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编者按
一、国家大剧院台湖舞美艺术中心“光电建筑”项目基本情况
（一）项目概况 中国大剧院通州舞美艺术中心位于北京市通州区的城市副中心台湖镇，总建筑面积59781 ㎡，包括国家大剧院台湖剧场、露天剧场、台湖公寓和地下停车场等配套设施。作为台湖演艺小镇“龙头”的国家大剧院台湖舞美艺术中心启用两年多以来，不但是名副其实的舞美“梦想城堡”，更吸引热爱艺术的城市副中心市民频频打卡。其中由中国建筑技术集团有限公司负责实施的“光电建筑”也吸引了人们的目光和包括央视媒体在内的众多媒体的关注。
△ 2022年元旦央视播放图1
△ 2022年元旦央视播放图2 中国建筑技术集团有限公司（以下简称“中技集团”）成立于1987年，是中央企业中国建筑科学研究院有限公司控股的核心企业。依托全国建筑行业最大的综合性研发机构中国建筑科学研究院有限公司的强大技术实力，中技集团拥有了数十名领域知名专家和一大批中青年科技骨干在内的懂科研、精技术、会管理的优秀人才队伍。中技集团已成为一家具有品牌优势的集规划、勘察、设计、施工、监理、咨询、检测与服务为一体的管理和技术并重的建筑企业，致力于为广大客户提供建筑工程全寿命期的优质服务。中技集团科研聚焦建筑工业化、建筑信息化、既有建筑改造、绿色建筑、生态城区、预应力、生态宜居环境等建筑行业发展热点领域，多项科研成果获得华夏科技进步奖等奖项。中技集团是北京市科委批准成立的北京市唯一一家既有建筑改造工程技术研究中心的依托单位。  △ 视频：央视《时尚科技秀》——会发电的建筑（时长：9′15″） 国家大剧院台湖舞美艺术中心作为光电建筑的示范项目，未涉及整体建筑的保温及采暖节能部分，因此单位能耗仅包含用电部分。以21年20数据，全年用电量551374度（其中光伏发电546023度），建筑面积59781㎡，用电单位能耗为551374/59781=9.2KWH/㎡a。根据“碳足迹”二氧化碳计算公式，若不使用光伏电，二氧化碳排放量为551374x0.785=432829KG/年，约433吨/年；由于使用了光伏电，每年减少排放二氧化碳546023x0.785=428628 KG/年，约429吨/年。 （二）“光电建筑”实施的必要性和意义 “光电建筑”是由可发电的建筑材料建造的建筑，是建筑的一种形式。其中可发电的建筑材料首先承担的是建筑功能，其次才是发电功能。光电建筑是将光伏发电这一特性融入建筑属性当中。 在建筑节能中，首先完成了第一步：建筑降耗。通过六五节能、七五节能和被动式技术手段，将建筑能耗降低到原来基准点的20%以内。在建筑领域实现碳达峰碳中和目标的未来建筑中，还将完成第二步：建筑产能，即第三次工业革命中的第二大支柱~建筑物产能。如何让建筑物产能，这就需要光电建筑形式。通过这两步建筑节能措施，将第一步剩余的能耗由第二步生产的能源平衡或抵消掉，从而实现节能建筑的最高形态零能耗建筑。光电建筑不同于以往光伏将建筑作为安装光伏的载体，它是将光伏发电作为建筑构件的一种功能，而建筑发电作为建筑的一种属性。因此，光电建筑是未来建筑的必然建筑形式，同时也是既有建筑物节能改造的一种方法。 实现碳中和的方法：植树造林、节能减碳等。光电建筑不仅是节能方法之一、其中的光伏发电也是减碳方法之一。因此建造光电建筑形式的零能耗建筑是建筑领域实现双碳目标的最佳方法。 （三）项目“光电建筑”的主要做法
主要采用了光电建筑和分布式光伏方法。 光电建筑就是将可发电的建筑材料使用在建筑上，在2号楼和3号楼使用了光电幕墙和光伏采光顶的光电建筑形式。 分布式光伏就是在屋顶安装光伏发电站，光伏只负担发电功能，不负担建筑功能。在4号楼、6号楼和7号楼屋顶安装了分布式光伏发电站。
（四）项目“光电建筑”的创新点 光电建筑的应用为未来零能耗建筑展示了可实现的方法。如果没有光电建筑，零能耗建筑就很难实现。以往建筑上使用光伏多遵循光伏+建筑的方法，即纯粹为了发电，没有与建筑融为一体，建筑只是被动的接受，但光电建筑使建筑与光伏融为一体，使发电成为建筑的属性，同时也使得光电建筑是所有建筑形式里成本最低理论得以成立。 （五）项目“光电建筑”实施目标 光电建筑示范尽可能使用可再生能源。光电建筑在2号楼和3号楼进行示范。以21年20数据，全年用电551374度，其中光伏发电546023度，可再生能源使用占比达到99%左右。 二、国家大剧院台湖舞美艺术中心“光电建筑”实施具体方案
（一）技术架构 本项目共有7幢建筑，分别为1号台湖剧场，2号台湖艺术公寓，3号艺术交流楼，4号舞美创意空间，5号舞美制作工坊，6号舞美仓储库房A，7号舞美仓储库房B。 建设时，中技集团结合绿色低碳建筑理念，根据每幢建筑实际情况，规划设计建设了总计604.123KW光伏装机量，包含光电建筑形式的发电幕墙、光伏采光顶以及分布式光伏形式的屋顶光伏。 （二）核心技术 光电建筑形式可用于建筑外墙和屋顶。本项目使用的光电建筑构件是包含发电玻璃在内的具有自主知识产权的光电建筑产品，这种建设形式已经从以前的发电玻璃只能依附在建筑上的形式，真正变成发电玻璃作为一种建筑构件使用，真正实现了光电建筑由概念变为实物。 项目设计及施工安装中，根据发电玻璃安装的位置和实现的建筑功能，对标准发电玻璃进行了二次加工，使得光电建筑构件中的发电玻璃符合建筑所要求的尺寸和透光率。 项目设计及施工安装中，根据具有多个安装地点和朝向的实际状况，选用了组串式逆变器。组串式逆变器直接安装于组件附近，就近把光伏直流电转化为交流电，再通过交流配电箱汇流后输出到并网点，免去了逆变房的使用。由于采用组串式逆变器，实现了每 2-4 串一路 MPPT，也避免了组件失配问题。由于组串式逆变器允许多路输入，每路具有单独的 MPPT，能够使组串并联阵列较好地避免模块差异和遮影等因素带来的影响，减少了多路光伏组件与逆变器 MPPT 值不匹配情况，提高了发电量。 （三）主要建设内容及功能特点 2号台湖艺术公寓楼顶采用了光电建筑形式的光伏采光顶，使用了147片40%透光碲化镉光电建筑建筑构件，装机量12.789KW，该方案很好的兼具采光和发电功能。
△ 2号楼采光顶施工图 3号艺术交流楼中庭屋顶采用了光电建筑形式的光伏采光顶，使用了138片40% 透光碲化镉光电建筑构件，东立面玻璃幕墙采用了光电建筑形式的光电幕墙，使用了46片40% 透光碲化镉定制带国家大剧院logo光电建筑构件，该楼总装机14.03KW。该方案能展示形象，兼具采光和发电等功能。
△ 3号楼采光顶施工图
△ 2号楼室内（左）、2号室外（右）
△ 2号室外整体图 4号舞美创意空间为混凝土屋顶，规划设计建造了2170片碲化镉标准组件的分布式光伏，光伏装机量为184.45KW，主要为发电功能兼具建筑屋顶隔热。 6号、7号舞美仓储库房屋顶为彩钢瓦屋顶，规划设计建造了4536片碲化镉标准组件的分布式光伏，光伏装机量为385.56KW，主要为发电功能，兼具了延缓屋面彩钢瓦老化功能。
△ 4号、6号、7号屋顶分布式安装图 （四）主要技术指标
（五）设备选型
（六）碳交易管理等具体操作方式 项目设计及开始运行阶段，还未开始碳交易，因此未进行这方面统计。 三、国家大剧院台湖舞美艺术中心“光电建筑”应用成效
本项目的建设目标是以“节约、优质、清洁”为基本原则，着力开发建设屋顶分布式光伏项目和光电建筑示范项目，实现可再生能源在建筑领域应用的突破性发展。 （一）社会效益 本项目光伏建设在国家大剧院舞美基地房屋顶上和幕墙及阳光顶处，不但可充分利用太阳能进行光伏发电，节约建筑物用电成本，更能起到良好的示范作用，为开发和推广光电建筑及分布式发电技术贡献力量。开发本项目符合国家和北京市的相关政策，能充分利用当地太阳能资源、优化能源结构、减少温室气体排放、推广太阳能利用，具有良好的示范作用和较好的社会、经济和环境效益。
（二）经济效益 本项目自2018年12月建成试运行发电以来，整体项目发电稳定，分别于2019年发电545115kwh; 年2020发电562930kwh; 21年20发电546023kwh，总计发电1654068kwh，节约燃煤542.533吨，减少二氧化碳排1649.11吨,减少 SO2排放量约为10.255t，NOx（以 NO2计）排放量约为 3.474t。根据北京商业用电平均价格1.3元/kwh；北京市对光伏补贴：分布式光伏0.3元/kwh，光电建筑形式0.4元/kwh；通州区对光伏补贴：600kW以上，最高补贴100万元的文件精神，本项目21年20光伏年收入为： 1.3×546023+0.3×546023+1000000=1873637元
△ 用户使用报告
△ 21年20发电量统计 以21年20项目数据分析来看，由于项目内光伏发电全部自用，全年用电量一部分来源于光伏发电546023度，另一部分来源于电网（8409.97-5461.94）+（6979.12-4575.88）=2948.03+2403.24=5351.27度，全年用电量为546023+5351=551374kwh。其中使用光伏电占比546023/551374=99%；每年节省燃煤179t；每年减少二氧化碳544t，减少 SO2排放量约为3.419t，NOx（以 NO2计）排放量约为1.158吨。达到了设计要求，实现了近零能耗的水平。 （三）环境效益 本项目按绿色建筑三星级设计，其中采用了绿色能源——光伏电，并在设计中采用先进可行的节电、节水及节约原材料的措施，能源和资源利用合理，设计中严格贯彻了节能、环保的指导思想，在技术方案、设备和材料选择、建筑结构等方面，充分考虑了节能的要求，减少了线路投资，节约了土地资源。本工程各项设计指针达到国内先进水平，为项目长期经济高效运行奠定了基础，符合国家的产业政策，符合可持续发展战略，节能、节水、环保。 光伏电是一种清洁的可再生能源，光伏发电不会产生大气、水污染问题和废渣堆放问题。通过贯彻落实各项节能措施，本工程节能指标满足国家有关规定的要求。 四、“光电建筑”的经验与做法
项目建设在北京城市副中心通州区。建设城市副中心有两个重点：绿色能源和绿色建筑。使用可再生能源作为城市副中心实施碳达峰碳中和的专项行动，所有新建建筑达到三星级绿色建筑标准。项目作为践行上述目标的典型示范，有以下经验做法可供推广： 1. 光电建筑是节能建筑节能手段的第二步——建筑产能，是建筑节能的方法，其中光伏的加入，是建筑减排脱碳的方法之一。一项光电建筑完成了节能减排双项任务，所以推广光电建筑是建筑领域完成双碳任务的最佳方法。
2. 光电建筑是所有建筑形式里成本最低的。光电建筑可以看成是将普通建筑中的普通建筑材料替换成可发电的建筑材料。这就使得光电建筑的成本由于发电的收入逐年在降低。普通建筑的成本是静态的，是靠折旧回收的；而光电建筑的成本是动态的，除了折旧回收外，还有发电收入减少成本。由于光电建筑材料首先承担的是建筑功能，它的寿命是用整个建筑的生命周期来衡量的。经过测算，光电建筑材料在建筑生命周期的前1/4左右的时间就可与普通建筑材料持平。由于光电建筑是普通建筑建筑材料替换而来，所以，光电建筑形式是所有建筑形式里成本最低的，只是初投资高于普通建筑。用下图表示：
△ 光电建筑与普通建筑成本对比曲线图 3. 本项目的2号楼、3号楼在传统的玻璃幕墙、阳光顶位置，用碲化镉薄膜透光中空夹胶发电玻璃光电建筑构件代替了传统的中空玻璃普通建筑构件，采用幕墙安装结构，创新性的设计了适合光伏系统的隐藏式走线结构，在符合建筑规范的同时，保证了建筑的美观。 4. 通过本项目和其它光电建筑项目的实施，为编制光电建筑相关标准积累了经验。中国建筑科学研究院有限公司主编的国内首个“光电建筑”标准——《光电建筑技术应用规程》T/CBDA 39-2020于年20207月1日开始实施。系列标准中《光电建筑用发电材料与设备》、《光电建筑应用系统检测标准》、《光电建筑防火规程》正在编制过程中。
5. 本项目之后，促进了光电建筑项目推广，如：2019年北京延庆世园会中国馆、2022年冬奥会国家滑冰馆、广州美术馆、国电投办公楼节能改造等等。可以说：光电建筑的出现彻底改写了建筑的属性，即原有建筑是耗能的而光电建筑是产能的，同时还是零能耗零碳排放的一种不可或缺的建筑途径，既能用于新建筑又能用于既有建筑的节能改造。 五、“光电建筑”在当前阶段实施的问题与建议的经验与做法
在光电建筑推广的过程中，首先是观念问题需要转变，这个不仅存在光伏领域，在建筑领域也很普遍。光电建筑属于建筑形式，不是光伏形式。光电建筑来源于节能建筑的发展，产生于建筑节能的第二步---建筑产能。由于是建筑形式，才能将普通建筑作为参照对比物，才能得出光电建筑的成本特性。与光电建筑十分类似的是光伏界常说的BIPV。BIPV来源于“光伏+N”，N代表各种光伏应用场景，有一种场景叫“光伏+建筑”，即将建筑作为光伏安装的场景，目的是发电。由于最早出现的是BIPV，所以具有光伏特征的“光伏能给你带来收益”就成为了深入人心的观念。在没有涉及过“光电建筑”的建筑界，存在普遍的将光伏理论代替建筑理论的现象。比如，一谈到光伏与建筑，首先问的是的多少年收回成本，但在建筑界没听说过问建材多少年收回成本吧？因此，普及光电建筑观念是首要的。第二需要政策引导和鼓励。这方面，北京市政策就尤其值得推广，将光伏发电与光电建筑形式分开，尤其鼓励光电建筑。第三是光伏发电材料与建筑要求相适应，在本项目中采用的碲化镉发电玻璃就是其中代表。
随着国家“碳达峰、碳中和”战略目标的确定，路线图的规划，各方面的落实，中国建筑技术集团有限公司将紧跟国家政策导向、积极挖掘自身潜力，结合自身行业特点及所处位置，将绿色建筑、低碳建筑、零能耗建筑、光电建筑结合新能源产业纳入本单位“十四五”期间战略规划，为完成“双碳目标”贡献力量，做出成绩。
中国建筑技术集团有限公司在2022年将利用多种平台积极组织开展宣传和宣讲工作，将建筑领域完成碳达峰碳中和的方法广泛推广，同时配合城市更新、智慧城市，开展多方面工作，为完成国家交给的使命不懈工作。 作者简介：王志东（中国建筑技术集团有限公司工程技术研究院）
△ 王志东 中国建筑技术集团有限公司工程技术研究院养老研究所光电建筑总工程师、高级工程师。主导国内第一个近零能耗建筑示范项目——“中美清洁能源联合研究中心CABR近零能耗示范楼”光电建筑系统的设计、安装、并网全过程。主编《光电建筑技术应用规程》、《光电建筑用发电材料与设备》、《光电建筑应用系统检测标准》、《光电建筑防火规程》等规范。专利11项。中国金属结构协会光电建筑应用专家、国家军队物资采购专家库专家、中国光伏行业协会光电建筑专委会专家、CSTM专家库核心委员、CECS建筑防火专委会委员、中国城市碳中和指数实验室特聘专家。 （责任编辑 / 唐 琦） |
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