BIPV光電建筑實(shí)施路徑探討

光電建筑實(shí)施路徑探討張昕宇博士中國(guó)建筑科學(xué)研究院研究員/博士生導(dǎo)師環(huán)能科技太陽(yáng)能應(yīng)用研究中心主任中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)光電建筑專委會(huì)秘書長(zhǎng)2021年12月綱要1推廣背景及潛力綱要2/光電建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)3光伏與建筑結(jié)合形式4新型建筑電力系統(tǒng)5/總結(jié)與建議21推廣背景及潛力根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，2018年中國(guó)碳排放約為100億tCO2，建筑運(yùn)行約21億tCO2（21%建筑業(yè)約18億tCO2（18%）。同美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，建筑運(yùn)行碳排放偏低，建筑材料和建造碳排放偏高。建筑領(lǐng)域減碳技術(shù)的效果存在時(shí)間上的延遲，需要累積產(chǎn)生效果。經(jīng)測(cè)算最早達(dá)峰時(shí)間為2023年。其中光伏是構(gòu)成建筑新型電力系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)建筑低碳、零碳運(yùn)行的必要途徑。碳排放（碳排放（億tCO2）2020年2020年aa2021年2022年2023年2024年2025年2026年2027年2028年2029年2030年2031年2032年2033年2034年2035年2021年2022年2023年2024年2025年2026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 —金—近零快速推廣+2億改造331推廣背景及潛力《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB55015-2021自2022年4月1日實(shí)施。全文強(qiáng)制，必須嚴(yán)格執(zhí)行建筑碳排放計(jì)算作為強(qiáng)制要求覆蓋面廣，涉及新建建筑、既有建筑、可再生能源系統(tǒng)、施工調(diào)試驗(yàn)收與運(yùn)行管理等內(nèi)容新建建筑節(jié)能設(shè)計(jì)水平進(jìn)一步提升新增溫和地區(qū)工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)指標(biāo)要求暖通空調(diào)系統(tǒng)效率和照明要求全面提升“5.2.1新建建筑應(yīng)安裝太陽(yáng)能系統(tǒng)?！薄?.2.3太陽(yáng)能系統(tǒng)應(yīng)做到全年綜合利用，根據(jù)使用地的氣候特征、實(shí)際需求和適用條件，為建筑物供電、供生活熱水、供暖或（及）供冷?！?推廣背景及潛力國(guó)家能源署光伏項(xiàng)目組（IEA-PVPS）預(yù)測(cè)目前歐洲光電建筑市場(chǎng)增長(zhǎng)約200-300MW/年，全球光電建筑市場(chǎng)增長(zhǎng)約為我國(guó)既有建筑光伏裝機(jī)潛力達(dá)100億m2，年發(fā)電量為1.5萬億kWh/年；新建建筑每年新增光伏裝機(jī)潛力1.2億m2/年，每年新建系統(tǒng)的年發(fā)電量為180億kWh/年。光電建筑是光伏行業(yè)新興應(yīng)用場(chǎng)景，處于市場(chǎng)爆發(fā)前夜。歐洲發(fā)展?jié)摿W洲發(fā)展?jié)摿ㄖ夥到y(tǒng)可安裝面積中國(guó)發(fā)展?jié)摿ㄖ夥到y(tǒng)可安裝面積中國(guó)發(fā)展?jié)摿p碳潛力（發(fā)電量）180億kWh/年180億kWh/年51推廣背景及潛力由中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)光電建筑專委會(huì)組織編制《光電建筑典型案總體梳理我國(guó)光電建筑發(fā)展情況，為行業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)，為政府、主管部門及全社會(huì)提供技術(shù)支撐。工業(yè)建筑公共建筑辦公建筑商業(yè)建筑居住建筑其他應(yīng)用50工業(yè)建筑公共建筑辦公建筑商業(yè)建筑居住建筑其他應(yīng)用50975%30%52%13%《案例集》項(xiàng)目數(shù)量及裝機(jī)容量情況統(tǒng)計(jì)2光電建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)n光電建筑規(guī)劃與布局建筑及所在園區(qū)日照、視覺、防眩光等一致性要求。建筑光伏陣列本體無遮擋，并不降低相鄰建筑的日照標(biāo)準(zhǔn)。置于屋面、立面等建筑外表皮的光伏陣列與建筑主體的外觀形態(tài)應(yīng)該保持協(xié)調(diào)、美觀。園區(qū)、廣場(chǎng)、步行街及旅游景觀，特別注意把控整體的色調(diào)和效果。既有建筑改造項(xiàng)目，做好視線影響分析。75.2.4太陽(yáng)能建筑一體化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)與建筑設(shè)計(jì)同步完成。建筑物上安裝太陽(yáng)能系統(tǒng)不得降低相鄰建筑的日照標(biāo)準(zhǔn)。72光電建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)n光電建筑外觀及特殊要求平屋面設(shè)置最佳傾角，與坡屋面一體化安裝。屋面外露的光伏陣列，采用女兒墻等構(gòu)件對(duì)感觀突出的部位進(jìn)行適當(dāng)圍擋。建筑構(gòu)件對(duì)光伏組件的遮擋計(jì)算，避免對(duì)前排光伏組件的發(fā)電造成不利影響。應(yīng)選用一體化效果良好、無色彩的光伏組件，根據(jù)建筑模數(shù)開展光伏瓦、光伏幕墻的整體布局，保證主體美觀。非阻燃材料上不能加裝光伏組件，木檁條坡屋面應(yīng)采取防火隔離措施。82光電建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)n光電建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)要求房屋、場(chǎng)地及環(huán)境條件勘察與安全性評(píng)估。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料、耐久性、安裝部位的構(gòu)造及強(qiáng)度。主體和承重結(jié)構(gòu)改動(dòng)的復(fù)核。光伏陣列自重、風(fēng)荷載、雪荷載、檢修荷載和地震影響?；A(chǔ)、光伏支架、支撐金屬件及連接等。防水層與保溫層連續(xù)。5.2.2在既有建筑上增設(shè)或改造太陽(yáng)能系統(tǒng)，必須經(jīng)建筑結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，并應(yīng)滿足建筑結(jié)5.2.2在既有建筑上增設(shè)或改造太陽(yáng)能系統(tǒng)，必須經(jīng)建筑結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，并應(yīng)滿足建筑結(jié)構(gòu)的安全性要求。5.2.5太陽(yáng)能系統(tǒng)與構(gòu)件及其安裝安5.2.5太陽(yáng)能系統(tǒng)與構(gòu)件及其安裝安全，應(yīng)符合下列規(guī)定：1應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)、電氣及防火安全的要求；2由太陽(yáng)能集熱器或光伏電池板構(gòu)成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)滿足相應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性3安裝太陽(yáng)能系統(tǒng)的建筑，應(yīng)設(shè)置安裝和運(yùn)行維護(hù)的安全防護(hù)措施，以及防止太陽(yáng)能集熱器或光伏電池板損壞后部件墜落傷人的安全防護(hù)設(shè)施。92光電建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)n光電建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)要求示例方法：屋頂增設(shè)混凝土柱墩，柱墩上部架設(shè)鋼梁，鋼梁上部由光伏廠家設(shè)計(jì)支架并配合安裝。2光電建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)n光電建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)要求示例方法：對(duì)于磚砌體墻，無法直接做埋件，可在磚墻上增設(shè)豎向或者橫向方鋼管，其余光伏構(gòu)件再與該方鋼管連接2光電建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)n光電建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)要求75752587575258387258示例方法：采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，并選用滿足透光性設(shè)計(jì)要求、幕墻相關(guān)技術(shù)的要求的光伏組件。2光電建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)n光電建筑防火性能山西某光伏系統(tǒng)蘋果公司亞利桑那光伏系天津中新生態(tài)城建筑光伏組件SBI燃燒性能測(cè)試與分析燃燒室、試驗(yàn)設(shè)備（小推車、框架、燃燒器、集氣罩、收集器和導(dǎo)管）、排煙系統(tǒng)、分析及測(cè)量系統(tǒng)、除塵裝置等山西某光伏系統(tǒng)蘋果公司亞利桑那光伏系天津中新生態(tài)城建筑光伏組件SBI燃燒性能測(cè)試與分析燃燒室、試驗(yàn)設(shè)備（小推車、框架、燃燒器、集氣罩、收集器和導(dǎo)管）、排煙系統(tǒng)、分析及測(cè)量系統(tǒng)、除塵裝置等SBI試驗(yàn)裝置2光電建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)n光電建筑防火性能單晶硅組件碲化鎘薄膜組件銅銦鎵硒薄膜組件光伏組件燃燒增長(zhǎng)速率指數(shù)FIGRA0.2MJ（W/s）燃燒性能某單晶硅光伏組件145.805B1難燃材料中的C級(jí)某碲化鎘薄膜光伏組件88.23920.406B1難燃材料中的B級(jí)某銅銦鎵硒薄膜光伏組件69.7209.622B1難燃材料中的B級(jí)3光伏與建筑結(jié)合形式附加型（在平屋頂、坡屋面上順坡架空安裝、與墻面平行安裝）根據(jù)用戶需要靈活布置，采用常規(guī)組件即可實(shí)現(xiàn)，結(jié)合度低，安裝簡(jiǎn)便。構(gòu)件型（與建筑構(gòu)件組合或一體化構(gòu)造，如根據(jù)建筑要求定制、由組件構(gòu)成的雨蓬或遮陽(yáng)板）兼顧建筑整體造型、遮雨遮陽(yáng)等特定功能、安全性、美觀等要求，還要保證組件發(fā)電效率。建材型（與玻璃等建筑材料復(fù)合在一起，組成建筑構(gòu)件或建筑材料，如光伏瓦、光伏玻璃幕墻、光伏采光頂?shù)龋┙M件充當(dāng)屋面、墻面材料，具有保溫、防水、隔斷、隔音等功能，而建筑物應(yīng)具備節(jié)能、美觀等特性。5.2.9光伏組件設(shè)計(jì)使用壽命應(yīng)高于25年，系統(tǒng)中多晶硅、單晶硅、薄膜電池組5.2.9光伏組件設(shè)計(jì)使用壽命應(yīng)高于25年，系統(tǒng)中多晶硅、單晶硅、薄膜電池組件自系統(tǒng)運(yùn)行之日起，一年內(nèi)的衰減率應(yīng)分別低于2.5%，3%和5%，之后每年衰減應(yīng)低于0.7%。5.2.12太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)光伏組件在設(shè)計(jì)安裝條件下光伏電池5.2.12太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)光伏組件在設(shè)計(jì)安裝條件下光伏電池最高工作溫度設(shè)計(jì)其安裝方式，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行.3光伏與建筑結(jié)合形式附加式光伏光伏屋面整合式3光伏與建筑結(jié)合形式干掛式構(gòu)件式光伏光伏幕墻呼吸式3光伏與建筑結(jié)合形式n關(guān)鍵技術(shù)：建筑光伏組件熱工特性與綜合節(jié)能性能11綜合節(jié)能性能綜合節(jié)能性能兼顧光伏組件發(fā)電量提升和組件對(duì)建筑冷熱負(fù)荷的影響，建立建筑立面光伏組件綜合節(jié)能性能分析方法，研究光伏組件對(duì)建筑的綜合節(jié)能性能。22建筑適用性建筑適用性綜合考慮組件發(fā)電量和建筑物的供暖空調(diào)負(fù)荷特性,發(fā)現(xiàn)以熱負(fù)荷為主的居住建筑和以冷負(fù)荷為主的公共建筑立面適合安裝光伏組件。----!散熱\----!散熱\ 溫度升高 溫度升高!風(fēng)風(fēng)鍍鋅鍍鋅鐵皮密封3光伏與建筑結(jié)合形式n關(guān)鍵技術(shù)：建筑光伏組件熱工特性與綜合節(jié)能性能風(fēng)口間距和風(fēng)口尺寸對(duì)連續(xù)安裝光伏效率的影響分析：a)組件背板與立面間隙為d=0.2m時(shí)，連續(xù)安裝光伏組件將導(dǎo)致過熱，當(dāng)連續(xù)安裝高度Ha=10m時(shí)，無效通風(fēng)降溫措施時(shí)會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電效率減少1/20。b)通過設(shè)置合理的安裝間隙及通風(fēng)口垂直間距降溫，風(fēng)口垂直間距小于5m時(shí)對(duì)于光伏系統(tǒng)發(fā)電效率提升作用不明顯，綜合考慮溫度和效率的影響風(fēng)口垂直間距應(yīng)在5m~8m之間，通風(fēng)口尺寸取L=0.2m*0.2m為宜。3光伏與建筑結(jié)合形式n關(guān)鍵技術(shù)：建筑光伏組件熱工特性與綜合節(jié)能性能利用光伏組件與墻體、縱向防火封堵之間形成的空腔構(gòu)成自然通風(fēng)風(fēng)道。在風(fēng)道的底部設(shè)置散熱百葉，在風(fēng)道頂部采用風(fēng)管聯(lián)結(jié),利用風(fēng)機(jī)抽取空腔內(nèi)的氣體，通過氣體的流動(dòng)達(dá)到對(duì)光伏組件背板散熱和收集熱量的雙重作用。收集熱量可用于空氣源熱泵蒸發(fā)器集熱。3光伏與建筑結(jié)合形式n關(guān)鍵技術(shù)：建筑光伏組件熱工特性與綜合節(jié)能性能太陽(yáng)能光伏光熱（PVT）組件，根據(jù)嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)建筑用能需求特殊化定制。太陽(yáng)輻射穿過透明蓋板后，投射在光伏電池片和吸熱體組成的復(fù)合體上，既被電池片吸收轉(zhuǎn)換為電能，又被吸熱板吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，傳遞給傳熱工質(zhì)。溫度升高后的吸熱板通過導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射向四周散熱，形成熱損失。PVT相關(guān)數(shù)學(xué)模型、量化分析、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、工程應(yīng)用。Tf,outTf,inTf,out,n Tf,in,nTf,out,iTf,out,n Tf,in,nTf,out,i Tf,in,iTf,out, Tf,in,2Tf,out,1Tf,in,1dydyidydyWofahybridheatdissipationphotovoltaicthermalheatpumpundervariousambientconditionsonsummernight，大連理工大學(xué)光伏陣列光伏陣列4新型建筑電力系統(tǒng)5.2.11太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)給4新型建筑電力系統(tǒng)5.2.11太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)給出系統(tǒng)裝機(jī)容量和年發(fā)電總量。n關(guān)鍵技術(shù)：太陽(yáng)能光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法光伏供電能力與建筑負(fù)載需求在時(shí)空上的錯(cuò)位分布，適配不同場(chǎng)景、功能的系統(tǒng)形式。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)?；诩夹g(shù)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)的儲(chǔ)能系統(tǒng)性能化設(shè)計(jì)方法。的匯流箱均衡性交流負(fù)載MPPT控制器匯流箱均衡性交流負(fù)載MPPT控制器逆變器蓄電池組蓄電池組光伏發(fā)電系統(tǒng)交流供電系統(tǒng)直流供電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)交流供電系統(tǒng)不同的系統(tǒng)應(yīng)用形式不同的系統(tǒng)應(yīng)用形式光伏供電能力與建筑負(fù)載需求在時(shí)空上的錯(cuò)位分布光伏供電能力與建筑負(fù)載需求在時(shí)空上的錯(cuò)位分布4新型建筑電力系統(tǒng)n以可再生能源為冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)，通過合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)提高能源利用率。通過電、氣、冷、熱的互補(bǔ)調(diào)度和能源管理，降低用能成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。丹麥、奧地利等開展區(qū)域聯(lián)供系統(tǒng)示范；日本、丹麥等建成可再生能源示范城市。國(guó)家能源局推動(dòng)數(shù)十個(gè)多能源互補(bǔ)集成工程、新能源微電網(wǎng)和智慧能源示范項(xiàng)目。4新型建筑電力系統(tǒng)n關(guān)鍵技術(shù)：可再生能源熱電聯(lián)供技術(shù)應(yīng)用Q'Load,H,DHeatLoadusingASHPHeatLoadusingASHPHeatProductionbyASHPLoadQ'Product-S,H,DQ'Product-SAHP,H,DHeatProductionbyASHPQStorage,H,DProductionQStorage,H,D+1Storage0τD12H0τ'D+112H0D一DQ'Load,H,DHeatLoadusingASHPHeatLoadusingASHPHeatProductionbyASHPLoadQ'Product-S,H,DQ'Product-SAHP,H,DHeatProductionbyASHPQStorage,H,DProductionQStorage,H,D+1Storage0τD12H0τ'D+112H0D一D+1-Input:?太陽(yáng)能?空氣熱能?光伏Output:?供暖?空調(diào)?供電integrate:4新型建筑電力系統(tǒng)n關(guān)鍵技術(shù)：光伏直驅(qū)建筑電氣設(shè)備光伏直驅(qū)空調(diào)、直流照明、直流辦公負(fù)載光伏發(fā)電系統(tǒng)+光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)+發(fā)用電一體化管理系統(tǒng)。光伏能直驅(qū)利用率達(dá)99.04%，系統(tǒng)效率比常規(guī)光伏發(fā)電系統(tǒng)+變頻離心機(jī)系統(tǒng)模式提高了6%-8%。通過發(fā)用電一體化管理系統(tǒng)，結(jié)合光伏發(fā)電管理技術(shù)和中央空調(diào)群控技術(shù)，對(duì)分布式控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)純光伏系統(tǒng)、光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)系統(tǒng)、空調(diào)輔助設(shè)備及末端進(jìn)行集中控制。4新型建筑電力系統(tǒng)n關(guān)鍵技術(shù)：建筑光儲(chǔ)直柔配電系統(tǒng)光儲(chǔ)直柔（PEDF在建筑領(lǐng)域應(yīng)用太陽(yáng)能光伏（Photovoltaic）、儲(chǔ)能(Energystorage）、直流配電（Directcurrent）和柔性交互（Flexibility）四項(xiàng)技術(shù)。光儲(chǔ)直柔是發(fā)展零碳能源的重要支柱，有利于直接消納風(fēng)電光電。4新型建筑電力系統(tǒng)n關(guān)鍵技術(shù)：建筑光儲(chǔ)直柔配電系統(tǒng)