双碳背景下建筑减碳设计量化分析
——以夏热冬暖地区某住宅项目光伏建筑一体化设计为例

伍文豪WU Wen-hao

（广州市城市规划勘测设计研究院有限公司，广州 510030）

1 背景与问题

2020 年9 月22 日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话，中国力争碳排放2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。2020 年，《中国建筑能耗研究报告（2020）》显示，2018 年全国建筑全过程碳排放总量占全国碳排放的比重达到51.3%。因此建筑领域碳减排是实现2030 碳达峰和2060 碳中和的先决条件和重要组成。2022 年3 月11 日，国家住建部官网发布了“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划”。规划指出：到2025 年，全国新增建筑太阳能光伏装机容量0.5 亿千瓦以上，城镇建筑可再生能源替代率达到8%，建筑能耗中电力消费比例超过55%。随着国家推动太阳能发展力度逐年加大，如何实现建筑光伏建筑一体化（BIPV）成为一个重要的研究问题。

2 研究综述

2.1 建筑碳排放（building carbon emission）

建筑碳排放是指建筑物与其有关的建材生产及运输、建造及拆除、运行阶段产生的温室气体排放的总和，以二氧化碳当量表示。本文所界定的碳排放计算阶段主要为建筑运行阶段，减碳设计策略包括：围护结构保温性能提升、遮阳设计优化、建筑设备能效优化、电气照明功率优化、可再生能源利用（太阳能光伏）等。

2.2 光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaics）

太阳能作为一种分布广泛、清洁环保的可再生能源，其充分开发利用对环节能源危机、保护生态环境、保证社会经济可持续发展具有非常重要的意义。光伏建筑一体化（BIPV）设计是指综合考虑建筑设计的经济性、实用性和美观性，将太阳能光伏构件与建筑结构进行有机结合。其结合形式主要包括：屋顶构架式、阳台构架式、光伏外窗式、遮阳板结合式等。

3 研究对象与数据来源

3.1 案例概况及研究对象

本文选取的案例为广州市南沙区某安置区项目，西临京珠大道北，东临黄阁大道，总用地面积约39500m2，总建筑面积约190000m2，功能包括：住宅及公建配套、幼儿园、交警办公楼、地下车库等。其中住宅部分建筑面积约110000m2，建筑高度为99.9m，层数为32 层，均为装配式建筑。本文以一栋32 层、建筑高度99.9m、正南北朝向的B1#住宅作为研究对象，其围护结构主要材料包括：钢筋混凝土、玻化微珠保温砂浆、加气混凝土砌块、岩棉板、挤塑聚苯乙烯泡沫板；外窗主要材料为普通铝合金框+6mm 中透光Low-E+12mm 氩气+6 透明LOW-e 中空玻璃、普通铝合金框+6mm 中透光Low-E+19mm 氩气+6 透明内置百叶LOW-e 中空玻璃。

3.2 数据来源

运用清华斯维尔公司CEEB2023 碳排放分析软件，进行建筑碳排放数据获取及量化分析；需求评价通过相似案例项目分析对比搜集；经济性分析通过文献参照及造价咨询收集。

4 评价模型建立及碳排放数据分析

4.1 评价模型建立

运用碳排放分析软件——清华斯维尔CEEB2023 软件，以B1#住宅为主要评价单元，输入工程信息、基本材料信息、各种设备系统信息、建立平面模型、生成三维评价模型，主要研究了围护结构、外窗性能、制冷系统、供暖系统、照明系统、电梯系统的对建筑碳排放贡献值。

4.2 碳排放数据分析

本次研究主要针对住宅运行阶段碳排放量的主要影响参数进行量化分析：①围护结构方面，项目采用装配式钢筋混凝土外墙，对于项目节能减碳有一定的不利影响，结合建筑整体负荷曲线可看出，建筑供冷负荷最高月份为8 月，供暖最高月份为1 月份，其围护结构传热为主要的负荷因素。研究采用保温屋面、保温外墙、隔热外窗构造，有效降低建筑传热以及对空调系统的负荷；②制冷系统及供暖系统：项目采用能效比（APF）大于3.5 的单元式空调系统，对于夏季供冷、冬季供热碳排放量很大程度的减缓；③照明系统：采用LED 节能照明，降低住宅主要功能房间：起居室、卧室、卫生间、厨房的照明单位面积电耗，进而对因用地而产生的碳排放量进行有效降低；对电梯的特定能量消耗及待机功率进行提升优化，进而降低电耗及碳排放量。依据图1 统计分析，供冷系统的碳排放量占整体碳排放的67%，为主要的碳排放因素，因此采用能效比高的单元式空调系统以及提升围护结构热工性能极其关键。

图1 建筑各类系统碳排放量分析

4.3 建筑运行阶段碳排放量化分析及光伏建筑一体化结合形式分析

根据《建筑节能与可再生能源利用通用规范-GB 55015-2021》，并结合前述住宅单体建筑设计运行阶段供冷负荷碳排放、供暖负荷碳排放、照明系统碳排放、电梯碳排放等相关数据，运用CEEB 碳排放计算软件进行量化分析，可再生能源——太阳能光伏发电碳减排量需达到0.69（kgCO2/m2·a），以满足对比参照建筑（2016 年执行的节能设计标准）碳排放量平均降低40%以上，碳排放强度平均降低7（kgCO2/（m2·a）以上。

5 太阳能光伏建筑一体化（BIPV）应用减碳量化分析

5.1 太阳能辐射概况及太阳能系统对比分析

项目所处北纬约23°，为夏热冬暖气候区，太阳辐射资源等级为III 级，属于较丰富地带，太阳总辐射在3758.8～5273MJ/m2，而逐月辐射量最高值分布在每年8 月份，最低月份为1 月份（图2）。针对项目类型为住宅建筑，通过同类型项目调研分析以及CEEB 软件模拟碳排放分析，对比太阳能光伏发电、太阳能热水、太阳能集中供暖等三种太阳能可再生能源方案，进行碳减排量、使用需求度等多维度综合分析。①碳减排方面，经CEEB 碳排放软件计算分析，相同面积太阳能组件情况下，太阳能光伏方案较其余方案降碳量高200%；②设置需求方面，太阳能光伏方案可通过并网或独立系统形式，在满足自发自用情况下，还能余电上网，一定程度上为城市用电贡献；太阳能热水系统因高层住宅屋顶面积小、住户数量多，太阳能光热系统户均热水供应量严重不足，且容易引起计费纠纷，住宅无集中供暖及供冷需求，故无设置太阳能的条件；综合以上各种分析，最终选择太阳能光伏发电设计方案。

图2 中国水平面太阳辐射资源带

5.2 光伏电池材料选择

目前光伏电池主流产品主要为单晶硅电池、多晶硅电池、碲化镉薄膜电池（CdTe）、砷化薄膜电池（GaAs）四种。本次研究综合对比光伏转换效率、使用寿命、单价、应用场景等四方面，得出最适合项目应用的光伏电池。①砷化镓薄膜电池转化率最高，价格昂贵，难加工，耐高温，稳定性好，适用于空间卫星、无人飞行器等，结合项目类型不采用；②碲化镉薄膜电池运行转化效率高于非晶硅电池，性能稳定、制造成本低，碲稀有、镉有一定毒性，考虑项目为居住建筑，及环境质量要求较高不采用本类产品；③晶硅太阳能电池主流产品为单晶硅及多晶硅两种，单晶硅电池转化率较高，但价格较高，硅耗大，而多晶硅电池随着技术的不断成熟进步转化率较高，其价格低，硅耗小，工艺简单，寿命长。综合上述分析结果，拟采用多晶硅太阳能光伏电池。

结合项目所处纬度为北纬23°，依据光伏板安装角度与倾斜面太阳能辐射量曲线数据得出，当光伏板倾角为20°-25°时，其获取的太阳能辐射量最大（约为1000W/m2）；当光伏板倾角为90°（即光伏组件垂直布置）时，其获取的太阳能辐射量最小（约为350W/m2）。依据光伏板安装角度与发电量曲线数据（图3）得出，当光伏板倾角为15°-20°时，其发电量损耗最小（约为0%）；当光伏板倾角为90°（即光伏组件垂直布置）时，其发电量损耗最大（约为45%）（图3）。经上述分析，光伏组件所获取的太阳辐射量与光伏电池发电量成正比；当倾角大于20°时，光伏组件倾角角度与发电量成反比。

图3 光伏板倾角变化对发电量影响曲线

根据不同的太阳能光伏建筑一体化结合形式：屋顶构架式、阳台构架式、光伏玻璃窗结合式、遮阳结合式等四种形式，其中，①屋顶构架式光伏组件的倾角角度一般为0°-20°，为达到发电量损耗最低目标值，取值为20°，其发电量损耗为0；②阳台构架式及光伏玻璃窗结合式的光伏组件倾角为90°，其发电量损耗比例为45%，光伏板面积对应增加45%；③遮阳结合式光伏组件倾角为70°-90°，为达到发电量损耗最低目标值，取值为70°，其发电量损耗比例为25%，光伏板面积对应增加25%。经CEEB 软件模拟计算分析，以设计建筑碳减排量0.69（kgCO2/m2·a）为目标值，结合多晶硅光伏电池参数等，分别计算出不同安装角度（20°、70°、90°）的光伏面积（125m2、157m2、182m2）。

可再生能源碳减排量需要与屋顶结合的光伏布置方式受周边环境及建筑遮挡较小，占地面积小，光伏发电量及设计碳减排量最大。因此项目采用与屋顶结合的太阳能光伏建筑一体化方案。

5.3 太阳能光伏运行方式选择

目前市场上光伏发电供电模式分两种，一种是并网光伏系统，由太阳能发电组件、并网逆变器、电度表、避雷针、导线以及空气开关所组成；一种是独立光伏系统，由太阳能发电组件、导线、控制器、蓄电池、逆变器及负载所组成。作者选择项目中一栋32 层高层住宅进行多角度定量分析，在同样的年发电量15836kWh 条件下，对比两种运行方式的设备空间需求、发电可靠性、初始成本、维护要求等多方面。

经分析，①设备空间需求：并网光伏系统需在电房增加并网设备，预留并网电柜及逆变器，电房面积适当加大7m2；独立光伏系统只需预留蓄电池的安放，以两侧靠墙为例，所占用空间约1.4m2。②发电可靠性：并网光伏系统按照发多少电用多少电，多余的电能与电网并网后售卖，用户用电安全可靠有保证；独立光伏系统因蓄电池的容量有限，发电量稳定性及可靠性难以满足实际使用。③一次性投入造价：因独立光伏系统增加产品控制器和蓄电池设备，而并网光伏系统采用发多少电用多少电的原则，多余的电能与电网并网后售卖，用户用电安全可靠有保证，因此造价成本较独立光伏系统少60%。综合以上分析，结合安置房住宅建筑的项目特点，最终采用并网光伏系统。

6 结论与讨论

6.1 研究主要结论

通过对作为新型能源代表之一的太阳能的介绍引出与太阳能应用息息相关的太阳能光伏建筑一体化（BIPV）技术的发展。同时通过夏热冬暖地区某住宅建筑项目为例，借助碳排放分析软件、同类型项目调研、造价咨询等手段，提出两者结合的太阳能光伏建筑屋面发电系统的应用及其设计策略。通过分析和对比研究得出以下结论：①地理位置与所处环境的差异是太阳能光伏发电设计策略产生影响极其重要。因为作为该体系中最重要的太阳能组件设计及高效运行对其所在的地理位置与环境变化极其敏感，不同的纬度以及不同的光环境分区决定着该地区太阳能屋顶系统设计的安装角度及方位等的设计策略；②建筑功能影响太阳能系统类型，在选择合适的太阳能系统前提需要综合分析其对建筑使用者的利弊，不同类型的建筑，对太阳能系统的选择差异较大。

6.2 未来研究展望

研究尚有一定的可提升空间：在方法层面上，主要体现为对CEEB 碳排放数据的分析，目前因设计分析软件仍处在初始应用阶段，其碳排放的数据量化精确度仍不完善，在未来通过软件的升级完善以及可结合多种研究软件，增加建筑碳减排量化的精度及可操作性。

在内容层面上，本研究建筑类型仅为住宅建筑，尚未较全面地分析多种类型建筑中太阳能光伏建筑一体化的应用。目前研究基于设计阶段为建筑运行阶段虽然其碳排放量占据全生命周期的70%-80%，但其分析数据完整度并不全面，在未来研究可结合更多类型建筑的碳排放数据并结合更完整的设计阶段（生产、建设、运输等阶段）进行分析，以增加减碳数据的准确性。