光伏建筑一体化与产能建筑

牛芝雅，鞠振河

（沈阳工程学院a.研究生院；b.新能源学院，辽宁 沈阳 110136）

1 概述

被动房最初的设计思想是希望能够设计出一套可以不依靠任何外加的热源来度过寒冷冬季的房子。而实际上真正的第一件被动式作品是一艘考察船，这艘考察船是在1883年由挪威建造的。即使在北极或者南极这种极端的气温下，都可以做到不使用任何的辅助采暖设备就能够使船内一直保持在一个舒适的温度。当时采用的方法是降低船体的热桥，使船体的保温性能尽可能的好。在1990年才真正建造出世界上第一栋被动房建筑，这是一栋具有实验性质的被动房建筑。在这一百年内，欧洲各国尝试了各种方法去建造被动房，期间设计出的诸多低能耗建筑给未来的被动房建筑设计奠定了基础。

德国提出了最新的《节能法》，要求在2021年之后实施建造的建筑要达到“近零能耗建筑”的标准，到2050年所有存在的建筑均为“近零能耗建筑”。对达到被动房标准的建筑，德国被动房研究院可以对其进行被动房的认证。德国被动房建筑标准体系是一套完整的技术标准体系。被动房这个词是德国被动房研究所所拥有的知识产权体系，是一个受知识产权保护的一个关键词。所以，在讨论被动房的时候要对德国被动房与中国被动房加以区分［1］。

德国政府将产能型建筑列为未来房屋发展计划，同时对多个团队进行投资，尝试设计并建造试点建筑，用来进行相关的研究。

被动房在中国的前景无疑是巨大的。由于北方冬季的天气寒冷，冬季的供暖供热会产生巨大的碳排放量。同时因为房屋的设计，保温隔热性能较差，即使供热较好的建筑，室内温度也常常很低。而在中国的南方地区，冬季是没有供热的，室内温度常常在10℃以下，居住的环境非常不舒适，生活的质量大打折扣。

2 被动房是降低建筑能耗的关键手段

目前，我国的建筑节能标准的实行才刚刚起步。以50%的标准作为能源标准被普遍采用，与德国相比，即使是65%的能源标准，依然高于德国两倍以上。在90年代，德国制造出了第一座被动式建筑，简称被动房，这给日后建造各种被动房提供了有力的依据。该建筑的能耗也仅仅是普通的德国房屋能耗的30%。被动房依靠平时人体散热的温度，以及一些电器的散热，还有人的日常生活所产生的热量来维持室内的温度，使室内的温度时刻处于令人舒适的状态。被动房的原理并不复杂，只须通过合理的设计，高精准度的施工，选用合适的材料，就可以有效地提高建筑的保温能力、隔热性能和气密性能，同时利用新风系统，对能量进行循环回收以及再利用，从而最大限度的实现节能。能够有效地降低房屋能耗的关键技术就是被动房技术，如果能够满足以下标准，即可成为被动房：

1）采暖所消耗的一次能源每年每平方米不得超过15 kW·h；

2）总消耗的一次能源每年每平方米不得超过120 kW·h；

3）当室内与室外压差在50 Pa时，换气次数不得超过0.6次/h。

如果符合以上的几项参数，那么就意味着该建筑已经达到了被动房的标准［2］。

在设计被动房时，应当考虑建筑所在地的地理位置以及相应的气候环境，针对建筑的不同需求来采取相应的设计，被动房设计的重点在于避免屋内与屋外的冷热交换，所以应当采用保温隔热性能较好的材料，同时保证接缝处的气密性，避免热量从窗户或者其他有缝隙的地方损失。当屋内环境与屋外环境隔绝后，为了保证室内空气质量，应当采用相应的设计或者采用相应的设备来完成换气。这样就保证了在高质量的居住舒适条件的前提下，通过减少环境的热量损失，使能耗尽可能的少。

3 BIPV与BAPV

设计被动房之初是为了不使用任何附加热源而度过寒冷的冬季，而随着人们对生活质量的不断追求，不仅要让居住环境在冬季保持温度适宜，还应在夏天保持室内的凉爽。随着节能减排这个观念的提出，被动房在设计的时候会不断降低能源的消耗，同时采用清洁能源作为节能建筑的唯一能源。因此，太阳能建筑一体化这个概念就诞生了。

光伏系统与太阳能的结合方式一般分为两种：一是对现有的建筑用光伏系统进行改造，使其成为以太阳能供电的建筑，也可以称为光伏系统依附于建筑物，这种称为BAPV系统；另一种是将光伏组件作为建材，在建筑物的建造之初就将光伏组件融入到建筑物之中，也可称为光伏组件与建筑的一体化集成设计，这种系统也可称为BIPV系统。

3.1 建筑一体化光伏系统的优点

相比BAPV系统，对原有建筑物进行改造无疑是利用类似屋顶和墙壁这种现有无用位置，将太阳能组件安装到这些位置上，虽然这种安装形式可以有效地利用各种无用面积，但是美观性不足。而BIPV系统则有更多的优势，除了可以正常的发电，还为与建筑物集成的这种形式提供了很多的附属功能。相比BAPV系统，BIPV更具有美观性，同时光伏建材也有普通建材所具有的特点。这种材料不光能够发电，还具有比普通建材更好的性能，例如隔音、屏蔽辐射、减少热损失等。

虽然BIPV系统目前的发展前景非常广阔，甚至可以说是建筑发展的必然趋势，但是发展这项技术还面临着很多的困难以及挑战，主要分为3个方面：一是技术层面的问题；二是设计层面上的问题；三是经济层面上的问题。BIPV系统需要将光伏组件与建筑物高度集合，所以光伏组件的一些相关标准需要满足建筑物的相关标准以及法规，尤其需要达到建筑物的相关的安全标准，例如防火、电气安全以及机械强度。另外，还应该保证光伏建材相应的使用年限应该与一般的建材相匹配。所以，光伏建材的使用寿命必须要比一般的光伏材料长，同时还应该解决在使用中产生的高温问题，使光伏建材能够有效地降温。这些都是技术层面所面临的问题。设计层面上的问题主要是BIPV系统的组件需要在外观上与建筑物完美结合，从而让建筑物更加美观，颜色、安装方式以及耦合方式都是能够影响建筑物美观的设计层面问题，同时还不能影响建筑本身的功能，例如遮阳、挡雨等。在经济层面上，则是要使用光伏建材来代替原有的建材，从而降低系统的成本，而且通过选用的光伏材料应该具有较高的光电转化效率，这样的材料可以提高发电效率，能够进一步地降低系统的成本。

3.2 促进光伏建筑一体化发展的有效措施

为了能够有效地解决以上问题，同时促进光伏建筑一体化的发展，可尝试采取下列措施：

1）尽可能的降低成本，提高太阳能与其他能源的竞争力。优化系统结构以及组件的结构，在能够满足系统安全以及结构的机械强度的前提下，尽可能的减少材料的使用。在设计时，应该尽量优化设计，从而使系统的排线简单明了，减少电缆线路的使用。同时，政府应该鼓励在建筑设计时采用光伏建筑一体化。

2）尽可能的提高光伏系统的效率。从技术上研发效率更高的光伏组件以供使用。每个案例应该针对具体情况进行具体的设计来满足不同建筑的不同需求，例如可以让太阳能电池组件尽量处于一个效率相对高的工作温度；针对不同建筑物的立面和屋顶，可以采用不同的逆变器的连接方式，选用集中逆变或者使用微逆变器提高系统的效率，采用最大功率点跟踪技术以及对这项技术进行优化，以最大化地利用太阳能；光伏组件在安装的时候要尽量选择光照充足的方位，在不影响美观的前提下，要尽量做到以最佳倾角安装。

3）提高系统的安全性。光伏组件既然作为建材使用，在满足建材标准与法规的前提下，针对不同的建筑物，应当采用适合的光伏建材，同时要对这些建材进行相关的安全测试，例如防火测试、电气安全相关测试，以及机械强度的测试。

4）应当尽快出台光伏建筑一体化的相关法律法规，使建筑商能够有相关的建筑依据与参考，有了相关的标准，才能够对是否符合标准进行统一的认证。

5）在使用光伏材料作为建材时，光伏材料都应具有建筑材料所具有的一般功能，在追求发电量最大化时，不能以牺牲一般建材的附加能力为代价。

6）开发新的光伏材料，提高光伏组件在建材上的竞争力。

4 产能建筑

所谓“产能建筑”，指的是建筑本身可以发电，在以满足自身能耗条件的前提下，将无法利用的多余能量送入电网，用来供给其他负载。“产能建筑”将重点放在节能以及产能上，同时还要求尽可能地使用绿色环保材料来减低碳排放量，在可以满足健康舒适的室内环境标准的前提下，应该最大限度地降低能耗，利用自然采光、自然通风或者利用人体散热以及家用电器的散热。产能型建筑的设计标准通常与被动房的设计相一致，并且要优于被动房。因此，在设计时要具有以下特点［3］：

1）使用保温性能高的建筑材料

使用保温隔热性能好的建筑材料，可以在冬季抵御室外的严寒，也可以在夏季抵挡住高温以及热辐射。因此，墙体可以采用蓄热能力较强的材料。高效的保温隔热是保证室内时刻处于宜居温度的关键。

2）保证建筑良好的气密性

针对建筑的门窗缝隙进行密封，可以提高建筑物的气密性，防止热量从这些缝隙中逸散，从而减少建筑内外环境的冷热量交换。室内温度的损失减少，用于维持相应温度所需的热负荷与冷负荷，达到节能的目的。除了门窗的缝隙之外，还应考虑墙体之间的缝隙，尤其是一些墙体内的穿墙预埋件，针对这些位置应当做相应的处理，防止热量从这些地方散失。

3）降低建筑的热桥

“热桥效应”是一种物理上的效应，它表示的是物体中的热量传导的一种效应，一般用来表示材料当中冷热交换比较巨大的地方，这种冷热交换比较密集并且巨大的位置就称之为热桥。热桥的存在加快了热量的损失，所以在设计建造时要尽量避免热桥的存在。针对热桥的存在，在建筑时应当将建筑物的外围包裹在保温层内，构件不允许贯穿保温层，要做好对建筑物的阴阳角的包角工作。

4）新风系统及新风热回收

当建筑内外相互独立时，被动换气无法提供足量的新空气，就需要用新风系统为建筑物内部进行空气更新，同时针对排出建筑物的废空气所携带的热量，利用新风热回收系统来回收这部分热量，从而减少能量的损失。

5）供暖供热功率较低

通过提高建筑物的保温隔热能力及建筑物的气密性，增设新风系统和新风热回收系统，实现屋内良好适宜的居住环境。当建筑物的保温隔热能力提高了之后，热能损失减少，供暖以及供热的负荷就降低了，从而实现了节能减排。

6）充分利用太阳能等可再生能源

被动房在降低房屋能耗的同时，也考虑使用太阳能作为房屋的能量来源。太阳能不仅仅能够提供电能，还能提供建筑所需的热能，例如热水、地热等。还可以把多种新型能源结合利用。

产能型建筑主要通过提高3个技术指标来做到开源节流：一是通过提高建筑的隔热能力，从而提高能源的利用率，防止能源的浪费；二是尽量降低能源的消耗，做到能源的节约；三是建筑物内的能源要采用可再生能源和绿色能源。

1）提高建筑能源利用率

在设计产能建筑时，建筑物的设计不应该过于宽敞，以防热量散发；在建筑物的周围避免有遮挡，以便于建筑物吸收热量，同时也能够让太阳能发电更加稳定；还要根据对温度需求的不同采用不同的建筑物朝向，合理的设计窗户的位置以及大小，南侧可以适当的开几扇窗户，而在北侧如果不是有必要的话，可以考虑不开窗户。太阳能电池的安装位置一般在屋顶的东、南、西三面墙上，要在这些位置留有一定的空间安装太阳能电池，如果留有的位置过大，则会影响窗户的面积从而影响屋内的采光；如果窗户的面积过大，则会影响太阳能电池的安装面积，从而影响建筑物的发电量。同时，建筑物的保温隔热一定要做好，还有建筑的气密性也要做到最佳，这些方面可以将被动房的设计标准作为建筑参考。

2）降低建筑能源消耗

产能型建筑最优先的设计目标是要做到自给自足，所以设计一栋产能建筑就是一个系统化的工程。家里的电器一般要选用能耗最低的电器，供暖系统和供热系统可以选用以太阳能作为能源的设备，使用能源控制系统对发电、储电和用电进行合理化的管理。新风系统可以将建筑物排出的废气中的热量进行回收再利用，减少热量的浪费，不仅可以对储能设备进行智能监管，防止储能元件温度过高，对电器设备造成损坏，同时也可以对储能设备的充放电进行控制，完成储能设备对电器供电方式的合理再分配。

3）利用可再生能源

产能建筑要使用一些比如太阳能等新能源作为能量来源，太阳能可以提供建筑所需的电能以及热能。建筑的设计要尽量考虑自然采光，利用新风热回收系统保证室内温度不宜过低。采用能量管理系统将白天太阳能产生的多余电能存储起来，到了夜间就可以用储能系统来给建筑物供电。储能系统的容量设计一般需要参考当地的气候，尤其是最大连续阴天数。如果蓄电池已经满电，同时发出的电能又高于建筑所耗的电能，可以将电能送入电网，以供其他负载使用。

由于产能建筑使用太阳能电池组件发电作为电能的主要来源，所以发电量受光照的影响非常大。因此，在设计产能建筑的时候要充分考虑该地区的气候、环境，以及往年的天气来决定该地区是否适合建造太阳能建筑。在设计产能建筑的朝向时，也应当将这些外在的因素纳入到考虑范围内，同时这些因素也能够决定光伏材料的安装方式。针对产能建筑设计相应的能量管理系统，以防因为对温度设置的不正确而影响了房屋的节能率，造成了不必要的浪费。对产能建筑增加能量监管系统，用来监测实时的发电量以及耗电量，以便于观察能源系统是否存在问题。因此，在设计以及建造产能建筑时，大力提倡使用新型的环保材料、可循环再生的建材，能源也应当采用清洁绿色能源，以此来降低房屋的碳排放量。

5 结论

产能型建筑的设计基础是零能耗建筑，但是相比零能耗建筑，产能建筑更具有优势。产能建筑的大部分能量来自于可再生能源或者绿色清洁能源，较传统能源相比，更能有效地降低碳排放量。通常采用太阳能电池作为建筑物的能量来源，供给建筑物内的一般电器使用。产能型建筑一般应当具有以下的特点：

1）与建筑物相结合，节省土地。适合在建筑物密集的城市中采用。

2）建筑一体化的材料是可以替代不同建材的，相比原本的系统，这种形式的光伏系统会更具有经济性。

3）光伏建筑一体化发电系统采用“自发自用”模式，在满足自身建筑的能耗的同时，多余的能耗可以卖给电网公司。

4）光伏建筑的装机容量一般比较小，所以当给电网送电的时候，并不会对电网造成很大的冲击，会减少对电网的损害。

5）光伏组件与建筑物相结合的这种形式，有效地利用了空间，同时取消了光伏组件的支架，节约了成本。

6）光伏组件安装在墙壁和屋顶，可以有效地降低墙面和屋顶的温度，从而降低屋内空调的负荷，改善了屋内的环境。

7）光伏材料包裹建筑物，增加了建筑物的科技感，从而提高建筑物的美观程度，而且可以起到良好的宣传作用。