中国城市大规模推广建筑领域可再生能源利用研究报告-WWF.pdf

该报告由以下单 位共同合作完成 中国城市大规模推广建 筑领域可再生能源利用 研究报告 该报告由以下单 位共同合作完成编写单位 德国能源署 Deutsche Energie-Agentur GmbH dena German Energy Agency Chausseestrasse 128 a 10115 Berlin, Germany Tel 49 030 66 777-0 Fax 49 030 66 777-699 E-mail infodena.de Internet www.dena.de 编写组 Hui Zhang 章晖, Deutsche Energie-Agentur GmbH dena Ang Ye 叶 昂, Deutsche Energie-Agentur GmbH dena 委托方 世界自然基金会（瑞士）北京代表处 北京市西城区百万庄大街22号院2号楼3层 Tel 86010-68366698 Fax 86010-68366678 项目管理 王伟康 世界自然基金会（瑞士）北京代表处 项目主任 刘笑宇 世界自然基金会（瑞士）北京代表处 高级项目专员 刘 倩 世界自然基金会（瑞士）北京代表处 助理项目专员 时间2020 年11月30日 版权所有 世界自然基金会（瑞士）北京代表处 德国能源署保留对本书内容的使用权。 世界自然基金会（WWF）简介 WWF是在全球享有盛誉的、最大的独立性非政府环境保护组织之一。 自1961年成立以来，WWF一直致力于环保事业，在全世界拥有将近 520万支持者和一个在100多个国家活跃着的网络。WWF的使命是遏 止地球自然环境的恶化，创造人类与自然和谐相处的美好未来。为此 WWF致力于保护自然世界生物多样性；确保可再生自然资源的可持 续利用；推动降低污染和减少浪费型消费的行动。 德国能源署（dena）简介 dena是提高能效、推动可再生能源和智能能源系统发展的职能中心。 作为能源转型的职能机构，德国能源署在德国本土和国际上制定并落实 解决方案，为实现能源转型和气候保护的目标作出贡献。德国能源署成 立于2000 年，活跃于政界、经济界及学术界。目前德国能源署共有230 余名员工，专业背景涉及能源、物理、经济、建筑、法律和商务等多 领域，其广泛的专业知识和经验被充分运用于目前100多个项目的实施 中。与此同时，德国能源署的项目伙伴涉及若干公共和私营部门及众多 专业领域。摘要 在二氧化碳排放达到峰值和实现碳中 和的过程中，城镇范围建筑领域可再生能 源大规模的利用发挥了重要的作用。建筑 与工业、交通并列为能源消耗的三个主要 领域。城镇区域是这三大能耗领域的集合 点，也是全球能源转型最重要的参与者。 城镇作为建筑和相关基础设施建设的管理 主体，可在不同层面提升可再生能源利 用。根据2016年发布的中国能源生产和 消费革命战略（2016-2030），能源转型 将坚持分布式和集中式并举，以分布式利 用为主，推动可再生能源高比例发展。这 也对城镇区域建筑领域大规模利用可再生 能源，提出了国家宏观层面的要求。 可再生能源的类型和利用形式多样，有 不同发展潜力。在建筑领域利用可再生能源， 需 要 根 据 城 镇 区域所在的气候地理条件，进 行因地制宜的分析和一体化的规划设计。 可再生能源发电主要有三种方法。除 了目前在中国应用较为广泛、发展较快的 光伏发电系统以外，小型风力发电系统和 生物质能发电系统在国际上也得到了一定 程度的探索。相类似的，在可再生能源供 暖与制冷方面，中国对于太阳能集热器供 暖应用已积累不少经验。其他系统，如太 阳能热结合吸收式冷却系统、地热能供暖 和制冷以及生物质能供暖系统，可以进一 步减少建筑用能的二氧化碳排放量，目前 在国际范围内有一些技术成熟的案例，但 仍需要得到大规模推广。 推广建筑领域可再生能源利用需要 相应的基础和保障。在中国能源转型战略 以及可再生能源法的框架内，城镇一 级可以运用相应的规划工具制定综合性或 单项可再生能源的利用规划。国际上，例 如德国，在这方面已有一些成熟案例，中 国类似的综合能源规划目前还处于试点阶 段。在技术层面，除了可再生能源产能技 术本身的发展，系统性的技术应用是大规 模推广的基础。其中包括灵活稳定的数字 化电网系统、以利用小型设备为主的分布 式能源系统和适宜的储能技术。 为实现建筑领域可再生能源利用的 大规模推广，一方面需要针对单项可再生 能源提出创新的发展理念，如光伏建筑一 体化，另一方面也应挖掘建筑组群或园区 中多种可再生能源利用方式相互协作的潜 力，如实施园区一体化方案，实现集群效 应。此外，对于一些特定的可再生能源利 用如地热能、生物质能和风能，城镇也可 积极与周边区域合作，推动优势互补。 随着“十四五规划”的编制，预计中 国实现碳排放达峰与碳中和的路径将越来 约明晰。选取适宜的城市区域，通过国际 合作，推广建筑领域可再生能源利用，将 是一项具有战略意义的工作。根据德国能 源署十多年来在中国开展建筑节能和生态 城市合作的经验，搭建一个多层面的工作 框架将有助于合作的开展与落地。其内容 包括与合作伙伴共同选定示范技术和项 目、协助地方推动可再生能源发展管理体 系建立、并在具体示范项目合作的实践经 验基础上为城镇提供政策和标准建议。 可再生能源的特性决定了其在应用 过程中需要系统化的解决方案和创新的模 式。全方位、多层面的合作成果，可以为 区域性大规模推广建筑领域可再生能源利 用打下坚实的基础。The large-scale use of renewable energy in the building sector in urban areas plays an impor- tant role in peaking CO2 emissions and achiev- ing carbon neutrality. Buildings, along with in- dustry and transport, are the three main sectors with high energy consumption. Urban areas are the convergence point of these three major ener- gy consuming sectors and are therefore the most important players in the global energy transi- tion. Cities and towns, as custodians of buildings and related infrastructure, can make the use of renewable energy at different levels more attrac- tive. According to China’ s Revolutionary Strategy for Energy Production and Consumption 2016- 2030, released in 2016, the energy transition will accommodate both the distributed and the centralised approaches, focusing on distributed utilisation and promoting a high proportion of renewable energy. This also highlights national macro-level requirements for the large-scale use of renewable energy in building sector. There are various types and uses of renewable energy with different development potentials. The use of renewable energy in the building sec - tor requires a site-specific analysis and integrated planning and design based on the climatic and geographic conditions of the urban area. There are three main approaches to renewable energy generation. In addition to photovoltaic systems, which are currently widely used and de- veloping rapidly in China, small-scale wind pow- er and biomass power systems have also been explored internationally. Similarly, in the area of renewable energy heating and cooling, China has accumulated considerable experience with solar collectors for heating applications. Other systems, such as solar thermal combined with absorption cooling systems, geothermal heating and cooling, and biomass heating systems, can further reduce carbon dioxide emissions result- ing from building energy use. There are further examples of mature technologies internationally, however, thesestill need to be promoted on a wider scale. The promotion of renewable energy in the building sector requires the appropriate foun- dation and guarantees. Within the framework of China’s energy transition strategy and the Renewable Energy Law, urban planning tools can be used to develop comprehensive or in- dividual renewable energy plans. Internation- ally, Germany, for example, has some mature cases in this area, and similar integrated ener- gy planning in China is currently in the pilot phase. On the technical level, in addition to the development of renewable energy capac- ity technology itself, systematic technology applications are the basis for large-scale de- ployment. These include flexible and stable smart grid systems, distributed energy sys- tems based on the use of small devices, and appropriate energy storage technologies. In order to achieve large-scale deployment of renewable energy in buildings, innovative concepts are needed for individual renewable energy sources, such as building-integrated photovoltaic BIPV, as well as the potential for collaboration among multiple renewable energy sources in a urban district, such as a campus-integrated solution to achieve a clus- ter effect. In addition, for specific renewable energy uses such as geothermal energy, bio- mass, and wind energy, cities and towns can actively cooperate with their neighbors to promote complementary advantages. With the preparation of the 14th Five-Year Plan, it is expected that China’s path to peak carbon emissions and carbon neutrality will become increasingly clear. It will be a strate- gically important task to select suitable urban areas and promote the use of renewable ener- gy in the building sector through internation- al cooperation. Based on more than ten years of experience of the German Energy Agency dena in the field of building energy efficien- cy and eco-city cooperation in China, a mul- tifaceted working framework will facilitate the cooperation. The framework will include the selection of demonstration technologies and projects together with the partners, assistance in the establishment of local management sys- tems for renewable energy development, and policy and standard recommendations for cities and towns based on the practical expe- rience of cooperation on concrete demonstra- tion projects. The nature of renewable energy is such that its application requires systemic solutions and innovative models. A comprehensive and multifaceted cooperation can lay a solid foun- dation for a large-scale regional expansion of renewable energy use in buildings. Abstract目录 1 引言 1 1.1 研究背景 1 1.1.1 城镇化与城镇能源消耗 1 1.1.2 建筑领域能耗 2 1.1.3 可再生能源 3 1.2 名词解释 4 1.3 研究目的 4 1.4 研究范围和方法 4 2 建筑领域可利用的可再生能源种类及其发展潜力 5 2.1 太阳能 5 2.2 风能 6 2.3 地热能 7 2.4 生物质能 8 2.5 可再生能源的发展潜力 9 3 建筑领域可利用的可再生能源方式 11 3.1 可再生能源发电 11 3.1.1 太阳能光伏发电系统 11 3.1.2 小型风力发电系统 13 3.1.3 生物质能发电系统 15 3.2 可再生能源供暖与制冷 17 3.2.1 太阳能供暖与制冷 17 3.2.2 地热能供暖和制冷 19 3.2.3 生物质能供暖系统 21 4 推广建筑领域可再生能源利用的基础和保障 25 4.1 宏观层面 25 4.1.1 中国能源转型战略 25 4.1.2 可再生能源法 26 4.1.3 城镇综合能源规划与单项可再生能源利用规划 26 4.2 技术层面 29 4.2.1 灵活稳定的数字化电网系统 29 4.2.2 分布式能源系统 30 4.2.3 储能技术 30 5 大规模推广建筑领域使用可再生能源的建议措施 31 5.1 技术层面措施 31 5.1.1 光伏建筑一体化 31 5.1.1 近零能耗建筑及产能建筑（群） 32 5.1.1 城区/园区一体化发展 34 5.2 宏观层面措施 36 5.2.1 城镇跨行政部门合作 36 5.2.2 城镇区域与周边非城镇区域合作 36 5.2.3 公众参与 36 6 适宜推广建筑领域可再生能源利用的城镇和 区域选择标准及工作框架 37 6.1 城镇和区域选择标准 37 6.2 工作框架 37 6.2.1 选定示范技术和项目 37 6.2.2 地方推动可再生能源发展管理体系建立 38 6.2.3 为城镇提供政策和标准建议 39 7 总结与展望 41 8 参考文献 42 9 图片目录 431. 引言 1 1 引言 1.1 研究背景 作为全球最大的二氧化碳排放国和第二大经济体，中国在应对全球气候 变化和实现可持续发展目标方面发挥着重要的作用。2020年9 月，中国国家主 席习近平在第七十五届联合国大会上首次明确了中国实现碳中和的时间点， 中国二氧化碳排放量将力争于2030年前达到峰值，并争取于2060年前实现碳 中和。 能源系统的转型是实现气候承诺的保障。2016年起实施的国民经济和社 会发展第十三个五年规划纲要（“十三五”规划）中提出了能源革命的构 想，目标在于建立一个清洁、低碳、安全和高效的能源系统。针对建筑领 域，“十三五”规划中提出，到2020年，城镇新建民用建筑须全部达到节能 标准要求，能效水平比2015年提升20，城镇绿色建筑面积占新建建筑面积 比重须提高到50 中华人民共和国中央人民政府, 2016。 提升建筑能效并降低建筑领域碳排放，需要在降低建筑自身能源需求的 同时，优化建筑的能源利用。对此，可再生能源利用可以发挥重要的作用。 1.1.1 城镇化与城镇能源消耗 城镇是实现能源转型和减缓气候变化的核心。根据联合国人口统计数 据，截止2018年底，全球城镇居民人口数量增长到42亿，相比1950年（7 亿 5 千万）已增加了四倍，占总人口数量的55。预计从2018年到2030年，城 镇居民数量将平均每年增长1.7，从2030年至2050年将平均每年增长1.3。 到2050年，68的全球人口将居住在城市区域 United Nations, Department of Economic and Social Aairs, Population Divison, 2018。 中国的城镇化目前仍保持相对较快的增长速度。中国国家统计局数据显 示，截止2019年，中国城镇人口数量达到8.48亿。城镇化率从2001年的37.7 增长到2019年的60.6。如果按照目前的趋势发展，预计到2030年中国的城镇 化率将达到70％ 中国国家统计局, 2020。 当前，城镇区域能源消耗量占全球总能源消耗量的67至76，与能 源相关的二氧化碳排放量占总排放量的71至76 IPCC, 2014，城镇因 此成为低碳发展和能源转型的最主要场所。城镇人口密集，空 间 受 限 ， 经济和社会活动集聚，这些塑造了城市能源系统的独特性。为了发挥城镇 的潜力，需要在城镇区域构建高效、互联、一体化、跨领域集成、高韧性 的能源系统。2 中国城市大规模推广建筑领域可再生能源利用研究报告 1. 引言 3 0. 0 0 10 . 00 20 . 00 30 . 00 40 . 00 50 . 00 60 . 00 70 . 00 80 . 00 90 . 00 中国城镇化率 全球城镇化率 全球与中国城镇化发展 1950 年 1970 年 1990 年 2010 年 2030 年 2050 年 图1 全球与中国城镇化率发展 （数据来源UN World Urbanization Prospects The 2018 Revi-sion ） 1.1.2 建筑领域能耗 建筑与工业、交通并列为能源消耗的三个主要领域。建筑能耗主要包括建造能耗 和运行能耗两个部分。建筑建造能耗是指由于建筑建造所导致的从原材料开采、建材生 产、运输以及现场施工所产生的建筑消耗。建筑运行能耗是指在住宅、办公建筑、学 校、商场、宾馆、交通枢纽、文体娱乐设施等建筑内，为居住者或使用者提供供暖、通 风、空调、照明、炊事、生活热水，以及其他为了实现建筑的各项服务功能所产生的能 源消耗。 自2000年以来，全球建筑领域的能源消耗稳步增加，年均增长率约为1.1。2018年 建筑建造和运行的终端能源消耗占全球总能耗的35，其中建造能耗占6，运行能耗占 30。建筑行业相关二氧化碳排放占全球总二氧化碳排放的39，其中由建筑建造导致 的二氧化碳排放占11，建筑运行占28。特别是2019年，由于极端天气的影响，以及 供暖和制冷需求的持续增加， 源自建筑电力与热力的直接和间接二氧化碳排放量上升到 10Gt，是有记录以来的最高水平 IEA, 2020。 32 28 36 4 图2 2018 年全球终端能源消耗占比 （数据来源International Energy Agency, 2019 Global sta-tus report for buildings and construction ） 根据清华大学建筑节能研究中心的核算结果，2018年，中国建筑能耗占全社会总能 耗的37，建筑领域相关二氧化碳排放占全社会二氧化碳总排放量的42。建筑领域能 耗和二氧化碳排放占比均略高于全球整体水平 清华大学建筑节能研究中心, 2020。 建筑领域能耗的持续增长，一方面是因为新建建筑面积的增加，特别是快速的城镇化 发展造成民用建筑需求的不断增加，另一方面，伴随着不断提高的生活水平，民用建筑在 生活热水、空调等方面需求的增加，也大幅提升了建筑在电力和热力方面的能源消耗。 2030年达峰和2060年碳中和目标的提出，对建筑领域能源结构的转型提出了新的要 求，如何降低建筑在用电、供暖和制冷方面造成的直接或间接二氧化碳排放，是建筑领 域未来发展面临的主要挑战。 1.1.3 可再生能源 可再生能源利用是低碳发展战略和转型路径中最重要的手段之一。可再生能源利用 在分布形式和规模上具有很强的灵活性，能源的生产更加接近能源消费端，适宜于在城 镇区域内开展。构建城镇分布式能源系统，一方面可以减少空气污染和温室气体排放， 降低城市能源成本，减少对传统化石燃料的依赖，另一方面可以推动本地与可再生能源 利用相关产业经济发展，为城镇增加就业机会。 目前，世界各地已有超过两百个城市制定了可再生能源发展目标，例如加拿大温哥 华市于2015年发布了可再生能源城市战略2015-2050，其目标是到2050年实现温哥华市 100的可再生能源利用 City of Vancouver, 2015。在中国，很多城市在其十三五规划中都 明确了可再生能源发展目标，北京市在最新的城市总体规划中也提出到2020年北京市可再 生能源利用比重要达到8，到2035年达到20 北京市规划和自然资源委员会, 2018。 伴随着可再生能源技术的不断成熟，如电力和热能储存、电动汽车智能充电、可再 生电力产热和制氢、数字技术和智能能源管理等，以可再生能源为基础的分布式能源系 统得以在越来越多的城镇及其周边地区得到部署。2. 建筑领域可利用的可再生能源种类及其发展潜力 5 4 中国城市大规模推广建筑领域可再生能源利用研究报告 1.2 名词解释 一次能源需求 一次能源需求描述了满足终端能源需求所需的能源量。还包括建筑 之外的上游工艺链在提取、转换和分配能源载体过程中所需要的能源量。 终端能源需求 是指为了保证室温标准和全年生活热水，必须向供暖、通风、热水 制备和制冷等系统提供的能源。该能源需求包括系统技术（泵、控制等）运行所需的辅 助能量。 产能建筑德国产能建筑的定义为全年一次能源需求为负数（ΣQp0 kWh /ma）， 且全年终端能源需求为负数（ΣQe0 kWh /ma），则达到产能建筑要求。其他方面必须 遵守节能条例（EnEV）的要求，例如夏季隔热要求等。 超低能耗建筑 是指在围护结构、采暖和制冷、照明、设备、智能控制、可再生能 源利用等方面综合选用各项节能技术，能耗水平远低于常规建筑的建筑物。 1.3 研究目的 本次研究通过对中国建筑领域能源消耗及可再生能源利用进行分析，并总结大规模 推广建筑领域可再生能源利用面临的问题和挑战，来形成相应的政策层面和技术层面的 发展建议，进而确定相应的工作框架，为后续推动试点城镇建筑领域可再生能源利用做 准备。 目标1 对建筑能耗进行数据分析，阐明选择建筑领域使用可再生能源的原因 目标2 研究建筑领域使用可再生能源的方式，及相应可以减少碳排放的数量 目标3 结合德国能源署在中国推广建筑节能的经验，分析研究在中国大规模推广建 筑使用可再生能源面临的挑战和问题，以及建议采取哪些方案解决这些问题 目标4 提出适宜大规模推广建筑领域可再生能源利用的城市/区域选择标准 目标5 以试点城市为例，概述为城市大规模推广建筑领域可再生能源利用形成政策 建议和制定措施的工作流程 1.4 研究范围和方法 本次研究重点在城镇及周边区域分布式可再生能源利用上，集中式大规模可再生能 源生产、并网及远距离输送使用不在本次研究范围内。 本次研究选择定性和定量分析中国建筑耗能、建筑领域可再生能源利用，并结合德国 能源署在建筑节能领域长期的实践经验，形成相应的政策和技术发展建议以及相应的工作 框架，以推动建筑领域可再生能源，特别是分布式可再生能源利用在中国大规模推广。 2 建筑领域可利用的可再生能源 种类及其发展潜力 可再生能源，是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能 等非化石能源。由于受到自然条件和空间需求的限制，同时基于分布式可 再生能源“就地生产、就地利用”的原则，本章将对适宜在城镇范围内用 于建筑领域的可再生能源，主要包括太阳能、风能、地热能和生物质能， 进行介绍。 2.1 太阳能 建筑领域利用太阳能的方式主要有两种 ● 太阳能光伏发电为建筑提供电力 ● 太阳能集热为建筑提供生活热水、采暖和制冷。 这两种技术都可以在不同规模的建筑（群）中，以独立或并网的形式 布置。 图3 太阳能光伏 （来源shutterstock.com_Mariusz Niedzwiedzki ）6 中国城市大规模推广建筑领域可再生能源利用研究报告 2. 建筑领域可利用的可再生能源种类及其发展潜力 7 图4 太阳能集热 （来源shutterstock.com_indukas ） 2.2 风能 风能在建筑领域的分布式利用主要是通过在建筑屋顶或建筑群内的空地上设置小 型风力发电机组为建筑提供电力，多以独立的形式存在。 图5 垂直轴风力发电机 （来源shutterstock-eldeiv_95223898 ） 2.3 地热能 地热能是通过提取储存在地下岩石或土壤中的能量来发电、供暖和制冷。地热能通 常分为三种 ● 浅层地热能从地表至地下200米深度范围内，储存于水体、土体、岩石中的温 度低于25摄氏度，采用热泵技术可提取用于建筑物供热或制冷等的地热资源 ● 水热型地热能储存于天然地下水及其蒸汽中的地热资源 ● 干热岩型地热能不含或仅含少量流体，温度高于180摄氏度，储存在固体岩石 中的地热资源 适合直接提取利用用于建筑供暖和生活热水加热的，主要指中低温地热能（约10℃ 至150℃），如浅层地热能和中低温水热型地热能。当温度较低，需要通过地源热泵的 使用将这个深度的热量提高到建筑所需的温度水平。中低温地热能也是区域供暖系统中 传统化石燃料热源的理想替代能源。 图6 地热能开采 （来源H. Angers Shne Bohr und Brunnenbaugesellschaft mbH ）8 中国城市大规模推广建筑领域可再生能源利用研究报告 2. 建筑领域可利用的可再生能源种类及其发展潜力 9 2.4 生物质能 生物质是指有机来源的材料，是自然界中生存或生长的物质以及生物和死亡生物的 废弃物。城镇区域可用于能源生产的生物质一般有两类 ● 残留物、副产品和废物，以及 ● 能源作物 残留物、副产品和废物主要是在城市生产和生活的过程中产生的，包括液态粪便、 排泄物、垃圾和收获残渣，以及贸易和工业产生的有机废物。能源作物是指以生产能源 为目的种植的如玉米、油菜和谷物等作物以及木材和草等速生植物，通常在能源种植园 中短期轮作种植。能源作物被加工成沼气、木柴、木屑和颗粒。这些生物质燃料可在火 力发电厂中转化为热能和电能。 图7 生物质锅炉 （来源Rainer Weisflog ） 2.5 可再生能源的发展潜力 根据2020年4 月发布的中国可再生能源展望2019，实现2050年全球气温升温控 制在2 摄氏度以下的目标情景需要大幅提升可再生能源在一次能源消费中的比例，特别 是太阳能和风能。在电力系统中，太阳能光伏发电和风力发电到2050年将承担超过70 的电力生产 国家发展和改革委员会能源研究所，国家可再生能源中心，英国儿童投资 基金会, 2020。 - 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030 2032 2034 2036 2038 2040 2042 2044 2046 2048 2050 Mtce/year Oc ean Geothermal Bio solid, li quid, g aseous Solar Wind Hydro Nuc l ear Natural Gas Crude oil Coal 图8 在2 摄氏度目标情景下可再生能源在一次能源消费中的比例 （来源中国可再生能源展望2019） 在中国明确了2030年二氧化碳排放达峰和2060年碳中和的目标后，根据清华大学气 候变化与可持续发展研究院于2020年9 月发布的中国低碳转型路径研究结果，中国长期 低碳排放路径选择需要从强化政策情景向2C和1.5C目标情景的过渡。实现2060年碳中 和需要实施以1.5C目标为导向的长期深度脱碳转型路径 清华大学气候变化与可持续发 展研究院, 2020。因此，可再生能源在未来能源结构转型中将肩负更大的责任。3. 建筑领域可利用的可再生能源方式 11 3 建筑领域可利用的可再生能源 方式 城镇范围内的建筑用能途径主要包括家用电器、空调、照明、炊事、生 活热水以及夏热冬冷地区的冬季供暖。不同类型和功能的建筑，所需电能和 热能比例也不相同。可再生能源依据其产能方式可分为可再生能源发电和可 再生能源供暖与制冷两种方式。 3.1 可再生能源发电 建筑领域可再生能源发电主要包括太阳能光伏发电、小型风力发电和生 物质发电三种方式。这其中，太阳能光伏是建筑领域可再生能源发电最常见 的利用方式。 3.1.1 太阳能光伏发电系统 原理 光伏系统将太阳辐射功率转化为电能。太阳光照射到嵌在塑料中的太阳 能电池上，太阳能电池中的电子在太阳辐射的作用下被提升到更高的能量水 平，从而在电池中产生电流，从正极接触到负极接触。串联的电池产生直流 电，在逆变器中转化为交流电。产生的电力可以输入公共电网，也可以由用 户直接使用。 形式 设置在建筑层面上的太阳能光伏发电主要包括两种形式 ● 建筑屋面或外墙上的光伏系统，以及 ● 与建筑构件融为一体的光伏建筑一体化系统。 设置在建筑屋面和外墙上的太阳能光伏系统是最常见的光伏系统形式， 其安装和维护都相对简单。光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaics / BIPV）是指使用特殊材料取代标准建筑材料，将其装于屋顶或建筑立面， 以促进建筑的光电转化效果的集成建筑组件方案，主要包括两类产品幕墙 一体化如光伏墙/幕墙和屋顶一体化如光伏屋面和瓦片。 发展 过去十年，全球太阳能光伏发电装机容量迅速增加，根据国际可再生 能源机构（IRENA）的最新数据，全球光伏发电从2010年的约40千兆瓦增加 到2019年的580千兆瓦，其中大部分是公用事业规模的太阳能发电厂 IRENA, 12 中国城市大规模推广建筑领域可再生能源利用研究报告 3. 建筑领域可利用的可再生能源方式 13 2020。但在一些国家，如德国，城市内和周围的小规模分布式太阳能光伏系统占主导 地位。 中国的光伏装机容量近年来一直稳居全球首位，根据国家能源局数据，中国光伏发 电从2014至2019年期间累计装机容量持续增长，截止2019年，光伏发电累计装机容量达 到20430万千瓦，其中主要为集中式光伏，比例接近70。分布式光伏虽然占比例较小， 但在政策的鼓励下，所占比重从2016年以来逐年增加。 示范案例 山东城市建设职业学院被动式低能耗建筑示范项目 图9 山东城市建设职业学院 （来源德国能源署） 山东城市建设职业学院位于济南市东部的教育城彩石片区，历经两年半建设完成总 建筑面积达两万平米的大型被动式超低能耗建筑 -- 实验实训中心大楼。 实验实训中心大楼由南北两个建筑体组成，通过东、西侧的连廊相连。北楼按照 中国现行节能标准65节能建造，南楼按照被动式超低能耗建筑标准建造。南楼屋面设置 了大面积的光伏和太阳能集热器，并放置空气源热泵机组。太阳能光伏发电提供庭院照 明和公共走廊照明。太阳能真空集热管收集太阳能用于建筑供暖，夏季驱动吸收式制冷 机。暖通设备方面，每层设置两台带高效热回收的新风机组，以保障室内优良的空气质 量，供暖和制冷通过与空气源热泵相连的风机盘管送风实现。 本项目的实施，不仅对本校专业教学，而且对山东省以及全国被动式超低能耗建 筑的推广都起到了重要的示范作用。在这里，学生们既可以学习建筑节能技术的理论知 识，又能亲身体验节能、舒适的实际效果。2019年，该项目获得了德国工商会（AHK） 颁发的 “ 德国创新节能解决方案在中国建筑领域的典型案例奖 ”。 优势与机遇 太阳能光伏发电