打造先进的技术研发平台 推动建筑与城市能源绿色低碳转型——绿色能源建筑与城市研究院创新发展纪实

◎ 本刊记者 冯翔慧

绿色能源建筑与城市研究院（以下简称研究院）作为光伏建筑一体化（BIPV）的技术研发平台，致力于绿色能源建筑与城市领域的建筑设计、城市规划、能源协同、智慧能源等研发工作，以技术研发为基础，以创新为主体，以产业化为目的，以市场需求为纽带，着重解决国家重大需求和社会需求基础问题，提出创新的、前瞻性的光伏建筑一体化研究方向，促进绿色能源与绿色建筑技术水平提高，解决能源可持续发展和生态环境问题，力争打造成为先进的光伏与建筑技术研发平台、人才培养平台、产业化平台和国际化交流平台。平台建设方面，2022 年，经沈阳市科学技术协会批准，凌文院士与沈阳建筑大学合作建立的“绿色能源建筑与城市系统工程院士工作站”正式挂牌运行，并向中国工程院备案。经辽宁省科技厅、辽宁省发改委和辽宁省业技术研究院审批，研究院获得“辽宁省光伏新材料与节能建筑重点实验室”“辽宁省光伏新能源智慧建筑工程研究中心”“辽宁省产业技术研究院绿色能源建筑与城市研究所”三个省级平台。为光伏与建筑领域的技术研发、成果转化、产业孵化和人才培养提供了开放共享的高层次平台。

建筑智慧能源管理与碳云平台技术

突破核心技术，研发出光伏建筑一体化等技术产品

研究院团队已研发出国际领先的光伏建筑一体化技术体系，进一步将光伏发电建材转化为装配式光伏建筑构件，建构了完整的光伏建筑一体化系统。光伏发电就地消纳，让每一栋建筑都能成为能源生产者，实现了光伏与建筑的有机结合。

光风储智能一体化的区域性碳中和技术

团队已取得国际领先的核心技术体系，包括玻铝复合光伏建材技术、模块装配式光伏建筑构件技术、全信息数字化设计与评价技术、快速装配式施工与维护技术、光热利用与多能互补零碳建筑技术、建筑智慧能源管理与碳云平台技术、光风储智能一体化的区域性碳中和技术等七大核心技术，已具有50 项专利申请，授权38 项，形成了系统完整的知识产权保护体系。

全信息数字化设计与评价技术

研究院团队主要研发产品为装配式一体化光伏墙体、轻型复合光伏屋面、模块化建筑单元。装配式一体化光伏墙体，包括整体装配式、框架装配式和单元装配式三个构造体系，从外向内由新型光伏组件层、仿生控制外循环通风器、空腔层、内保温层、智能控制内循环新风机五部分组成，可替代传统建筑墙体，给建筑穿上发电的外衣。光伏在发电的同时还会产生大量的热能，该墙体采用仿生呼吸式空腔专利技术，冬季墙体空腔关闭，利用光伏热能形成暖墙，余热导入室内可为建筑辅助供暖；夏季空腔打开，通过烟囱效应将光伏热量快速排出，光伏层还可以起到遮阳作用。光电光热综合利用，使建筑冬暖夏凉综合节能10%以上。

轻型复合光伏屋面，采用柔性光伏技术，由柔性光伏组件与金属屋面复合成一体化发电屋顶构件，能够替代传统屋面材料。柔性光伏组件具有能弯曲、重量轻的优点，单位面积荷载远低于传统屋面，该成果可广泛适用于大跨度轻质屋面系统。

光热利用与多能互补零碳建筑技术

模块化建筑单元，在工厂内完成80%的标准化加工，包括主体钢结构、屋顶、门窗、地面、光伏墙体、集成式装修、电气线路、空调系统、给排水设施等，运输到现场后进行快速吊装组合，完成现场建造和家具布置后，即可投入使用。该产品具有模块化组合、无限扩展、内外装修一体化、快速装配，不占用土地、不破坏环境，能源自给自足的特点，可离网运行，广泛适用于旅游开发、抢险救灾、抗疫防护、健康养老等临时建设用地和电网无法接入区域，尤其适用于边塞岛礁和边防哨所的机动化、电气化、智能化军事设施。

注重成果转化，落地项目产生巨大的示范效应

团队已将现有研究成果应用于100 余个光伏建筑一体化示范项目，充分验证了技术的成熟度和可行性，示范项目运行效果良好，产生了巨大的示范效应。

快速装配式施工与维护技术

大连凯旋国际大厦灾后重建BIPV 项目，为世界首座应用彩色光伏的百米高层建筑。凯旋国际大厦位于大连市金州区金马路1 号，建筑高度98 米，功能为高层公寓及酒店。建筑呈门形，是大连金普新区的标志性建筑。2021 年8 月27 日，凯旋大厦由于火灾原因外墙受到大面积损毁。灾后重建工作引发了社会的强烈关注，光伏建筑一体化技术让凯旋大厦重获新生，成为引领城市绿色低碳发展的“未来之门”。新凯旋大厦光伏墙体面积达到3100 平方米，总装机量247.69 千瓦，年发电量20万度，直接经济收益为10 万元/年。在生态效益方面，新凯旋大厦每年可降低碳排放约110吨，相当于种植2.5万棵树的碳汇，实现建筑减碳30%以上！

广东惠州潼湖科技小镇项目

广东惠州潼湖科技小镇项目，为我国首座铜铟镓硒全覆盖式BIPV 项目。该示范建筑位于广东省惠州市仲恺高新技术开发区潼湖科技小镇内，总建筑面积5468.52m2，采用光伏组件作为建筑外装饰幕墙。项目总计使用光伏组件2037 块，总装机容量为198.61kW，采用“自发自用、余电上网、就近高效利用”分布式发电模式，有效避免了地面电站占地大、储能设备造价高的问题。项目建成后，年发电量为12.3 万度，可以满足建筑近10% 的用电需求（国家《绿色建筑评价标准》（GB／ T50378-2014）5.2.16 规定，可再生能源提供发电比例≥ 4% 就可以获得该项的满分10 分）。该项目BIPV 系统提供的发电比例远大于国家标准，进一步提升了建筑的绿色发展水平。

国家能源集团BIPV 中心项目

国家能源集团BIPV 中心项目，为我国第一座全装配式铜铟镓硒BIPV 项目。BIPV 建筑能源集控与实验平台，简称BIPV 中心，位于北京昌平区未来科学城低碳研究院园区内。BIPV 中心长47m（主体38m），宽20m，高9m，占地面积约752.97m2，建筑面积1063.69m2。主体建筑高8.67m，东侧附建一座光伏光热效应试验塔，高18.57m。项目东西南立面及屋顶敷设薄膜光伏组件1155 块，总装机容量112.60kW，预计年发电量7.5 万度，全部自发自用，可满足与BIPV 中心同样大小的办公建筑的35%～40%的用电量（国家规范办公建筑耗电量30～70W/m2，0.24～0.56 度电/m2）。

海南陵水珊瑚宫殿商业综合体科技示范项目

海南陵水珊瑚宫殿商业综合体科技示范项目。项目占地23484m2，总建筑面积51777m2，功能包括商铺、超市、影院及餐饮等，是一座全功能的商业综合体，于2019 年11 月投运。该项目3 栋建筑物建筑外立面采用BIPV 方式建设，铺装面积1357m2，布置彩色光伏组件1271 块，其中浅灰 色416 块(70.2W）、蓝 色358 块(72W)、深灰色(鼠灰)393 块(86W)，装机容量88.761kW。该项目作为国内首次使用彩色光伏组件的商业综合体，主要采用开放式横向明框幕墙结构将组件布置在外廊栏杆位置，与普通玻璃栏杆交替混合使用。项目建成后，年发电量为4.6 万度。

国华投资东台海上风电运维综合楼示范项目。项目位于江苏省盐城市东台市经济技术开发区，建筑面积2232m2，为3 层钢筋混凝土框架填充墙结构。示范楼宇外立面全部采用BIPV 方式建设，共布置光伏组件1352 块，其包含76 块定制尺寸组件和两种定制颜色（松鼠灰色、窗灰色）。此示范项目光伏发电系统总装机容量115.3kW，理论年发电约7.6 万度，运营模式为自发自用、余量上网。

低碳研究院二期105 单元示范项目。项目位于低碳研究院二期105 单元示范项目园区北侧中试厂房区域，总建筑面积33076m2，建筑高度23.7m，耐火等级一级。105厂房仅南外立面采用BIPV 方式建设，共使用光伏组件1544 块，其中标准组件(1200mm×600mm，97.5Wp/ 块)1391块，非标组件(900mm×600mm，72.3Wp/块)153块，装机容量146.7kW，理论年发电量约14.4 万度。该项目采用“光伏暖墙”设计新理念，利用冬季光伏幕墙的封闭空腔形成暖墙效应，达到建筑高效节能效果；同时在夏季利用“烟囱效应”达到光伏组件降温的目的，提高光伏发电效果。

沈阳万博材料研究中心分布式光伏电站项目

沈阳万博材料研究中心分布式光伏电站项目。该项目位于沈阳市浑南区创新路156 号，光伏安装面积9000m2，采用低压用户侧多点并网形式。在图书馆和多功能厅的屋面安装760kW 光伏组件，图书馆及展厅建筑面积23000m2，用电负荷为150W/m2，日用电量约2 万度，光伏所发电量占比12%。该项目采用“自发自用，余电上网”模式，年发电量90 万度，所发电量可为沈阳万博材料研究中心提供绿色清洁的能源供应。该项目充分利用建筑物空间，不额外占用土地。发电系统在运行过程中无噪音、无污染排放、无光污染，光伏屋面通过太阳能组件发电，每年可节约200 吨标煤，减少二氧化碳排放400 吨。

国华大连自贸区BIPV 分布式光伏一批次项目。项目位于辽宁省大连市自贸区，包含一号工业园、二号工业园、奥阑工业园、自贸大厦、国贸中心D 及E 座办公楼，在建筑屋面和立面安装光伏，屋面采用单晶硅光伏组件，立面采用铜铟镓硒光伏组件，总装机容量约2.0968MWp，年发电量245.5368 万度，25 年内发电总量可达到6138 万度，减排二氧化碳51076 吨。

国华天津风电基地办公楼项目

国华天津风电基地办公楼。项目位于天津滨海新区小王庄，为神华小王庄四期50MW 风电项目综合楼，建筑共3 层。在综合楼屋顶及南立面安装光伏组件，装机量64.37kW，预估年发电量6.31 万度。

推动建筑革命，为碳中和碳达峰贡献更大力量

展望未来，研究院将进一步加强城市建筑技术创新和产品研发，推动建筑革命与能源革命，推动建筑成为能源生产者，推动城市成为能源供给者，为我国的城市建筑节能环保和绿色低碳及碳中和碳达峰贡献更大力量。

推动建筑革命与能源革命。研究院坚决贯彻习近平总书记在二十大报告中提出的“推动绿色发展，积极稳妥推进碳达峰碳中和，立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动，深入推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用，加快规划建设新型能源体系”的重要指示，大力发展绿色能源建筑与绿色能源城市事业。绿色能源建筑充分利用建筑物屋顶与立面垂直空间，不额外占用土地。发电系统在运行过程中无噪音、无污染排放、无光污染。在建筑施工过程中无噪音、粉尘、运输车辆排放等污染。绿色能源建筑通过光伏组件每发1 度电，节省306.4 克供电煤耗，减排二氧化碳838 克、二氧化硫0.176 克、氮氧化物0.184克、烟尘颗粒物0.036克，极大缓解城市大气污染问题（数据来源：《2020 年度火电行业环境评估报告》）。

推动建筑成为能源生产者。据相关研究预测，到2040 年建筑行业终端能源消费的增长量将占全球能源增长的三分之一。大规模推广绿色能源建筑，可使建筑从能源消耗者变为能源生产者。所发电力直接在建筑中消耗，能够达到电能的高效利用，有助于实现零能耗建筑甚至是能量盈余建筑。在获得大规模应用后，将有可能实现负荷脱网甚至用户脱网。100 兆瓦火电厂占地约为82400m2，建设投资约为3.5 亿～3.8 亿元，绿色能源建筑的推广将降低电力基础设施投入。

推动城市成为能源供给者。传统意义上的城市是能源的消耗者，全世界80%的能源消耗集中在城市。随着经济发展和城镇化的加速，城市能源需求仍在不断增长。数据指出，2018 年全国建筑运行阶段能耗为10亿吨标准煤，占全国能源消耗总量的21.7%，其中，公共建筑能耗3.83亿吨标准煤，占比38.3%。全国建筑运行阶段碳排放21.1 亿吨二氧化碳，占全国能源碳排放比重的21.9%，其中公共建筑碳排放7.84 亿吨二氧化碳。这些数据表明，公共机构节约能源资源还有很大潜力。在城市中大力发展可再生能源，借助绿色能源建筑技术构建清洁、低碳、智能化的城市能源互联网，可使城市转型为能源供给者（数据来源：《中国建筑能耗研究报告2020》）。