光伏幕墙建筑能效评估与提升策略

陈忠华， 陈致远， 王仁顺， 陈琳， 尹建兵， 王骏海， 江全元*

(1.杭州市电力设计院有限公司， 杭州 310012； 2.国网浙江省电力有限公司杭州供电公司， 杭州 310016；3.浙江大学电气工程学院， 杭州 310027)

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出[1]，中国能源革命有了清晰明确的发展路线和目标，清洁、低碳、安全、高效的能源转型目标将加快推动太阳能等可再生能源的发展；2017年《中国建筑能耗研究报告》数据显示，建筑能源消费约占全国能源消费总量的20%[2]，预计到2050年，建筑部门节能减排潜力将达到74%，可减少碳排放量约50%，因此建筑节能是实现中国碳排放目标的关键[3]。光伏系统与建筑物结合具有节约土地、调峰填谷以及降低能耗等多重作用，在城市中具有良好的发展前景[4]。

目前对于光伏建筑一体化(building integrated photovoltaic, BIPV)技术的研究，国内外已有一些研究成果。文献[5]采用EnergyPlus软件对巴西地区建筑进行能耗模拟分析，证明了半透明光伏玻璃的应用价值；文献[6]研究了光伏玻璃发电性能与建筑能耗之间的关系，分析了不同地域下光伏玻璃建筑节能差异；文献[7]对比了意大利地区钙钛矿光伏玻璃与普通玻璃的建筑能耗水平，分析了光伏玻璃在节能方面的优势。文献[8]将太阳能板与通信楼建筑物相结合，提出了北京地区建筑光伏一体化的设计方案并进行经济性评价。文献[9]研究了雨水花园与光伏系统协同设计方案，结果表明该项目具有良好的环境价值和经济效益。但目前光伏建筑一体化的研究视角较为单一，缺乏对影响建筑能耗和光伏发电量的因素综合分析，并且对碳排放效益考虑较少，对光伏幕墙应用价值挖掘不够全面。

基于能耗分析和经济性评价的建筑能效评价方法，借助Dest-C软件进行杭州地区某办公建筑物分别加装普通玻璃和光伏幕墙能耗模拟，基于PVsyst软件对光伏幕墙发电量进行仿真计算，在此基础上对光伏幕墙建筑进行节能效果与经济性评价，以杭州办公建筑仿真模型为例提出了建筑能效提升策略。

1 光伏幕墙建筑能效评估模型

通过建立能耗分析模型和经济性评价模型，对光伏幕墙建筑方案进行能效评估。

1.1 能耗分析模型

能耗分析模型包括能耗影响因素分析和相关性分析两部分。

1.1.1 能耗影响因素分析

将不同时段、不同设备类型的能耗总量进行对比，分析室内能耗受季节等因素影响的变化趋势；对比不同倾角、朝向、环境温度下光伏幕墙发电量的变化情况，从而综合考虑建筑能耗影响因素。

1.1.2 相关性分析

某一区域的能耗可能与多种因素有关，通过灰色关联分析，可得到不同因素与能耗之间的关联程度；同理，可以得到不同因素与光伏幕墙发电之间量的相关程度。灰色关联分析具体步骤如下[10]。

(1)确定参考序列X0={x0(1),x0(2),…,x0(n)}；其中n表示参考序列维度；选取m个比较序列Xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)}(i=1,2,…,m)。

(2)对X0和Xi进行无量纲处理[10]。

(3)计算灰色关联系数ξi(k)，公式为

ξi(k)=

(1)

式(1)中：ρ为分辨系数，取值范围[0,1]。

(4)计算参考序列和比较序列之间的灰色关联度γ，公式为

(2)

(5)根据灰色关联度大小排序，分析各比较序列对参考序列的影响。

此外，为对比不同类别建筑能耗和温度等因素之间的正、负相关性，可采用Pearson相关性系数评估，公式为

(3)

1.2 经济性评价模型

1.2.1 静态投资回收期

静态投资回收期(static payback period, SPP)是指不考虑时间成本时项目收回投资所需时间，广泛应用于项目经济性评价[12]。对于光伏幕墙建筑项目，假设项目投运后各年净收益均相同，则SPP的计算公式为

(4)

式(4)中：LCC(life cycle cost)为在不考虑时间成本情况下项目全寿命周期费用；Apr为项目每年净收益。

1.2.2 效益费用比

效益费用比(benefit-cost ratio, BCR)是指项目全寿命周期效益与全寿命周期费用的比率[13]，是项目经济性分析的辅助评价指标，其计算公式为

(5)

式(5)中：RCC为不考虑资金的时间价值下，项目全寿命周期效益；LCC 为全寿命周期投入成本。当BCR大于1时，说明项目设计方案经济上是可行的，即项目投运产生的效益大于投入的成本费用；并且BCR值越高，代表项目盈利效果越好。

1.2.3 减排环境效益

目前中国电源结构中仍以火电为主，截至2020年底，浙江电网装机容量为10 142万kW，以火电装机容量占比最高，达到60.2%。建筑物安装光伏幕墙后可以代替常规燃煤机组提供电能，减少CO2等温室气体及污染物的排放，减少排放物造成的环境治理成本为

(6)

(7)

式(7)中：EPV为光伏幕墙发电量。

2 光伏幕墙建筑能效评估方法

2.1 仿真建筑简介

以杭州市某办公大楼为例，该建筑为3层，办公楼每层楼高3.6 m，面积为504 m2。共12间办公室，每个办公室为6 m×6 m的房间，并向外设窗户，中间设有一条2 m×36 m的走廊。南、北向单面墙总面积为3.6×6×6×3=388.8 m2，东、西侧墙面总面积为(6+6+2)×3.6×3=151.2 m2。建筑仿真模型轴测图如图1所示。该建筑功能为办公室，通风设定为房间与房间、房间与外部环境都有通风口。

图1 仿真建筑轴测图Fig.1 Axonometric drawing of simulated building

2.2 光伏幕墙发电仿真

PVsyst是一款光伏系统设计辅助软件，可用于光伏发电系统发电量模拟计算[15]。PVsyst软件中光伏电池特性表示为

(8)

式(8)中：Iph为光生电流，与光照强度和面积成正比；I0为二极管反向饱和电流；q为电子电荷，取1.6×10-19C；A为二极管发射系数；k为玻尔兹曼常量，取1.38×10-23J/K；U、I分别为光伏电池的开路电压和输出负载电流；Tc为环境温度；Rs、Rsh分别为光伏电池等效模型中的串联和并联电阻[16]。

杭州地区全年环境参数如表1所示。Ieff的计算公式为

表1 杭州地区全年环境参数Table 1 Annual environmental parameters in Hangzhou area

Ieff=IInc-IShd-IIAM-ISlg

(9)

式(9)中：IShd、IIAM、ISlg分别表示阴影遮挡、相对投射率、灰尘遮挡3个因素导致辐照量减少量。

2.3 建筑能耗仿真模拟

建筑能耗模拟工具采用清华大学研发的DeST-C软件平台，该平台在建筑能耗模拟中应用广泛，可用于建筑设计方案比较以及建筑节能评估[17]，建筑模型参数设定如下。

2.3.1 围护结构

建筑的围护结构材料及参数如表2所示，其中导热热阻等参数用于评估围护结构的保温性能。

表2 围护结构物理参数Table 2 Physical parameters of enclosure structure

2.3.2 热扰参数

办公室不同日类型、不同时段的人员密度不同，设置人员、灯光、设备的热扰参数如表3所示。

表3 人员、灯光、设备的作息时间及热扰参数Table 3 Working and rest time and heat disturbance parameters of personnel, lighting and equipment

2.3.3 能耗设备定义

建筑的能耗系统主要包括空调、照明、动力等系统，对各能耗系统进行设备选型以及系统定义。

(1)空调系统。空调系统是建筑的主要耗能系统之一，设置建筑的空调季为每年6—8月，采暖季为每年11月中旬—次年3月中旬。在绘制建筑结构图时每层楼设置一个空调系统，系统类型为风机盘管+新风。空调系统的冷源类型为离心式电制冷机，热源类型为燃气热水锅炉，设备容量均依据建筑负荷确定。

(2)照明系统。建筑在白天和黑夜的照明能耗不同，照明系统在计算能耗时可以分析窗墙比对照明能耗的影响，DeST-C软件支持对建筑进行阴影和采光计算，可以对一年建筑的自然采光情况进行模拟。

(3)动力系统。建筑的动力系统主要考虑了电梯、通风机的能耗。电梯型号选择办公类直梯，额定功率26 kW，能量回收效率为10%；通风机型号选择办公室汽车库变频通风机，额定流量为1 000 m3/h，额定扬程为1 000 Pa，额定效率为60%。

3 算例分析

针对第2节介绍的办公建筑以及相关物理参数，分别采用PVsyst软件和DeST-C软件进行光伏幕墙发电量模拟和建筑能耗仿真(加装普通玻璃和光伏幕墙)计算，采用第1节介绍的光伏幕墙建筑能效评估模型对建筑方案进行综合能效评估。

3.1 光伏幕墙发电量结果分析

设置光伏幕墙安装在建筑南面，安装倾角为90°。以一年为仿真时长，图2展示了不同月份的光伏玻璃幕墙发电量的变化情况，光伏玻璃幕墙一年发电量累计为33.2 MW·h，上网发电量为32.4 MW·h，受到光伏阵列效率和逆变器效率等因素影响，系统平均转换效率为85%。

图2 光伏幕墙各月发电量Fig.2 Monthly power generation of photovoltaic curtain wall

当改变光伏玻璃倾角时，年发电量及转换效率的变化如表4所示。可以看出，当光伏玻璃的安装倾角从90°(竖直方向)不断倾斜到50°的过程中，年发电量不断增加，因为倾角为90°时夏季光伏幕墙平面得到的有效辐照量IInc与环境中的辐照量有较大差距。

表4 安装倾角对发电量的影响Table 4 Influence of installation angle on power generation

改变光伏幕墙的朝向，窗前比均为0.9，即在建筑的不同面安装光伏玻璃幕墙，年发电量如表5所示。由于不同朝向光伏玻璃幕墙面积以及得到的辐照量不同，光伏幕墙年发电量不同，建筑朝南面安装光伏玻璃的年发电量比建筑北面安装光伏玻璃的年发电量明显增加，而建筑东面和西面安装光伏玻璃的效果相同。

表5 幕墙朝向对发电量的影响Table 5 Influence of curtain wall orientation on power generation

采用灰色关联分析计算光伏幕墙发电量与温度、辐照量等因素之间的关系，灰色关联排序结果如表6所示，结果表明光伏幕墙发电量主要影响因素为有效辐照量。

表6 光伏幕墙发电量影响因素的灰色关联度和关联序Table 6 Gray correlation degree and correlation order of factors of photovoltaic curtain wall power generation

3.2 建筑能耗模拟结果分析

以建筑物加装普通玻璃为例，窗墙比设置为0.5，分析建筑的能耗水平及影响因素。该建筑的总面积为1 512 m2，总空调面积为1 512 m2，不同形式的能源折算值如表7所示。

表7 能源折算关系Table 7 Energy conversion relationship

3.2.1 建筑总能耗

办公建筑一年总能耗如表8所示，主要消耗能源形式是电能和天热气，一年总电耗为29.88万kW·h，单位面积电耗值为197.61 kW·h/(m2·a)。一年消耗能源折合成等效电能的总耗量为36.36万kW·h，单位面积能源折合电耗值为240.47 kW·h/(m2·a)。参照GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》，夏热冬冷地区A类和B类商业办公建筑的能耗指标约束值分别为85 kW·h/(m2·a)和110 kW·h/(m2·a)，因此该模拟办公建筑的单位面积能耗高于约束值，能耗较高，需要采取措施降低能耗。

表8 建筑总体能耗Table 8 Total building energy consumption

3.2.2 建筑分月能耗

从时间角度分析该建筑逐月能耗情况如图3所示，可以看出该建筑电耗较高的时间出现在6—8月，在一年的夏季时段；而天然气消耗较高出现在冬季，由于电耗是该办公建筑的主要能耗来源，因此该建筑能耗高峰期为夏季。

图3 建筑逐月能耗Fig.3 Monthly building energy consumption

3.2.3 建筑分项能耗

分项建筑能耗中空调、照明、设备、电梯、给排水、通风分别耗电量如表9所示，建筑分项能耗所占比例如图4所示，可以看出该办公建筑中耗能较大的为空调、电梯、设备和照明，所占比例分别为36%、26%、18%和16%。

图4 分项能耗所占比例Fig.4 Percentage of sub-item energy consumption

表9 建筑分项能耗Table 9 Building sub-item energy consumption

分项建筑能耗和单位面积建筑能耗逐月变化情况分别如图5和图6所示。

图5 分项能耗逐月分布情况Fig.5 Monthly distribution of sub-item energy consumption

图6 单位面积分项能耗分布情况Fig.6 Distribution of sub-item energy consumption per unit area

根据图5和图6可以看出，空调电耗较高的时间出现在6—8月，主要原因是夏季空调能耗较高；照明电耗较高的时间出现在1—3月及11—12月，主要原因是冬季日照时间减少、自然采光较弱；给排水电耗较高的时间出现在1—4月及10—12月，主要原因为冬季燃气热水锅炉供暖能耗需求增加；设备电耗、电梯电耗、通风电耗在一年中分布较为均匀。

3.2.4 相关性分析

采用灰色关联分析计算建筑能耗与影响因素之间的关系，结果如表10所示，能耗与温度之间的相关性最大，因此不同月份之间能耗差异较大。

表10 建筑能耗影响因素的灰色关联度和关联序Table 10 Gray correlation degree and correlation order of factors of building energy consumption

建筑分项能耗与温度之间的Pearson相关性系数矩阵如图7所示。

指标1表示温度，指标2～7分别代表空调、照明、设备、电梯、给排水、通风能耗图7 温度和分项能耗Pearson相关性系数矩阵Fig.7 Pearson correlation coefficient matrix of temperature and sub-item energy consumption

由图7可知，空调能耗受温度影响最大，并且成呈正相关，因此夏季空调能耗较高；照明和给排水能耗和温度之间也存在较高的相关性，呈负相关。

3.3 光伏幕墙节能效果及经济性评价

对比建筑加装普通玻璃和光伏幕墙建筑能耗变化情况，通过经济性评价分析光伏幕墙项目的经济可行性。

3.3.1 节能效益计算

选取办公楼南面安装光伏玻璃幕墙，窗墙比为0.9，光伏玻璃幕墙总面积为350 m2。光伏玻璃的光学物理参数如表11所示。

表11 玻璃光学参数Table 11 Optical parameters of glass

通过对比安装光伏幕墙前后建筑一年冷热负荷变化以及幕墙发电量来评估安装光伏幕墙对建筑总耗能的影响，结果如表12所示。

根据表12可知，由于玻璃幕墙的反射和隔热效果以及发电量，光伏幕墙建筑总耗能比普通玻璃降低71.76 MW·h，按照商业用电0.67 元/(kW·h)计算安装光伏玻璃后节约的电费为48 079.2元。

表12 建设光伏幕墙前后节能量Table 12 Energy saving before and after the construction of photovoltaic curtain wall

3.3.2 经济性评价

目前光伏玻璃幕墙的成本主要包括光伏幕墙材料费用、光伏幕墙安装人工费、光伏建筑电气部分费用，光伏幕墙的建设投资费用为1 000～2 000 元/m2。根据静态投资回收期、效益费用比分析不同光伏幕墙建设成本下光伏建筑的经济性[18]。

(1)静态投资回收期。不同光伏幕墙建设成本下，投建光伏幕墙项目的静态投资回收期如表13所示。

由表13可知，随着单位面积光伏幕墙成本的提高，光伏幕墙项目的静态投资回收期不断增加，光伏幕墙的寿命周期一般为20～25年，在目前的幕墙成本范围内，建设光伏幕墙建筑的投资回收期小于光伏建筑的寿命期，表明项目投资能在规定的时间内收回成本，在经济上可以接受。

表13 不同投建成本下静态投资回收期Table 13 Static payback period under different investment and construction costs

(2)效益费用比。假设光伏幕墙寿命周期为20年，不同光伏幕墙建设成本下，项目的效益费用比如表14所示。

由表14可以看出，随着幕墙成本的提高，光伏幕墙项目的效益费用比不断减小，但在目前光伏幕墙成本的范围区间内，项目的效益费用比均大于1，因此办公建筑南面建设光伏幕墙在经济上可行。

表14 不同投建成本下效益费用比Table 14 Benefit cost ratio under different investment and construction costs

(3)碳排放环境效益。根据建筑配置光伏幕墙后节能量以及燃煤机组单位电量排放物的排放密度和处理成本[12]，光伏幕墙在20年寿命周期内总的减排量和环境效益如表15所示，减少CO2排放量为1 180.89 t，总环境效益达到156 331.87 元。

表15 光伏幕墙减排环境收益Table 15 Environmental benefits of photovoltaic curtain wall emission reduction

3.4 建筑能效提升策略

对比加装普通玻璃和光伏幕墙建筑能耗以及结合建筑能耗影响因素和光伏幕墙发电量影响因素，得到建筑能效提升策略如下。

(1)对比建筑物加装普通玻璃和光伏幕墙能耗，由于玻璃幕墙的反射和隔热效果，冷、热负荷峰值均下降，并且光伏幕墙可以提供电力补偿量，因此加装光伏幕墙可以有效提升建筑能效水平。

(2)针对建筑能耗影响因素，温度和窗墙比对建筑能耗影响较大，因此在设计光伏幕墙时应重视窗墙比的影响；建筑分项能耗中，空调和电梯两者占总能耗比例超过60%，因此需要重点进行节能方案设计，可通过考虑能耗指标和用户舒适度指标建立节能优化模型降低建筑能耗[19]。

(3)由于光伏幕墙发电量可以降低建筑能耗，因此影响光伏幕墙发电量的因素也会影响建筑能耗，在设计光伏幕墙安装时可通过选择合适倾角和朝向提高有效辐照量，从而提高光伏幕墙发电量和降低建筑能耗。

4 结论

本文提出了基于能耗分析和经济性评价的建筑能效评价方法，以杭州地区某办公建筑物为例，采用DeST-C软件和PVsyst软件进行能耗仿真计算和光伏幕墙发电量模拟，验证了加装光伏幕墙对建筑能效的提升作用，采用经济性评价模型分析了光伏幕墙建筑项目的经济可行性和环境价值，提出了建筑能效提升策略，得到如下主要结论。

(1)灰色关联分析结果表明，影响光伏幕墙发电量的主要因素是有效辐照量，和建筑能耗相关性最高的因素是环境温度。

(2)建筑物配置光伏幕墙和普通玻璃相比，光伏幕墙总耗能比普通玻璃降低71.76 MW·h，加装光伏幕墙可有效提升建筑能效水平。

(3)在目前的幕墙成本范围内，光伏幕墙建筑项目的投资回收期小于光伏建筑的寿命期，效益费用比均大于1，在20年寿命周期内可减少CO2排放量为1 180.89 t，总环境效益达到156 331.87 元，具有良好的经济价值和环境价值。