如何在建筑行業中實現雙碳目標

“30·60”雙碳目標提出后，發展綠色建筑，推動能源清潔，低碳高效安全利用將成為實現碳達峰、碳中和和任務目標的重要途徑。光伏與建筑相結合是光伏應用中最重要領域之一，綠色建筑即以光伏為代表的清潔能源建筑應用迎來了快速的發展機遇期。結合工程實踐，對不同類型建筑中光伏系統可安裝部位進行研究，推導出光伏組件可安裝面積的計算方法，為光伏建筑推廣提供經濟上的測算依據。

建筑類型不同，光伏組件安裝部位不同

在工程應用中，可用于光伏組件安裝的主要有屋面、立面墻、幕墻、遮陽構件等幾個部位。除高層住宅外，其他建筑類型的屋頂部分，一般遮擋較少，適宜安裝光伏系統。而立面安裝，對于不同類型，使用功能需求不同的建筑，其光伏系統安裝的優先級也不同。

下面我們就常見類型的建筑安裝光伏系統的可行性和優先級進行分析。

住宅建筑  對于自然采光的要求較高，且建筑立面窗戶居多，實墻面小而散，安裝光伏系統經濟效益低。

大型商業建筑  建筑采光主要依靠內部照明，立面多為大面積的玻璃幕墻或實面墻，可利用這些立面資源安裝光伏系統。

辦公建筑  辦公區域對采光要求較高，而輔助空間采光要求不高，這部分區域的幕墻和墻面可安裝光伏組件；此外可結合辦公區域的遮陽需求，設置外置光伏遮陽構件。

文化建筑  建筑整體性較強，立面元素較為規整，對自然的光的要求較低，可充分利用立面資源安裝光伏組件。

不同建筑部位的光伏系統安裝面積比例

坡屋面安裝

1）坡屋面安裝比例影響因素

坡屋面主要應用于低層住宅建筑，朝向以南北向為主，坡度在20°至35°之間。由于屋面北坡安裝光伏系統效率過于低下，不建議安裝。

2）安裝面積比例

對于雙坡屋面而言，僅南坡適合安裝，約為屋面面積的50%；對于四坡屋面而言，優先考慮南坡，其次東、西坡也可以安裝，安裝面積約為屋面面積的70%。由于坡屋面與地面水平夾角的三角函數關系，坡度30°時，屋面面積約為水平投影面積的1.15倍，由于通常情況下屋面并不規整，高低錯落，在進行屋面安裝面積估算時，可按水平投影面積的60% 計算。

3）安裝面積估算

根據控制性詳細規劃的相關指標進行估算時，可直接用建筑密度指標進行估算，即：可安裝面積=建筑基底面積×60%= 用地面積×建筑密度×60%。

雙屋面安裝位置

四坡屋面安裝位置

平屋面安裝

1）平屋面安裝比例影響因素

光伏系統與平屋面同時應用的工況主要存在于大型的商業、文化、醫院等類型建筑中。在這些類型的建筑中安裝光伏系統時，受到的因素影響主要包括以下幾方面：

① 建筑設備   對光伏系統安裝規模造成的影響主要包括：設備系統自身占用面積、周圍的安全距離、設備系統陰影遮擋三個方面，影響范圍約為設備區域邊界周邊 2m 范圍。

② 屋頂樓梯間及電梯機房   這些突出屋面的構筑物一般在4m以上，其陰影對建筑光伏系統的安裝面積會造成損失，影響范圍一般在4m左右。

③ 女兒墻   考慮到安裝建筑光伏系統的檢修需要，一般設置為上人屋面，女兒墻按1.5m考慮，其陰影范圍為：南向女兒墻3m，東西向女兒墻2m。

④ 光伏系統檢修通道   平屋面安裝光伏系統時，一般按光伏陣列進行布置，每行之間一般會留出檢修通道，寬度在1.2m左右

屋面光伏系統安裝影響因素及安裝范圍示意

2）安裝面積比例

綜合考慮以上設備、樓梯間及電梯機房、女兒墻、光伏系統檢修通道等因素的影響，平屋面安裝光伏系統時，可安裝面積按屋面面積的70%考慮。根據控制性詳細規劃的相關指標進行估算時，可直接用建筑密度指標進行估算，即：可安裝面積=建筑基底面積×70%=用地面積×建筑密度×70%。

墻面安裝

1）建筑外立面日照面積系數

為便于項目前期對光伏系統在立面安裝規模的估算，課題組引入“建筑外立面日照面積系數”的概念，即能夠接收太陽照射的立面全面積與建筑總建筑面積的比。在相同的建筑面積下，不同建筑形體的建筑立面面積不同，在常規大型公共建筑中，建筑進深方向一般不會低于20m，不會大于50m，且考慮到抗震需求，長寬比一般不超過 6。以標準層建筑面積2000㎡為例，相同建筑面積下，其平面形狀變形范圍為 44.7m×44.7m~20m×100m，即其平面周長為179m ~240m。

為避免西曬，建筑朝向絕大多數為南北向，由于北立面不適合安裝光伏系統，去掉標準層北側邊長，則南、東、西各方向的邊長之和在 130m~140m。大部分 公共建筑的建筑層高為 4m 左右，則標準層的南、東、西各立面面積之和的范圍在130×4至140×4之間，即520~560m2 。則適合安裝光伏系統的建筑外立面日照面積系數等于南東西各立面面積之和與總建筑面積之比，即單層各立面面積之和與標準層面積之比，即0.26~0.28，當標準層面積越小，比值越趨向較大值，故宜取 0.28。

2）墻面安裝比例

• ① 開窗面積   對于非幕墻的公共建筑而言，南立面窗墻比一般在0.4~0.7；而東西墻為了減少西曬對建筑的影響，窗墻比一般在 0.2~0.6；綜合考慮，非幕墻墻面的窗墻比約為0.5，可安裝面積占立面面積的比例約為0.5。

公共建筑非幕墻立面安裝范圍示意

• ② 建筑遮擋   遮擋問題主要分為兩種情況：一種為外部環境遮擋，主要是周圍其他建筑的遮擋；另一種為建筑自身遮擋，主要是由于建筑造型需要的立面凹凸形成的遮擋。對新建的光伏建筑來說，方案階段時考慮光伏組件的安裝要求，均會盡力避免自身遮擋，因此主要的外部遮擋來自其他建筑遮擋。綜合考慮日照間距、衛生間距對建筑日照的積極作用，可將遮擋因素造成的安裝面積損失降低到20%, 即遮擋因子為0.2。

3）安裝面積估算

綜合以上影響因素，在大型商業建筑的墻面上用于建筑光伏的墻面面積約占所安裝墻面面積比例為0.5×（1-0.2）=0.4。

根據控制性詳細規劃的相關指標進行估算時，可用容積率指標進行估算，即：墻面可安裝面積 = 用地面積× 容積率 × 立面日照面積系數（0.28）× 安裝面積系數（0.4）。

光伏幕墻安裝

1）幕墻安裝影響因素

幕墻可廣泛應用于各類公共建筑中，影響光伏幕墻安裝面積的比例主要包括以下兩個：

• ① 開啟扇比例   根據《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）3.2.8 條的規定，“甲類公共建筑外窗 ( 包括透光幕墻 )應設可開啟窗扇，其有效通風換氣面積不宜小于所在房間外墻面積的 10%”，通常情況下，開啟扇面積多在20% 左右，則可安裝光伏幕墻的比例為 80%。

光伏幕墻示意圖

• ② 遮擋情況   與墻面安裝情況相同，幕墻安裝同樣受外部環境遮擋和自身遮擋兩種情況的影響，根據經驗值，遮擋因素造成的安裝面積損失為 20%，遮擋因子為 0.2。

2）安裝面積比例

考慮前述遮擋情況與開啟扇比例，則單一立面的光伏組件安裝面積系數為（1-0.2）×0.8=0.64。

根據控制性詳細規劃的相關指標進行估算時，可用容積率指標進行估算，即：墻面可安裝面積 = 用地面積 × 容積率 × 立面日照面積系數（0.28）× 安裝面積系數（0.64）。

立面遮陽

1）光伏遮陽安裝規模影響因素

立面遮陽主要應用于商業建筑、辦公建筑、文化建筑中，起到發電作用的同時，還作為建筑立面的裝飾元素。當作為光伏發電的載體時，立面遮陽主要采用水平遮陽的形式。出于建筑立面形象的需求，窗戶、幕墻及水平遮陽板一般為通長設置，較少采用獨立的窗上遮陽形式。當前市場主要光伏構件產品的尺寸多在900×1600 左右，出挑寬度利用光伏組件的短邊，基本可以滿足水平遮陽需求。水平遮陽的安裝面積與所在立面面積的比值約為 23%。

各類建筑光伏安裝面積估算

一棟建筑之中通?？梢园惭b多種形式的光伏系統，根據以上對各部位安裝面積比例的分析，總結出通用的安裝面積估算公式，不同類型的建筑可根據自身的特點從中擇取相應的安裝部位進行估算。公式如下：

其中：

η屋面 為屋面安裝比例系數，坡屋面時為 0.6，平屋面時為 0.7；

S屋面 為屋面面積，其值等于用地面積 × 建筑密度；

μi為分項系數，表示該種安裝方式的墻面占南、東、西墻面總面積的比例，各項分項系數總和不大于 1；

η幕墻 為幕墻安裝比例系數，一般取 0.64；

S幕墻 為幕墻安裝立面面積，其值等于總建筑面積×立面日照表面系數，其中，總建筑面積 = 用地面積×容積率，立面日照表面系數取 0.28；

η遮陽 為遮陽板安裝面積比例系數，一般取 0.18；

S遮陽 為遮陽安裝立面面積，其值等于總建筑面積×立面日照表面系數，其中，總建筑面積 = 用地面積×容積率，立面日照表面系數取 0.28；

η墻面 為墻面安裝面積比例系數，一般取 0.4；

S墻面 為安裝墻面面積，其值等于總建筑面積×立面日照表面系數，其中，總建筑面積 = 用地面積×容積率，立面日照表面系數取 0.28。

住宅建筑

住宅建筑中，建筑光伏系統主要安裝在坡屋面，故光伏系統面積估算為：S=η屋面 S 屋面 =0.6 S 用地 K

其中：

K 表示控制性詳細規劃中用地的建筑密度；

商業建筑

大型商業建筑中，建筑立面形式多為干掛鋁板、干掛石材、玻璃幕墻等形式，多數設置中庭采光，屋面多為平屋面，建筑光伏系統的安裝方式主要有平屋面安裝、光伏采光頂、光伏幕墻、光伏遮陽等形式。則商業建筑光伏系統安裝面積估算為：

其中:

K 表示控制性詳細規劃中用地的建筑密度；

V 表示控制性詳細規劃中用地的容積率；

β 表示建筑日照立面面積系數，取 0.28；

μi 表示該種安裝方式的墻面占南、東、西墻面總面積的比例

辦公建筑

辦公建筑中，屋面多為平屋面，由于采光要求，一般不采用幕墻安裝，建筑光伏系統的安裝方式主要有平屋面安裝、光伏墻面、光伏遮陽等形式。則辦公建筑光伏系統安裝面積估算為：

其中:

K 表示控制性詳細規劃中用地的建筑密度；

V 表示控制性詳細規劃中用地的容積率；

β 表示建筑日照立面面積系數，取 0.28；

μi 表示該種安裝方式的墻面占南、東、西墻面總面積的比例

文化建筑

文化建筑中，建筑光伏系統主要安裝在平屋面、幕墻與遮陽板，該類型建筑光伏系統面積估算為：

其中:

K 表示控制性詳細規劃中用地的建筑密度；

V 表示控制性詳細規劃中用地的容積率；

β 表示建筑日照立面面積系數，取 0.28；

μi 表示該種安裝方式的墻面占南、東、西墻面總面積的比例