；獨立光伏系統只需預留蓄電池的安放，以兩側靠墻為例，所占用空間約1.4m2。②發電可靠性：并網光伏系統按照發多少電用多少電，多余的電能與電網并網后售賣，用戶用電安全可靠有保證；獨立光伏系統因蓄電池的容量有限，發電量穩定性及可靠性難以滿足實際使用。③一次性投入造價：因獨立光伏系統增加產品控制器和蓄電池設備，而并網光伏系統采用發多少電用多少電的原則，多余的電能與電網并網后售賣，用戶用電安全可靠有保證，因此造價成本較獨立光伏系統少60%。綜合以上分析，結合安置房住宅建筑的項目特點，最終采用并網光伏系統。

6 結論與討論

6.1 研究主要結論

通過對作為新型能源代表之一的太陽能的介紹引出與太陽能應用息息相關的太陽能光伏建筑一體化（BIPV）技術的發展。同時通過夏熱冬暖地區某住宅建筑項目為例，借助碳排放分析軟件、同類型項目調研、造價咨詢等手段，提出兩者結合的太陽能光伏建筑屋面發電系統的應用及其設計策略。通過分析和對比研究得出以下結論：①地理位置與所處環境的差異是太陽能光伏發電設計策略產生影響極其重要。因為作為該體系中最重要的太陽能組件設計及高效運行對其所在的地理位置與環境變化極其敏感，不同的緯度以及不同的光環境分區決定著該地區太陽能屋頂系統設計的安裝角度及方位等的設計策略；②建筑功能影響太陽能系統類型，在選擇合適的太陽能系統前提需要綜合分析其對建筑使用者的利弊，不同類型的建筑，對太陽能系統的選擇差異較大。

6.2 未來研究展望

研究尚有一定的可提升空間：在方法層面上，主要體現為對CEEB 碳排放數據的分析，目前因設計分析軟件仍處在初始應用階段，其碳排放的數據量化精確度仍不完善，在未來通過軟件的升級完善以及可結合多種研究軟件，增加建筑碳減排量化的精度及可操作性。

在內容層面上，本研究建筑類型僅為住宅建筑，尚未較全面地分析多種類型建筑中太陽能光伏建筑一體化的應用。目前研究基于設計階段為建筑運行階段雖然其碳排放量占據全生命周期的70%-80%，但其分析數據完整度并不全面，在未來研究可結合更多類型建筑的碳排放數據并結合更完整的設計階段（生產、建設、運輸等階段）進行分析，以增加減碳數據的準確性。