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光电建筑实施路径探讨张昕宇 博士中国建筑科学研究院 研究员/博士生导师环能科技太阳能应用研究中心 主任中国光伏行业协会光电建筑专委会 秘书长2021年12月 1 推广背景及潜力2/ 光电建筑规划与设计3 光伏与建筑结合形式4 新型建筑电力系统5/ 总结与建议纲要 2 1 推广背景及潜力 38 13 18 23 28 2020年2021年2022年2023年2024年2025年202 6年2027年2028年2029年2030年2031年2032年2033年2034年2035年2036年2037年2038年2039年2040年2041年2042年2043年2044年2045年2046年2047年2048年2049年2050年碳排放（亿tCO2）情景碳排放预测汇总 基准情景标准稳步提升+2亿改造标准稳步提升+4亿改造标准稳步提升+6亿改造近零快速推广+2亿改造近零快速推广+4亿改造近零快速推广+6亿改造标准稳步提升+2亿改造+1亿光伏近零快速推广+2亿改造+2亿光伏 国家主席习近平在第75届联合国大会发表重要讲话，提出碳达峰、碳中和工作目标p 根据IEA数据，2018年中国碳排放约为100亿tCO2，建筑运行约21亿tCO2（21%），建筑业约18亿tCO2（18%）。同美国、日本等发达国家相比，建筑运行碳排放偏低，建筑材料和建造碳排放偏高。p 建筑领域减碳技术的效果存在时间上的延迟，需要累积产生效果。经测算最早达峰时间为2023年。其中光伏是构成建筑新型电力系统、实现建筑低碳、零碳运行的必要途径。 1 推广背景及潜力 4 p 《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021自2022年4月1日实施。ü 全文强制，必须严格执行ü 建筑碳排放计算作为强制要求ü 覆盖面广，涉及新建建筑、既有建筑、可再生能源系统、施工调试验收与运行管理等内容ü 新建建筑节能设计水平进一步提升ü 新增温和地区工业建筑节能设计指标要求ü 暖通空调系统效率和照明要求全面提升p “5.2.1 新建建筑应安装太阳能系统。”p “5.2.3 太阳能系统应做到全年综合利用，根据使用 地的气候特征、实际需求和适用条件，为建筑物供电、供生活热水、供暖或（及）供冷。” 1 推广背景及潜力 5-8%建筑光伏系统可安装面积既有建筑（累计装机面积）100亿m2（600亿m2×1/6） -8%减碳潜力（发电量）新建建筑（年新增装机发电量）180亿kWh/年新建建筑（年新增装机面积）1.2亿m2/年既有建筑（累计发电量）1.5万亿kWh/年 欧洲光电建筑市场统计与预测，来源： Becquerel insititutep 国家能源署光伏项目组（IEA-PVPS） 预测目前欧洲光电建筑市场增长约200-300MW/年，全球光电建筑市场增长约为1 GW/年。p 我国既有建筑光伏装机潜力达100亿m2，年发电量为1.5万亿kWh/年；新建建筑每年新增光伏装机潜力1.2亿m2/年，每年新建系统的年发电量为180亿kWh/年。p 光电建筑是光伏行业新兴应用场景，处于市场爆发前夜。 欧洲发展潜力中国发展潜力 1 推广背景及潜力 6-8% -8% p 由中国光伏行业协会光电建筑专委会组织编制《光电建筑典型案例集》。p 总体梳理我国光电建筑发展情况，为行业发展提供数据，为政府、主管部门及全社会提供技术支撑。35 18 29 7 11 90510152025303540工业 建 筑 公 共建 筑 办公建筑 商业建筑 居住建筑 其他应用项目数量 30%13%52% 5% 2018年前2019年2020年2021年《案例集》项目数量及装机容量情况统计 2 光电建筑规划与设计n 光电建筑规划与布局ü 建筑及所在园区日照、视觉、防眩光等一致性要求。ü 建筑光伏阵列本体无遮挡，并不降低相邻建筑的日照标准。ü 置于屋面、立面等建筑外表皮的光伏阵列与建筑主体的外观形态应该保持协调、美观。ü 园区、广场、步行街及旅游景观，特别注意把控整体的色调和效果。ü 既有建筑改造项目，做好视线影响分析。 75.2.4 太阳能建筑一体化应用系统的设计应与建筑设计同步完成。建筑物上安装太阳能系统不得降低相邻建筑的日照标准。 2 光电建筑规划与设计n 光电建筑外观及特殊要求ü 平屋面设置最佳倾角，与坡屋面一体化安装。ü 屋面外露的光伏阵列，采用女儿墙等构件对感观突出的部位进行适当围挡。ü 建筑构件对光伏组件的遮挡计算，避免对前排光伏组件的发电造成不利影响。ü 应选用一体化效果良好、无色彩的光伏组件，根据建筑模数开展光伏瓦、光伏幕墙的整体布局，保证主体美观。ü 非阻燃材料上不能加装光伏组件，木檩条坡屋面应采取防火隔离措施。 8 2 光电建筑规划与设计n 光电建筑结构技术要求ü 房屋、场地及环境条件勘察与安全性评估。ü 结构设计、结构材料、耐久性、安装部位的构造及强度。ü 主体和承重结构改动的复核。ü 光伏阵列自重、风荷载、雪荷载、检修荷载和地震影响。ü 基础、光伏支架、支撑金属件及连接等。ü 防水层与保温层连续。 9 5.2.2 在既有建筑上增设或改造太阳能系统，必须经建筑结构安全复核，并应满足建筑结构的安全性要求。5.2.5 太阳能系统与构件及其安装安全，应符合下列规定：1 应满足结构、电气及防火安全的要求；2 由太阳能集热器或光伏电池板构成的围护结构构件，应满足相应围护结构构件的安全性及功能性要求；3 安装太阳能系统的建筑，应设置安装和运行维护的安全防护措施，以及防止太阳能集热器或光伏电池板损坏后部件坠落伤人的安全防护设施。 2 光电建筑规划与设计n 光电建筑结构技术要求 10 屋顶安装光伏板示例方法：屋顶增设混凝土柱墩，柱墩上部架设钢梁，钢梁上部由光伏厂家设计支架并配合安装。 2 光电建筑规划与设计 11 立面安装光伏组件示例方法：对于砖砌体墙，无法直接做埋件，可在砖墙上增设竖向或者横向方钢管，其余光伏构件再与该方钢管连接固定。n 光电建筑结构技术要求 2 光电建筑规划与设计 12 光伏玻璃幕墙示例方法：采用现浇钢筋混凝土框架结构，并选用满足透光性设计要求、幕墙相关技术的要求的光伏组件。n 光电建筑结构技术要求 2 光电建筑规划与设计山西某光伏系统 苹果公司亚利桑那光伏系 统 天津中新生态城 SBI试验装置p建筑光伏组件SBI燃烧性能测试与分析ü 燃烧室、试验设备（小推车、框架、燃烧器、集气罩、收集器和导管）、排烟系统、分析及测量系统、除尘装置等设备。 n 光电建筑防火性能 2 光电建筑规划与设计 单晶硅组件 碲化镉薄膜组件 铜铟镓硒薄膜组件光伏组件 燃烧增长速率指数FIGRA0.2MJ（ W/s） 总产烟量（ m2） 燃烧性能某单晶硅光伏组件 145.805 11.815 B1难燃材料中的 C级某碲化镉薄膜光伏组件 88.239 20.406 B1难燃材料中的 B级某铜铟镓硒薄膜光伏组件 69.720 9.622 B1难燃材料中的 B级n 光电建筑防火性能 3 光伏与建筑结合形式构件型（与建筑构件组合或一体化构造，如根据建筑要求定制、由组件构成的雨蓬或遮阳板）兼顾建筑整体造型、遮雨遮阳等特定功能、安全性、美观等要求，还要保证组件发电效率。建材型（与玻璃等建筑材料复合在一起，组成建筑构件或 建筑材料，如光伏瓦、光伏玻璃幕墙、光伏采光顶等）组件充当屋面、墙面材料，具有保温、防水、隔断、隔音等功能，而建筑物应具备节能、美观等特性。附加型（在平屋顶、坡屋面上顺坡架空安装、与墙面平行安装）根据用户需要灵活布置，采用常规组件即可实现，结合度低，安装简便。 155.2.9 光伏组件设计使用寿命应高于25年，系统中多晶硅、单晶硅、薄膜电池组件自系统运行之日起，一年内的衰减率应分别低于2.5%，3%和5%，之后每年衰减应低于0.7%。 3 光伏与建筑结合形式与坡屋面集成 与墙面集成 与平屋面集成 光伏窗 平屋面安装 光伏遮阳板 16 应用形式 光伏组件 建筑要求建材型 光伏采光顶（天窗） 透明玻璃组件 建筑效果、结构强度、采光及遮风挡雨光伏屋顶 屋面瓦 建筑效果、结构强度、遮风挡雨光伏幕墙（透明） 透明玻璃组件 建筑效果、结构强度、采光及遮风挡雨光伏幕墙（非透明） 不透明玻璃组件 建筑效果、结构强度、遮风挡雨构 件型 光伏遮阳板（采光） 透明玻璃组件 建筑效果、结构强度、采光光伏遮阳板（非采光） 不透明玻璃组件 建筑效果、结构强度附加型 屋顶光伏方阵 普通组件 建筑效果墙面光伏方阵 普通组件 建筑效果5.2.12 太阳能光伏发电系统设计时，应根据光伏组件在设计安装条件下光伏电池最高工作温度设计其安装方式，保证系统安全稳定运行. 3 光伏与建筑结合形式光伏屋面 附加式组件架设在构造层上，和屋顶独立。开放式构造、安装简单。原始屋顶须保留完整的防水层和保护层。替代式组件替代屋顶外侧的保护层，融合在构造层中。组件需要保证较齐整的形状，具有较好的密闭性和防水构造。 整合式组件具备建筑屋顶的全部功能及建材特点，能够取代建筑屋顶。一般为采光屋顶，需采用强化玻璃做底板和面板。 17 3 光伏与建筑结合形式光伏幕墙 干挂式在建筑的防水层外侧安装龙骨，再用挂件将组件安装在龙骨上。构件式中空玻璃的外侧换成包裹组件的玻璃，其他结构没有改变。连线利用幕墙支撑框架间的空腔进行排布。单元式 由众多独立的单元体组合而成，单元可在工厂内加工组装后直接吊装。可将封装后的组件预先嵌入幕墙的框架中。呼吸式两道幕墙，内幕墙为明框幕墙、活动窗、开有检修门；外幕墙采用有框幕墙或点支承玻璃幕墙。组件一般整合在外幕墙中，夹在两层玻璃板之间。 18 3 光伏与建筑结合形式n 关键技术：建筑光伏组件热工特性与综合节能性能 发电反射太阳辐射 辐射换热对流辐射换热 对流辐射换热空气对流 散热 墙体温度升高 热传导自然通风 光伏系统安装效果 镀锌铁皮密封2 1 综合节能性能兼顾光伏组件发电量提升和组件对建筑冷热负荷的影响，建立建筑立面光伏组件综合节能性能分析方法，研究光伏组件对建筑的综合节能性能。建筑适用性综合考虑组件发电量和建筑物的供暖空调负荷特性，发现以热负荷为主的居住建筑和以冷负荷为主的 公共建筑立面适合安装光伏组件。 19 3 光伏与建筑结合形式n 关键技术：建筑光伏组件热工特性与综合节能性能ü 风口间距和风口尺寸对连续安装光伏效率的影响分析：a) 组件背板与立面间隙为d=0.2m时，连续安装光伏组件将导致过热，当连续安装高度Ha=10m时，无效通风降温措施时会导致光伏发电效率减少1/20。b) 通过设置合理的安装间隙及通风口垂直间距降温，风口垂直间距小于5m时对于光伏系统发电效率提升作用不明显，综合考虑温度和效率的影响风口垂直间距应在5m~8m之间，通风口尺寸取L=0.2m*0.2m为宜。 20 3 光伏与建筑结合形式n 关键技术：建筑光伏组件热工特性与综合节能性能ü 利用光伏组件与墙体、纵向防火封堵之间形成的空腔构成自然通风风道。ü 在风道的底部设置散热百叶，在风道顶部采用风管联结，利用风机抽取空腔内的气体，通过气体的流动达到对光伏组件背板散热和收集热量的双重作用。收集热量可用于空气源热泵蒸发器集热。 21 3 光伏与建筑结合形式n 关键技术：建筑光伏组件热工特性与综合节能性能ü 太阳能光伏光热（PVT）组件，根据严寒、寒冷地区建筑用能需求特殊化定制。ü 太阳辐射穿过透明盖板后，投射在光伏电池片和吸热体组成的复合体上，既被电池片吸收转换为电能，又被吸热板吸收并转换成热能，传递给传热工质。温度升高后的吸热板通过导热、对流、辐射向四周散热，形成热损失。ü PVT相关数学模型、量化分析、标准规范、工程应用。 焊接金属流道/保温设计吹胀式液态流道/无保温设计，*引用自 Refrigeration characteristics of a hybrid heat dissipation photovoltaicthermal heat pump under various ambient conditions on summer night，大连理工大学 i=ni=1Tf,out iT f,in Wdydy i=2 Tf,out,1Tf,out,2 Tf,out,n1Tf,out,idy T f,in,1Tf,in,2 Tf,in,nTf,in,idy 22 4 新型建筑电力系统n 关键技术：太阳能光伏储能系统的优化设计方法ü 光伏供电能力与建筑负载需求在时空上的错位分布，适配不同场景、功能的系统形式。ü 独立光伏发电系统与并网型光伏发电系统。ü 基于技术经济性目标的储能系统性能化设计方法。 焊接金属流道/保温设计 23光伏供电能力与建筑负载需求在时空上的错位分布 不同的系统应用形式 MPPT控制器 交流供电系统均衡性交流负载光伏阵列 光伏发电系统 蓄电池组汇流箱 直流供电系统 逆变器储能系统设计校核、经济性校核基于技术经济性目标的储能系统性能化设计5.2.11 太阳能光伏发电系统设计时，应给出系统装机容量和年发电总量。 4 新型建筑电力系统n 关键技术：可再生能源热电联供技术应用ü 以可再生能源为冷热电联供微网系统，通过合理的规划设计提高能源利用率。ü 通过电、气、冷、热的互补调度和能源管理，降低用能成本，提高系统运行可靠性。ü 丹麦、奥地利等开展区域联供系统示范；日本、丹麦等建成可再生能源示范城市。ü 国家能源局推动数十个多能源互补集成工程、新能源微电网和智慧能源示范项目。 电网 光伏空气能 电池储能风冷机组 电辅热热交换 蓄热装置电驱动光热 热交换 蓄热装置交流电母线 供电母线制冷母线供暖母线供热水母线空气能母线 光热母线 电负荷冷负荷热负荷热水负荷24 4 新型建筑电力系统n 关键技术：可再生能源热电联供技术应用ü 光伏、光热、热泵组合供能，针对能源输入、输出及存储特性，实现太阳能集热、太阳能发电、热泵供暖空调单体系统分模块控制，多能源集成系统基于负荷、供热潜力实现自适应控制（MPC）。 25QStorage,H,D QStorage,H,D+1 Q Load,H,DH τ D+1HeatProduction byASHP 012DτDHeat Loadusing ASHPProduction 012D+1 HStorageLoad0 Q Product-S,H,DQ Product-SAHP,H,D HeatProduction byASHPHeat Loadusing ASHP Input:• 太阳能• 空气热能• 电能• 光伏• 市电Output:• 供暖• 空调• 供电integrate:• 蓄电• 蓄热 4 新型建筑电力系统n 关键技术：光伏直驱建筑电气设备ü 光伏直驱空调、直流照明、直流办公负载ü 光伏发电系统+光伏直驱变频离心机+发用电一体化管理系统。光伏能直驱利用率达99.04%，系统效率比常规光伏发电系统+变频离心机系统模式提高了6%-8%。ü 通过发用电一体化管理系统，结合光伏发电管理技术和中央空调群控技术，对分布式控制网络对纯光伏系统、光伏直驱变频离心机系统、空调辅助设备及末端进行集中控制。 26直流照明系统某型号光伏直驱空调 光伏空调系统架构 4 新型建筑电力系统n 关键技术：建筑光储直柔配电系统ü 光储直柔（PEDF），在建筑领域应用太阳能光伏（Photovoltaic）、储能（Energy storage）、直流配电（Direct current）和柔性交互（Flexibility）四项技术。ü 光储直柔是发展零碳能源的重要支柱，有利于直接消纳风电光电。 27 4 新型建筑电力系统n 关键技术：建筑光储直柔配电系统ü 中国建研院空调楼光电建筑改造项目：以我国老旧建筑实现光伏一体化改造的典型工程。ü 光电建筑电气直流化与柔性调节的全面实践、产品研制与运行调试。 28MPPT 直流汇流直流控制箱 12VDC电视5VDC USBDC/DCDC/DC 12VDC5VDC汇流套件 2 市电室外光伏阵列 2 220VAC负载并离网逆变器 220VAC165.2VDC,9.68A 48VDC,8.33A 48VDC照明 48VDC165.2VDC,9.68A 165.2VDC,19.4A 220VAC,18A市电互补 48VDC 母线蓄电 池 室内机 1GMV-ND63T/C 市电室外机GMV-Y120WL/A-E汇流套件 1室外光伏阵列 1206.6VDC,9.68A206.6VDC,9.68A 206.6VDC,19.4A 室内机 2GMV-ND63T/C空调室外机 220VAC,35A 220VAC220VAC充 电桩220VAC/48VDC 直流照明柜直流控制柜 5 总结与建议 太阳能建筑n IEA SHC Task 66：Solar Energy Building，拟面向气候中和背景下的未来城市和社区研究太阳能建筑的实现路径，开展太阳能建筑边界条件、指标、定义和推广，新建与既有单体太阳能建筑及太阳能社区、当前及未来太阳能利用技术与部件相关研究。n 本项目是目前国际能源署唯一有关太阳能建筑技术的在研项目，由中国主导开展“新建和既有单体（太阳能）建筑”任务研究，在德国、丹麦、英国、瑞典、瑞士、奥地利、阿尔巴尼亚等多个国家引起广泛关注 29 5 总结与建议 30 n 顶层规划与设计基于光电建筑功能、规划、布局、外观、结构、安全等要素，自顶层开展规划和设计。n 高质量光伏产品及建筑应用采用符合建筑要求的高质量光伏产品，开发建筑屋面、立面、幕墙、遮阳构件等场景的应用关键技术。n 新型建筑电力系统基于低碳/零碳目标，开展建筑光伏供配电优化、可再生能源多能互补及冷热电联供、光储直柔系统等应用。n 标准检测认证编制光电建筑设计、建筑光伏组件产品、建筑光伏系统检测等标准，对光电建筑产品及工程实施检测和认证。n 优质工程推广强化光电建筑的咨询、设计、建造能力，建成一批代表性的优质工程，征集案例并公开推广。