光伏建筑一体化在校园环境中的应用分析

梁 楠

(安徽工程大学 建工学院，安徽 芜湖 241000)

光伏建筑一体化在校园环境中的应用分析

梁 楠

(安徽工程大学 建工学院，安徽 芜湖 241000)

随着光伏一体化技术的不断普及，校园光伏建筑备受社会的关注。为营造一个良好的绿色生态校园环境，本文在分析当前校园耗能状态的基础上，探索了光伏建筑一体化在校园中的应用优势和效益优势，结合当前我国校园光伏建筑一体化技术开展中存在的问题，提出了几点措施和思路。

光伏系统；建筑耗能；校园；应用分析

光伏建筑一体化，简称BIPV，顾名思义就是在建筑物的形成过程中考虑将光伏发电融合进来，具体做法通常是在建筑物的外围增加光伏系统。目前，光伏建筑一体化已经应用得相当成熟，加之绿色节能建筑的大环境，光伏系统与建筑物的完美结合已是大势所趋。将光伏系统引进校园建筑，构造校园光伏建筑，更是有着良好的应用前景。

随着高等教育的日渐普及，必然刺激校园建筑数量的迅速增加。不同于普通民用建筑，校园建筑是在有限的空间范围内完成教学生活，这就使得在某一时间点上，集中用能消耗比较大。有数据显示，校园建筑能耗人均使用量已经高于全国人均能源消耗，特别是近年来多数高校开展基建工程，扩大空调等设施使用范围，校园建筑能耗已经远超出同一时期国民人均消耗水平。

鉴于校园能源消耗量较大的问题，选择科学的评价指标是解决问题的关键因素之一。现阶段对院校校园能源消耗量的评价包括测量单位面积能源消耗和人均能源消耗。但是因为校园建筑面积与校园人数之间并非存在着近似正比的关系，所以两种能源消耗量指标在同一评价对象的前提下有着不同方向的评价结果，这就需要我们选择一种更为贴近客观事实的评价方法作为能源消耗的评价指标。经过大量的研究试验结合已有的研究成果发现，单位面积能源消耗指标适用于对某一栋建筑进行评价，而人均能源消耗指标则更适合用来评价校园的整体能源消耗水平。

校园建筑按照使用功能可以分为教学楼、图书馆、教职工及学生宿舍、食堂、体育馆等。对这些校园建筑群的能源消耗进行重点记录对比，因为是选择的独栋建筑楼为研究对象，所以按照前文应采用单位面积能源消耗指标进行评估，研究结果显示，图书馆及食堂能源消耗最大，而体育馆能源消耗最小，此研究结果与实际情况也是相契合的。食堂因为其独特的作用，难免在用电方面消耗比较大；图书馆大型机房的用电也使得其整体耗能较大；教学楼虽然使用人数比较大，但是大型耗电设备不多，因此整体耗能不大，具体耗能对比如图1所示。

图1 校园建筑耗能对比图

由图1可以看出，对于校园典型建筑来说，能耗的大小按照从大到小的顺序为：食堂、图书馆、教职工及学生宿舍、教学楼、体育馆，具体原因分析如表1。

表1 校园建筑能耗分析表

随着各校招生人数的增加使得很多学校扩大使用面积，在原教学条件下新建教学楼等，新增加的建筑在使用功能方面更是追求较高的标准，教学楼及教职工宿舍等的单位面积能源消耗水平亦随之上涨。

1 光伏建筑一体化在校园中应用意义及优势

近年来，校园建筑在数量上迅速增长，而且仍然呈上升的趋势。与传统的相对封闭的校园环境不同，现代的校园不再局限于教学活动，与社会的相互交流也在一定程度上影响着校园建筑的能源消耗水平。将光伏建筑一体化的理念带入校园是顺应当下发展趋势的必然选择，一方面，利用绿色环保的技术解决校园建筑用电量大用电复杂的问题，另一方面，光伏系统是独立于城市电网之外的能源储备，所以有着良好的自适应性。从可持续发展的观点来讲，打造校园光伏建筑一体化是大胆创新，不仅有着良好的应用前景，而且有着一定的社会影响力。

1.1 光伏建筑一体化在校园中应用优势

1.1.1 校园布置、规划优势

校园自身良好的环境氛围为光伏系统大展拳脚提供了有利的客观条件。一方面，校园所处的自然环境可有效降低污染等对光伏系统的干扰，保证其有着理想的转化条件，从而给予光伏系统一个稳定的作用状态；另一方面，校园建筑楼栋之间布局合理，间距适宜，这在一定程度上降低了由于距离较远产生的电源损失，而且从资源利用率的角度来讲，校园潜在的光伏系统附着对象也是对已有资源的再利用，比如已有的建筑楼群的外立面及屋面。

1.1.2 建筑使用、设计优势

建筑设计优势指的是光伏建筑一体化系统的使用在校园建筑设计特点方面所占有的优势。首先，由于校园建筑较高的采光使用功能要求，在校园建筑外立面或屋面附加光伏系统，可以很好地满足能量需求；其次，光伏系统的安装反过来作用于建筑，也大大提高了建筑的保温隔热性能，互利互惠，保证能源的最大使用效益；再者，校园建筑的使用寿命较普通的工业民用建筑要长得多，这在一定程度上降低了光伏系统安装的成本，延长了光伏系统的有效寿命期。

1.1.3 科研、资源优势

高校本有着不可比拟的研究人才和设备资源优势。光伏建筑一体化需要强大的团队和技术力量做支撑，它所涉及的学科理论是非单一的多学科综合，在这一点上，高校教学环境很好地满足了这一需求。据统计，高校中进行科研的人员在总数中占有着较大比重，而以高校为强有力的后盾成立的国家级实验室占总数的60%以上。光伏技术这一新鲜的血液与校园建筑的筋骨相辅相成，有机结合，可使得光伏技术潜力得以激发，未来的校园建筑也将更加绿色节能环保。

1.2 光伏建筑一体化在校园中效益优势

1.2.1 缓解用电高峰作用

研究发现，校园光伏系统用电最高的时期与社会用电最高的时期是不冲突的，这样的情况下，校园光伏系统一方面自我消化掉用电负担，而且剩余的电量用于社会用电，将很好地减轻用电高峰期时社会用电紧张的现状。

1.2.2 示范育人作用

如前文所述，光伏建筑一体化进校园，对师生都有着良好的启迪作用，提前培养学生绿色、环保、节能的思维意识。在这一实践面前，学生不仅对于以往貌似抽象的理论有了更直观的了解，而且引导学生敢于创新突破，善于进行资源再利用，对开拓学生思路有着一定的指导作用，这与当下注重培养高素质的新一代接班人的理念也是相契合的。

1.2.3 产、教、研联合作用

优良的客观环境是光伏系统进校园的有利因素之一，学校大可打开思路，更加全面地对光伏建筑一体化进行研究开发，比如组建更加专业的研发团队，对现有系统进行革新，将光伏技术向各领域延伸，丰富其应用形式，扩大其应用范围。在高校已经建成的光伏系统则作为有力的科研实践基地，鉴于光伏技术是非单一学科的综合，它的发展必将带动多学科多领域的联动发展，从而引导诸如光电、材料、建筑、环境等学科领域的产学研联合。

2 光伏建筑一体化在校园应用中存在的问题

光伏建筑一体化理念最早的应用是在德国，即为著名的“太阳能学校”项目，这一科研项目就是利用太阳能发电与校园建筑相结合；几年的时间，国外诸多国家纷纷对这一理念表现了极大的兴趣并投入研究，取得了可观的成果。我国对于光伏建筑一体化的尝试相对于国外较晚，改革开放以后校园建筑如雨后春笋，破土而出，数量增加迅速，光伏技术进校园有了广阔的应用市场，通过不懈努力，这一技术已经收获较好的投入使用效果，但毕竟起步晚，这种配套的理论支撑尚不成熟，结合目前国内已有实际案例的对比研究，仍存在若干不足：

2.1 前文提到，光伏技术可依托校园建筑的外立面、屋面，这些可利用的广阔空间都是很好的系统附着地，因为外立面及屋面考虑其建筑使用功能，一般采光良好，为实现太阳能发电提供了必要条件。实际，目前校园光伏建筑一体化多是依托建筑屋面进行太阳能发电，在应用形式上比较单一，而且使用的电池种类也非常局限。

2.2 除了应用形式比较单一，光伏建筑一体化的应用也没有很好地考虑校园建筑自身能源的消耗特点，因为光伏技术与建筑两者相辅相成，互相影响，不能只考虑两者结合时屋面的情况，还应该了解所依附的建筑本身内部的能源消耗对光伏系统工作效率的影响。

2.3 光伏技术本身投资消耗大，相对于普通的发电站，投资消耗要高出很多，而且从经济学的角度来讲，投资回收期比较长，大多要依赖国有投资或者一定的国家支持手段，这就在一定程度上限制了光伏建筑一体化的大范围使用，需依靠有效的融资模式。

3 光伏建筑一体化在校园环境中的应用

3.1 光伏系统与屋顶空间的完美融合

在校园光伏建筑设计中，可以借助于光伏系统的布局对校园建筑的屋顶空间进行合理化的利用，主要体现为：首先，使得校园建筑的屋顶最大限度的利用，可以为学生提供休闲、娱乐以及室外学习的优雅空间，这在一定程度上缓解了屋顶空间浪费和师生休闲生活空间比较紧缺的矛盾，从而对校园环境起到了优化作用；其次，光伏系统和屋顶的完美结合，不仅可以改善传统平铺式光伏系统造成的单一视觉效应，还可以起到屋顶防漏水系统和保温系统的保护作用；最后，光伏系统和屋顶的完美结合，可以将更多的美学设计融入其中，更大效率地利用光能源。

3.2 根据校园建筑特点进行渐进式光伏建设

根据校园建筑的能耗特点，可以将光伏系统有选择有顺序地使用。首先，可以通过对比每一个建筑单位耗能，在耗能比较大的建筑上首先使用，比如，校园的食堂和图书馆等，这类建筑不仅全体耗能比较大，同时建筑面积也比较大，可以实现较大面积的铺设光伏系统，实现大面积的光伏发电，为该建筑提供大部分甚至全面的电量所需，有效减少了输电线的成本以及输电的损失。其次，选择校园中建筑面积比较大的建筑，比如体育馆等，这类建筑的整体性比较好，更有利于太阳的照射和光伏发电的高效性，也是光伏建筑的较好选择；再次，可以考虑校园中的办公楼、教学楼和宿舍楼，这类建筑显著的特点是建筑相对规整，并且能耗比较大，可以实现光伏发电的较大发电效率和用电效率。最后可以在实验楼建筑中采用光伏系统，虽然实验楼中实验设备较多较大，但是由于实验楼的利用和设计特色，使得实验楼的层面可利用率较小，这对光伏发电的成本和效率有一定的影响，因此，可以选择对实验楼最后使用光伏系统。

校园建筑中光伏系统的安装考虑顺序为：食堂和图书馆、体育馆、教学楼和行政楼、宿舍楼，最后是实验楼。然而，不同的学校中校园建筑的面积、利用及特点各不相同，各个院校可以根据自身的建筑特色制定不同的顺序方案。这样，根据校园建筑的不同特点进行顺序渐进式光伏建设，不仅可以有效降低首次投入的成本，并且随着我国光伏建设的增长，校园光伏系统的成本会进一步降低，从而使得整个校园光伏建设的投资成本降低。另外，采用顺序渐进式光伏建筑的建设，可以有效地对校园中多个光伏建筑进行集中管理，让每一个光伏建筑的发电量与内部耗能量相适应，并且临近的建筑之间也可以相互补充，实现光伏建筑的最大化利用效率。

3.3 根据建筑需求，设计最优化光伏方案

由于校园中建筑的异样化，不同的建筑存在不同的屋面样式，有着不同的光照环境，因此，为满足不同建筑的最大化光电效率，需要对光伏系统进行不同类型的设计和搭建。例如，针对办公楼的外部玻璃，可以考虑将采用光伏玻璃幕墙和可以调节透光率的光伏中庭；图书馆可以考虑将屋顶的绿化设计和光伏系统相结合，实现立面的装饰与光伏系统的百叶遮阳板相结合；考虑到体育馆的大建筑面积，需要考虑采用具有一定时代感、建筑感和大发电量的光伏系统；最后在教学楼和宿舍楼的光伏建设中，还需要将屋内的发电量、通风情况以及隔热状况考虑在内。

由此可见，不同的校园建筑，考虑不同的设计形式、用途以及特殊要求，需要对光伏系统进行有针对性的设计，另外，同种类型的校园建筑，即使有着相似的建筑形式和光照情况，光伏系统也可以通过单一类型的子变量进行深入的分析和探究，实现同种光伏电池在各种应用类型下的最大发电效率。除此之外，还可以对光伏系统的电池组进行优化设计，根据不同的光电需求和要求，选择更为合适的光伏电池，实现最大效益的发电方式。

3.4 采用创意性的光伏设计，提升校园美感

现代的校园建设不再单纯地局限于满足教育这个单一元素，越来越多的校园将更多的旅游色彩和美感元素融入其中，因此，校园在对建筑进行光伏布置时，可以将更多具有创意性的光伏系统与校园环境融合起来，除了发电减耗作用外，还可以起到一定的美化校园、增添校园趣味性、提升校园科技美感的效果，打造校园亮丽的风景线。例如，太阳能电动车、太阳能长廊、太阳能路灯、太阳能音乐喷泉等，无形之中丰富了学生的课外生活，提升了校园的美学层次。

3.5 融合更多绿色主题，营造绿色生态校园

绿色环保是当前整个社会发展的主旋律，因此，在校园光伏系统的布局和光伏建筑设计中，可以由光伏发电带动整个校园的绿色发展，比如可以借助于太阳能热水系统、校园中水系统以及绿色建筑等形式实现整个校园的环保意识，做到节能的同时，可以同时节水、节地、节材等，营造一个真正意义的绿色生态校园。

综上所述，光伏一体化技术在校园建筑中的应用有着良好的环境等自身优势，对校园耗能的降低以及校园环境的改善都有着积极的意义，因此，需要进一步加大校园光伏建筑的投入力度，带动绿色生态校园的发展。

[1]李芳，席晖.光伏建筑一体化技术在教学建筑中的应用设计初探[J].河南科技，2013,(9): 238-239.

[2]练成雄.浅谈光伏发电与校园建筑的应用[J].日用电器，2013,(10)：57-61.

[3]孙仲武.光伏发电在大学校园的应用与探索[J].四川建筑科学研究，2013，39(6)： 332-334.

[4]胡国进，敖四江，王晓玲.太阳能光伏技术在高校的研发与应用探析[J].江西教育学院学报，2012，33(3)：24-27.

[5]章红梅.太阳能光伏建筑一体化研究现状综述[J].结构工程师，2013,(5)：172-179.

Application Analysis of Photovoltaic Building Integration in Campus Environment

LIANG Nan

(Construction Institute, Anhui Engineering University, Wuhu Ahui 241000, China)

With the popularization of the integration of photovoltaic technology, campus photovoltaic construction has attracted increasing attention from the society. In this paper, based on the current campus energy consumption, the significance of application of BIPV in campus and the application advantage and efficiency advantages was analyzed. And some measures and ideas of building integrated photovoltaic application in the campus environment were put forward, combined with problems in the current technology of campus building integrated photovoltaic in China so as to create a better green ecological campus environment.

photovoltaic system; building energy consumption; campus; application analysis

2017-01-03

安徽工程大学校级青年科研基金“光伏建筑一体化(BIPV)在安徽地区的节能表现与应用价值分析”(2016YQ33)

梁 楠(1988—)，男，安徽合肥人，教师，硕士，研究方向为绿色建筑设计和城市更新。

TU201.5

A

1674-344X(2017)2-0059-04