1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 研究课题的提出
能源是人类社会发展的动力，是经济稳定增长和人民生活质量提高的重要保障。环境是人类赖以生存和发展的宇宙空间及其中全部物质要素的综合体，影响着人类健康安全和社会的可持续发展[1]。
传统能源的开发利用，造成了全球气候变暖、海平面上升、沙漠化扩大、雾霾等日益严重的环境问题[2]，能源需求的增长导致化石燃料的供应面临着严重短缺的危机[3]。改善恶化的环境和保护自然资源已成为全球关注的焦点，中国已连续 17 年成为全球能源消费增量最大的国家，迫切需要寻找合适的替代能源。随着我国工业化、城镇化速度的加快，建设终端能耗占全社会总能耗的百分之四十。太阳能是安全清洁、颇具潜力的替代能源，最适宜在建筑领域推广[4]。
与住宅建筑相比公共建筑应用光伏发电系统往往更具优势，一方面，公共建筑拥有更为宽广的表面，具备放置光伏电池板的条件；另一方面，公共建筑所适用的商业电价要远高于居民电价，因此分布式光伏发电更能凸显其经济性，而经济性也是影响分布式光伏投资决策的关键因素[5]。研究光伏建筑一体化在公共建筑上的应用效能，对于促进建筑节能、缓解城市建设领域的能耗需求，调整能源结构具有十分重要的现实意义。
1.1.2 国外光伏建筑一体化发展现状
2017年全球光伏累计装机容量如图1.1所示，光伏发电新增装机容量98GW，同比增长33.7%；累计装机容量为401GW，同比增长32%，其中2018年累计装机容量约为495GW，2017~2018年累计增长率有所下降是由2018光“ 新政”所致。国外对太阳能建筑一体化应用的研究开始较早且主要集中在发达国家，以下分别对美国、德国、日本等国家的光伏建筑应用现状进行分析。
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1. 2 研究意义
目前，我国建筑节能措施对太阳能等可再生能源的利用往往侧重于被动式的建筑围护结构节能技术，对主动式利用太阳能技术的建筑节能环节有所忽略，使太阳能等可再生能源在建筑上的应用未能发挥出最大潜力，造成了一定程度上的资源浪费。国内外学者对光伏建筑一体化的研究多集中在城市规划角度，进行城市控规阶段的太阳能利用效能研究，以具体建筑物为例对太阳能综合利用效能进行定量分析的研究很少；以城市住宅建筑角度的研究较多，以城市公共建筑角度的研究较少。
因此，本文理论意义如下：以包头市地区为研究环境，探索特定环境下光伏建筑一体化太阳能综合利用效能，得到一种科学、全面且具有推广价值的光伏建筑一体化太阳能利用效能评估方法，并对其进行发电、节能、可持续发展层面的定量评估。本文的现实意义在于：分布式光伏发电属于新兴能源产业，人们对光伏在建筑上的应用缺乏充分了解，导致光伏发电产业的发展存在一定的争议。因此本文以包商银行光伏系统为研究对象，对光伏建筑一体化太阳能利用效能进行综合评估，并根据研究结果对未来发展光伏建筑提出相关的措施与建议，为城市中光伏建筑一体化的推广，可再生能源在建筑上的应用提供了一定的理论基础和数据支撑。
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2 光伏建筑一体化太阳能利用理论基础
2.1 光伏建筑一体化界定
光伏建筑一体化界定的核心是对光伏建筑一体化进行定义。光伏建筑一体化必然涉及到太阳能的利用，因此，在对光伏建筑一体化定义之前，首先分析太阳能在建筑上的主要应用。
2.1.1 太阳能光电利用形式
太阳能光电利用形式分独立户用光伏系统、联网户用光伏系统两种形式，以下分别对两种形式进行介绍。
（1）独立户用光伏系统。独立户用光伏系统中，太阳能电池与蓄电池同时发挥作用，以便储存电能和维持供电的持续性。
（2）联网户用光伏系统。联网户用光伏系统与电网连接为建筑提供电能， 光伏电池所发电力不足建筑用电时，电网向建筑物提供电能，光伏电池发电有剩余时还可以将富余电力送向电网。
2.1.2 光伏建筑一体化概述
光伏建筑一体化是将光伏系统设备与建筑结合，把对太阳能的利用纳入建筑总体设计中，将建筑、设备、技术及美学融为一体，使光伏系统设备像其他建筑部件一样，成为建筑的一部分。将光伏系统设备纳入建筑规划与建筑设计，同步规划、同步设计、同步施工，与建筑工程同时投入使用[50]。
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2.2 影响光伏建筑节能效果的因素
影响光伏建筑节能效果的因素很多，为了更好地评估光伏建筑的节能效果就需要对这些影响因素进行分析。
（1）当地气象参数
项目所在地的经纬度、太阳能资源条件、平均温度、降水量、湿度、浮尘量、风荷载和地质条件都会对光伏发电系统产生影响，并对项目的投资收益产生重大影响。
（2）建筑结构
光伏阵列安装在屋顶上呈一定倾角。因而建筑的朝向、间距和外形对光伏电池板会产生阴影遮挡作用。避开阴影，对保证方阵的额定出力、提高光伏发电系统的效率以及降低光伏系统的发电成本极为重要。
（3）光伏发电系统
采用的太阳能光伏发电系统的光电转换效率、系统的衰减损耗、光伏组件的类型、逆变器的型号等都对光电建筑的节能效果产生影响。
（4）分布式光伏系统
自发自用的比例分布式光伏发电自发自用比例对项目经济性有很大影响。根据近一年分布式光伏发电示范区的实施情况以及其他分布式光伏发电项目建设和运行情况，目前一般工商业用户（如宾馆、酒店、写字楼、机场等）的分布式光伏发电自发自用比例较高，可以达到电价补贴测算的 80%的自发自用比例，有些可以达到 100%。
（5）信贷政策
光伏发电的成本比常规火电、水电，甚至风电的发电成本高出很多。因而国家的光伏发电的补贴政策会对光伏发电的效益带来重大影响。目前分布式光伏发电发展在信贷方面存在的困难是信贷抵押问题，银行等金融机构担心风险，不愿接受以售电协议或者光伏系统设备作为贷款信用或抵押，造成分布式光伏发电项目融资困难，或者即使可以得到贷款，但利率高于基准利率。
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3 包商银行光伏建筑太阳能利用发电效能评估............................ 18
3.1 包商银行商务大厦项目概况.......................................18
3.1.1 包商银行光伏项目太阳能资源概况...........................18
3.1.2 包商银行项目概况................................... 19
4 包商银行光伏建筑太阳能利用节能效能评估....................................... 28
4.1 包商银行光伏建筑节能效能评估方法............................ 28
4.2 包商银行光伏建筑全年逐时能耗模拟.................................. 29
5 包商银行光伏建筑太阳能利用可持续发展效能评估..........................45
5.1 包商银行光伏建筑经济及环境可持续发展效能评估................................... 45
5.1.1 包商银行光伏建筑经济可持续发展指标评估.................................... 45
5.1.2 包商银行光伏建筑环境可持续发展效能评估.................................... 47
5 包商银行光伏建筑太阳能利用可持续发展效能评估
5.1 包商银行光伏建筑经济及环境可持续发展效能评估
本文通过选取光伏系统的度电成本、单位造价、污染物减排量等相关经济与环境指标对包商银行光伏建筑太阳能利用的经济及环境可持续发展效能进行评估。
5.1.1 包商银行光伏建筑经济可持续发展指标评估
光伏建筑的成本效益是其太阳能利用经济效能的最直观表现。包商银行光伏系统遵循 “自发自用，余电上网”的原则，可享受 0.42 元/度的国家光伏补贴，2018 年“5.31”光伏新政以后，其仍执行 0.42 元/度的国家分布式光伏发电补贴政策。2018 年我国工商业电价为 0.8 元/kWh，为各种售电类型中最高一类，同时，光伏上网电价也为 0.8元/kWh，则包商银行光伏系统 25 年生命周期电价均按 0.8 元/kWh 计算，如下为包商银行光伏系统经济效能评估指标计算，其主要技术经济参数如表 5.1 所示。随着光伏技术的提高与推广，光伏发电效益有不断上升的趋势。
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6 结论与展望
6.1 研究结论
本文在梳理国内外相关文献的基础上总结前人研究的成果与不足，在阐述光伏建筑效能评估相关理论的基础上，以包商银行光伏建筑为例，对光伏建筑一体化太阳能利用的发电效能、节能效能、可持续发展效能进行评估，主要研究结论如下：
（1）本文利用 Autodesk Ecotect 软件求取内蒙古包头市包商银行光伏建筑表面全年太阳辐射模型 ，所选建筑物表面中屋顶每单位面积接收的太阳辐射最多，平均太阳能密度可达到 1 403.0 kWh /m2，其次为南立面，平均密度为 921.6 kWh / m2，东立面平均密度为 577.6 kWh / m2。根据太阳辐射强度对包商银行建筑屋顶和立面分别配置合适的光伏系统，使光伏发电效能达到最大化。
（2）在最优化光伏系统配置的基础上，以包头市气象数据及包商银行光伏系统参数为依据，利用 PVsyst 软件对包商银行光伏系统进行全年及逐月发电量模拟。在典型气象年条件下，多晶硅系统与薄膜系统年均发电量共计 40.65 万 kWh，其中多晶硅系统年发电量为 11.86 万 kWh，薄膜系统年发电量为 28.79 万 kWh，光伏系统月均发电高峰期集中在四、五、六三个月份，其中又以五月份发电量最多，七月份太阳辐射量较高而光伏系统发电量低是由温度过高，光伏板发电效率降低所致。
（3）在包商银行 A 座办公楼光伏系统发电量及建筑能耗模拟的基础上对附加光伏系统前后的建筑用能情况进行分析，通过光伏系统季节性能源贡献及年度用能高峰期能源贡献两方面评估光伏建筑太阳能利用的节能效能：
当采用建筑光伏系统后，夏季建筑冷负荷大幅度下降，冬季采暖能耗及照明能耗略有增加，但其增加量远远小于冷负荷的减少量。考虑光伏系统的发电量，附加光伏系统前建筑年整体综合能耗为 479.73 万 kWh，附加光伏系统后建筑年整体综合能耗为 441.63 万 kWh，光伏系统的年度节能率为 7.9%。其中空调季、采暖季、过渡季的节能率分别为 24.5%、-6%、20.4%。
参考文献(略)