■ 王 一 WANG Yi 姜培培 JIANG Peipei

0 引言

發(fā)展綠色建筑，建設生態(tài)城市，“開源”和“節(jié)流”是兩個基本的方向。可再生能源的利用是“開源”的一個重要方式，使建筑不再僅僅是消耗能源的末端環(huán)節(jié)，而成為能源生產、蓄存和轉換的單元。

據統(tǒng)計，居住建筑能耗占城市建筑能耗的3/4，在居住建筑中應用以太陽能為代表的可再生能源具有特別的意義[1]。目前，國家相關政策法規(guī)對于新建建筑，特別是住宅建筑中太陽能技術應用有相關要求，但既有住宅建筑中太陽能光伏技術的應用較少，且多為住戶自發(fā)安裝，缺乏系統(tǒng)性應用，易造成浪費。因此，對既有住宅太陽能光伏系統(tǒng)的利用潛力以及應用方法的研究十分必要。

基于國情，國外學者對居住建筑太陽能光伏利用潛力的研究大多針對的是單體建筑，而居住區(qū)建筑表面的太陽輻射情況會受到周邊住宅的影響[2]，因此，在研究過程中要考慮到周邊的建筑環(huán)境。國內有部分學者，針對光伏板更適于安裝在何種形態(tài)的居住建筑方面進行了初步的研究，研究中主要考慮了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，而沒有進行費效比的分析。

目前，對于光伏系統(tǒng)應用的經濟性分析多是比較不同光伏系統(tǒng)性能的經濟效益，例如是選用BIPV 還是BAPV，以及何種電能輸送形式更為經濟等，而沒有考慮到由于建筑朝向或遮擋等因素造成的發(fā)電效率降低對費效比的影響。

綜上所述，要評估既有居住區(qū)住宅建筑的光伏利用潛力，需綜合考慮費效比[3]。研究方法是，根據建筑屋頂和立面接收到的太陽輻射量，確定適宜安裝光伏板的位置，進而根據太陽能光伏板的轉換效率求得發(fā)電量。但光伏板的安裝并非多多益善，需要通過比較光伏板在不同安裝情況下的費效比，確定不同形態(tài)的居住建筑更適合何種光伏板布置方式。

研究主要涉及兩個方面，首先是對太陽能利用潛力的研究，由于受建筑形態(tài)的影響，建筑不同部位獲取太陽能輻射的能力不同，安裝后的發(fā)電量不同，不同位置是否適宜安裝也是有差異的[4]。其次是對費效比的研究，太陽能光伏系統(tǒng)初期投入較大，還有壽命期限，如果費效比較高，既不利于推廣，也會影響住戶應用的積極性。

1 研究內容

本文研究的對象是上海市20 世紀90 年代前建造的工人新村，其所占數量較大，對于太陽能的利用普遍不足，且熱工性能較差。綜合利用太陽能對于改善工人新村的生態(tài)效能大有益處。這些住宅多以行列式多層住宅為主（圖1），晚期也建有少量的高層建筑（圖2）。

圖1 鞍山四村總平面示意圖

圖2 赤峰小區(qū)總平面示意圖

在上海地區(qū)，建筑單體北立面接收的太陽輻射較差，基本可以不考慮安裝太陽能板，主要考慮南立面和東西立面。另外，單體建筑接受的太陽能輻射還受其在群體中位置的影響，因此，研究對象不應該是單獨的一棟住宅。

住宅在群體中的位置情況主要有以下幾種：①建筑西側有道路，南側、東側有建筑；②建筑周邊無道路，東、西、南側均有建筑；③建筑東側有道路，西側、南側有建筑；④建筑西側和南側有道路，東側有建筑；⑤建筑南側有道路，西側和東側有建筑；⑥建筑南側和東側有道路，西側有建筑（圖3、4）。通過調研發(fā)現，住宅建筑的行列式排布，有一列排布、兩列排布、三列排布的情況。因此，計算模型綜合為三列建筑排布的形式。該9 棟建筑組成的群體單元足以描述單體建筑的群體關系。

圖3 住宅群體影響情況

對這樣一個9 棟建筑組成的群體單元，需考慮建筑與建筑之間的間距?；趯Υ罅肯嚓P案例的調研，多層建筑的南北向間距基本為18 m，東西向間距為11 m，高層建筑南北向間距設定為34 m，東西向間距設定為13 m。由于不考慮北立面，最北側一排的受遮擋情況和第二排一致，因此，只比較南側兩排建筑。將正南朝向不同位置的住宅分別編號為S1～S6（圖4）。

圖4 住宅群體單元

朝向對建筑表面太陽輻射的獲取亦有影響，且對東西立面的影響也不一樣。通過對曲陽新村、同濟新村及鞍山新村等建于20 世紀90 年代前工人新村的調研，發(fā)現這類住宅建筑正南北朝向居多，也有部分南偏東30°、南偏西30°朝向。因此，本研究選取了這三種典型朝向。將南偏東30°朝向不同位置的住宅編號為E1～E6，將南偏西30°朝向住宅編號為W1～W6。

2 研究方法

2.1 技術工具

本研究采用的模擬軟件是Autodesk Ecotect Analysis，利用上海典型氣象年太陽輻射數據，模擬各個形態(tài)類型表面的太陽輻射情況，確定適宜安裝太陽能光伏板的位置，根據測算的建筑表面安裝太陽能光伏板后的月發(fā)電量，計算各個可利用位置安裝光伏板后的年總發(fā)電量[5]。

2.2 可利用面的確定

多晶硅電池成本相對較低，且穩(wěn)定性較好，目前在住宅建筑中應用較廣。據相關研究，太陽輻射照度至少要達到200 W/m2，多晶硅電池才可達到較好的發(fā)電效率。因此，既有住宅并非所有面都具有安裝價值，本研究利用Ecotect 中得到的數據，篩選住宅建筑太陽輻射照度能達到200 W/m2的可利用面。

由于太陽能光伏板的安裝位置要滿足冬至日全天有3 h 以上的日照時數要求。

篩選出建筑可利用面后，需進一步篩選建筑適宜安裝光伏板的層數。

具體的方法如下：根據調研數據構建建筑群體模型，建模過程中，同時需考慮到建筑自身的凹凸情況[6]，包括凸出的陽臺，并對建筑表面進行網格劃分，采用2 800 mm×2 800 mm 的模式，每格為一層。由于建筑自身遮擋，日照時數不滿足3 h 的即為不符合區(qū)域（圖5）。

圖5 全天日照時數示意圖

另外，窗戶處無法安裝太陽能板，在模擬計算中，需按建筑窗墻比扣除。通過調研，多層住宅南墻面窗墻比為35%（圖6），高層住宅南墻面窗墻比為40%（圖7），多層住宅東西立面窗墻比為15%，高層住宅東西立面窗墻比為8%。

圖6 多層住宅南立面、東立面圖

圖7 高層住宅南立面、東立面圖

2.3 電力保障潛力

電力保障潛力指的是住戶用電部分滿足需求的情況，達到100%即為滿足住戶用電部分的使用需求。

電力保障潛力的計算公式如下:

式中：P為住宅電力保障潛力；C為住宅單位面積光伏產能，單位：kWh/m2；E為住宅單位面積耗電量，單位：kWh/m2。

住宅單位面積光伏產能C的計算方法是用住宅安裝光伏板后的年發(fā)電量除以住宅的總建筑面積。根據上海統(tǒng)計年鑒，住宅單位面積耗電量E取均值30 kWh/m2。

通過電力保障潛力，可以更直觀地看到太陽能改造后的效果。但僅比較改造后的發(fā)電量并不足以比較潛力，還需要費效比的計算。

2.4 費效比的計算

根據國家《可再生能源建筑應用工程評價標準》，太陽能光伏系統(tǒng)的費效比Cbrd，按下式計算：

式中：Cbrd為費效比（元/ kWh）；Czd為增量成本（元）；N為系統(tǒng)壽命期，一般取20 年；En為年發(fā)電量（kWh）。

增量成本由初期投資減去補貼得出。光伏系統(tǒng)的初始投資主要由光伏組件的成本、逆變器、電纜和支架等部分的花費組成。

通過對上海市光伏系統(tǒng)安裝公司進行調研，按一般公司的計算方法，光伏項目每瓦花費8 元，一般每千瓦占用7 m2。在計算過程中，根據不同情況下光伏板可安裝面積可求得光伏板的裝機量，進而可求得光伏項目的初始投資。再根據每度電補貼0.84 元/ kwh，求得相應發(fā)電量的政策補貼，即可得出不同安裝情況下的增量成本。

根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》，“太陽能光伏系統(tǒng)費效比可以按小于項目所在地當年商業(yè)用電價格的3 倍進行評價?！鄙虾５墓ど虡I(yè)電價為0.866 元/kWh，即費效比小于2.6 元/kWh 即為合理。另外，費效比的級別Cbrd按照表1 劃分為3級，其中1 級最高，即費效比少于1.3元/kWh（表1）。

表1 太陽能光伏系統(tǒng)費效比Cbrd的級別劃分

3 研究過程及結果分析

3.1 發(fā)電量的模擬

3.1.1 太陽能光伏板的安裝位置

以多層住宅S1 為例，將住宅群體模型導入Ecotect（圖8），并導入上海地區(qū)氣象數據“Shanghai_CSWD”，通過軟件模擬得出建筑表面月均日太陽輻射照度。以南立面月均日太陽輻射照度為例，圖中圈出的部分即為滿足太陽輻射照度200 W/ m2的時間段（圖9）。

圖8 建筑群體模型

圖9 S1 表面月均日太陽輻射照度

進而對建筑S1 各面冬至日的全天日照時數進行測算，可以看出，對于S1 南立面來說，由于受到南側建筑的遮擋，3 層以下不滿足3 h 日照時數，因此，南立面可利用的層數為3～6層（圖10）。S1 東立面3 層以上才能滿足冬至日全天日照時數3 h，西立面1～6 層均滿足（圖11）。

圖10 S1 南立面冬至日全天日照時數

圖11 S1 東、西立面冬至日全天日照時數

同理得出其他多層、高層住宅表面適宜安裝太陽能光伏板的位置（表2、3）。

表2 多層住宅表面適宜安裝太陽能光伏板的部位

表3 高層住宅表面適宜安裝太陽能光伏板的部位

總的來說，建筑遮擋對建筑南立面可利用的范圍會產生影響，使太陽輻射衰減20%～30%，對于高層建筑群的影響更大，可達到20%～35%。

朝向對建筑的可安裝面會產生影響，南偏東30°朝向西立面不適宜安裝光伏板，南偏西30°朝向東立面不適宜安裝光伏板。

另外，對于南立面，在南偏東30°和南偏西30°朝向，建筑表面太陽輻射情況受建筑自身體量遮擋影響較為明顯。

3.1.2 發(fā)電量與保障潛力分析

從發(fā)電量的角度而言，由模擬可知，屋頂受太陽輻射最為充足，是需要安裝光伏板的位置。因此，在比較研究中，均在屋頂安裝了光伏板，進而比較其他部分在不同安裝情況下的發(fā)電量，以確定適宜的改造形式。光伏板的安裝組合形式分別為：屋頂、屋頂與南陽臺、屋頂與南立面、屋頂與東立面/西立面、屋頂與南陽臺及東立面/西立面、可利用面全部安裝（圖12）。

圖12 光伏板安裝組合形式

3.1.2.1 多層住宅

對于不同位置的多層住宅來說，在各個可利用部位全部安裝的情況下，電力保障潛力可以達到100%，甚至大于100%。在各個部位中，屋頂的電力貢獻均是最多的，可以超過50%，南立面次之，東/西立面再次，南陽臺的貢獻量最少。

在南側無建筑遮擋的情況下，南立面安裝光伏板后，南偏西30°朝向下發(fā)電量最高，南偏東30°朝向次之，正南朝向最少。

在南側無建筑遮擋的情況下，各個位置的建筑屋頂加南立面的安裝形式，其電力保障潛力均可滿足100%。而南側有建筑遮擋的情況下，南偏東30°朝向和正南朝向，若想獲得100%的電力保障，需要所有適宜安裝的部位均安裝光伏系統(tǒng)。而南偏西30°朝向，南側無建筑遮擋的W1～W3，屋頂和南立面安裝光伏板后，其電力保障率也達到了98%（圖13～15）。

圖13 S1～S6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

圖14 E1～E6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

圖15 W1～W6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

3.1.2.2 高層住宅

對于高層建筑，建筑在群體中的位置以及朝向對于發(fā)電量影響的基本規(guī)律與多層住宅一致。

由于高層住宅屋頂面積占比少，只在屋頂安裝光伏板只能滿足30%的使用需求。全部安裝最高能達到70%，立面的安裝可以增加一倍的發(fā)電量。所以，建筑立面的利用對于高層建筑的電力貢獻非常大，尤其是南立面（圖16～18）。

圖16 S1～S6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

圖17 E1～E6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

圖18 W1～W6 光伏板不同安裝方案電力保障潛力

3.2 費效比的計算與分析

通過費效比的計算公式得出多層、高層住宅建筑在不同光伏板安裝方案下的費效比。費效比越高，安裝效益越低。

3.2.1 多層住宅

對于正南朝向的S1～S6，采取屋頂和南陽臺安裝光伏板的方式費效比最佳，但南陽臺的面積較小，屋頂和南陽臺安裝的方式發(fā)電量只能滿足70%～80%的需求。滿足100%的安裝方案是屋頂加南立面安裝和全部安裝，但全部安裝的形式費效比較高（圖19）。

圖19 S1～S6 不同安裝方案下的費效比

南偏東30°朝向，東側無建筑遮擋的E3、E6 在東立面安裝光伏板后費效比明顯降低，因此，有必要利用東立面。而對于其他建筑更適合屋頂加南立面的安裝形式（圖20）。

圖20 E1～E6 不同安裝方案下的費效比

南偏西30°朝向，屋頂、南立面、西立面都安裝光伏板的情況下，費效比明顯高于屋頂和南立面安裝的情況。并且，在屋頂和南立面安裝的情況下，電力保障已達100%，因而這種情況下更適合屋頂加南立面的安裝方式（圖21）。

圖21 W1～W6 不同安裝方案下的費效比

3.2.2 高層住宅

對比多層建筑，高層建筑的費效比明顯更高，屋頂和南立面安裝光伏板的形式，其費效比高于多層建筑全部安裝的費效比，卻只能保障居民一半的電力使用需求，而多層可以滿足100%?？梢姼邔咏ㄖ奶柲芄夥脑鞚摿Σ蝗缍鄬咏ㄖ▓D22）。

圖22 S1～S6 不同安裝方案下的費效比

南偏東30°朝向，相較于發(fā)電量較高的屋頂和南立面安裝光伏板的形式，東立面也安裝光伏系統(tǒng)后，E3和E6 的費效比沒有明顯增加，但發(fā)電量增加了10%，E4 和E5 的發(fā)電量僅增加了6%，費效比明顯增加。綜合發(fā)電量和費效比的情況，E1、E2、E4、E5 適合屋頂、南立面安裝光伏板，E3、E6 適合屋頂、南立面、東立面安裝光伏板（圖23）。

圖23 E1～E6 不同安裝方案下的費效比

同理，南偏西30°朝向，西側無建筑遮擋的W1、W4 適合屋頂、南立面、西立面安裝，其他更適合屋頂加南立面的安裝方案（圖24）。

圖24 W1～W6 不同安裝方案下的費效比

3.3 結果分析

3.3.1 建筑形態(tài)對光伏系統(tǒng)應用潛力的影響

對于單體建筑而言，建筑朝向對建筑的可利用面會產生直接的影響。南偏東30°朝向，西立面不適宜安裝光伏板；南偏西30°朝向，東立面不適宜安裝光伏板。相較于正南朝向，南偏東30°和南偏西30°朝向，建筑受自身形態(tài)凹凸變化的影響更為明顯。

從群體角度而言，由于受到周邊建筑遮擋，建筑立面接收的太陽輻射量會減少20%～35%左右。

3.3.2 光伏板改造安裝方案

不同安裝形式下，建筑可利用面安裝光伏板后的費效比均較為合理，綜合發(fā)電量和費效比情況，得出以下幾種改造方案。

對于多層建筑群，正南朝向和南偏東30°朝向（圖25），東側無建筑遮擋的住宅適合：屋頂加南陽臺加東立面的安裝方案（圖25 中3、6），但當南側無遮擋時，南墻面也要利用（圖25中6）。東側有建筑遮擋的適合：屋頂加南立面的安裝方式（圖25 中1、2、4、5）。

圖25 正南、南偏東30°朝向多層住宅建筑群安裝方案

南偏西30°朝向，均宜采用屋頂加南立面（陽臺板以及墻面）的安裝方案（圖26）。

圖26 南偏西30°朝向多層住宅建筑群安裝方案

對于高層建筑，南立面面積較大，有很大的利用價值。正南朝向，均宜采用屋頂加南立面（陽臺板和墻面）的安裝方案（圖27 中1、2、3、4、5、6）。

南偏西30°朝向（圖27），西側無建筑遮擋時，適合屋頂、南立面、西立面安裝光伏板（圖27 中1、4），有遮擋時，適合屋頂和南立面安裝（圖27 中2、3、5、6）。

圖27 正南、南偏西30°朝向高層住宅建筑群安裝方案

南偏東30°朝向，東側無建筑遮擋時，適合屋頂、南立面、東立面安裝光伏板（圖28 中3、6），有遮擋時，適合屋頂和南立面安裝（圖28 中1、2、4、5）。

圖28 南偏東30°朝向高層住宅建群安裝方案

4 結語

本研究通過建立上海市既有居住區(qū)建筑群體模型，運用Autodesk Ecotect Analysis 軟件對不同單元模型建筑表面的太陽輻射照度及發(fā)電量情況進行了模擬，并進一步比較了光伏板在不同安裝形式下的費效比。

總的來說，上海市既有居住區(qū)住宅建筑的可利用面安裝光伏板后的費效比是合理的，需在設計中綜合考慮發(fā)電量和費效比情況，采取不同的改造方案以獲得更高的效益。本文通過模擬計算得出的安裝方案，望能對之后的改造工作提供參考。由于太陽能光伏板技術的更新對數據結果影響較大，需在設計中結合光伏技術實際情況具體分析。