光伏建筑一体化 (BIPV) 是一种通过太阳能利用实现零能耗建筑 (ZEB) 的有效技术。BIPV 系统可以将光伏组件无缝集成到外部建筑表面，例如墙壁、屋顶、遮阳设备和装饰组件。此外，它还可以产生清洁能源。从环境和经济的角度来看，光伏发电比化石燃料发电具有更多优势。首先，与有限储存的化石燃料相比，每天到达地球表面的太阳辐射包含人类每天所需能量的10,000倍。其次，光伏组件的制造过程仅产生少量二氧化碳（20–30 克二氧化碳当量 (CO 2 e/kWh)）。
1. 新加坡的绿色建筑理念
1.1. 新加坡建筑能耗概况
新加坡的主要温室气体排放源是 CO 2，主要由发电部门因使用化石燃料而产生。尽管自 2005 年以来，燃油能源厂已在很大程度上被燃气能源厂所取代，但新加坡 95% 的电力都是由天然气产生的。有必要制定基于燃料组合的发电策略，特别是包括可再生能源的应用。然而，新加坡是一个资源受限的城邦，可再生能源选择有限：- (1)新加坡的平均风速达到约 2 m/s，低于商用风力涡轮机 4.5 m/s 的标准。
- (2)由于潮差窄，海面平静，没有实施潮汐发电的潜力。
- (3)不能利用水力发电，因为没有全年水流湍急的河流系统。
- (5)由于人口密度高和土地稀缺的限制，基于生物质的能源发电在新加坡并不合适。
鉴于上述原因，太阳能是唯一有可能影响能源网络的可再生能源。如前所述，鉴于新加坡有限的土地资源和密集的大都市区，BIPV 系统可能是一种可行的解决方案。此外，缺乏适合光伏电站的种植面积。尽管屋顶表面可以接收充足的阳光，但由于机械、电气和管道 (MEP) 基础设施的布置，高层建筑的可用空间受到限制。建筑物越高，立面面积与屋顶面积之比越高，立面上适合 BIPV 部署的区域就越多. 新加坡建设局 (BCA) 制定了严格的建筑标准，以实现零能耗 (ZEB) 和正能量建筑 (PEB)。因此，BIPV 系统构成了一项关键的 GHGE 缓解策略，同时还实现了热带绿色建筑。1.2. 新加坡绿色建筑的定义和指标以及新加坡绿色建筑总体规划 (SGBMP)
在全球范围内，绿色建筑的概念各不相同，因为要考虑当地的经济和技术环境条件。在新加坡，某栋建筑可以获得绿色标志认证，从而指定其为绿色建筑。2018 年修订的最新 Green Mark 认证方案涉及以下 5 个关键部分：- (1)可持续设计和管理，包括基础建筑选择、综合设计和管理承诺以及员工参与；
- (2)能源和资源管理，包括空调、照明、插头负载、水和废物；
- (3)办公环境，包括居住者评价、空间质量（照明、声学、办公室设计）和室内空气质量；
- (4)工作场所的健康和福祉，包括更健康的饮食和身体活动、戒烟和心理健康；
- (5)先进的绿色和健康功能，包括智能办公、可再生能源和健康促进。
Green Mark作为一种认证工具，可以评估热带地区的建筑能源性能，并指导建筑利益相关者通过选址、设计、运营、维护、居住者参与和授权等过程实现能源效率的提升。除了新加坡的Green Mark认证体系外，其他绿色建筑评级和认证体系还包括英国建筑研究机构环境评估（BREEAM）、美国能源与环境设计领导力（LEED）、德国可持续建筑委员会（Deutsche Gesellschaft） für Nachhaltiges Bauen 或 DGNB)，以及中国的绿色建筑评估和标识 (GBEL)。1.3. 在热带地区实现超低能耗建筑 (SLEB) 的技术
2018 年，BCA 宣布启动一项新计划，即超低能耗建筑绿色标志计划（GM SLE 计划），作为新加坡绿色建筑运动的下一波浪潮，旨在提高一流建筑的能源效率、现场或场外可再生能源的应用，以及智能能源管理工具。SLE 计划包括以下三种类型的建筑：超低能耗建筑 (SLEB)、零能耗建筑 (ZEB) 和正能量建筑 (PEB)。这三类建筑都要求比 2005 年水平节能至少 60%，核算系统包括采暖、制冷、通风、生活热水、室内外照明系统、插头负载和建筑内交通. SLEB 实现是实现 ZEB 和 PEB 的先决条件。ZEB 要求所有能源消耗，包括插头负载，都由现场或异地的可再生能源提供，而 PEB 必须实现 10% 的能源盈余。1.4. BIPV在新加坡绿色建筑中的应用
基于以上讨论，BIPV等可再生能源的应用是实现零能耗和正能耗建筑条件的关键。此外，不同类型的建筑在SLE方案中应针对不同层次的实现。例如，低层和中型建筑应努力获得ZEBs甚至PEBs认证，因为它们的屋顶区域通常为光伏安装提供足够的空间。虽然高层建筑的暖通空调能耗远高于中低层建筑，屋顶面积也比中低层建筑小，但可用于光伏集成的立面面积更大，至少可以通过SLEB认证。目前，作为第一个这样做的东南亚国家，如果任何工业实体从 2020 年到 2023 年释放的温室气体等于或超过 25,000 吨 CO 2 e，新加坡将征收 5 SGD/t CO 2 e 的碳税，并计划到2030 年将碳税提高到 10-15 新加坡元/吨 CO 2 e。建筑行业的利益相关者应将这些政策视为脱碳指南，并在为 BIPV 建筑设计和施工设定未来目标时应用上述信息。二、BIPV系统的近期发展
2.1. BIPV系统的历史演变
在 70 年代后期，美国能源部开始支持增强分布式光伏系统的项目，包括支持与光伏行业的合作以整合建筑材料。到 80 年代，建筑业已经意识到光伏技术的潜力及其审美接受度，尽管 80 年代光伏技术的成本阻碍了其发展。在欧洲，Wohnanlage Richer于1982年在慕尼黑建成；由 Thomas Herzog 和 Bernhard Schilling 设计的住宅楼在幕墙上包含多晶电池，成为第一个玻璃表面集成光伏装置. 1991 年，亚琛的公用事业大楼首次采用光伏板作为外立面的半透明玻璃。关于 BIPV 结构主题的科学文献是在那段时间在欧洲出版的。随后，美国能源部启动了一项名为“Building Opportunities in the United States for Photovoltaics Program”的计划，以帮助BIPV产品商业化。与此同时，欧洲在欧洲发布了Solar Architecture，日本也加入了这些努力，宣布了类似的计划。所有这些计划都旨在促进创新 BIPV 项目的商业化。国际能源署 (IEA) 于 1997 年建立了光伏发电系统计划，旨在提高建筑行业光伏系统的建筑质量、技术可行性和经济可行性。此后，建筑业成功地实现了在世界范围内开发的项目，随后在大量论文中进行了报道. 自 1991 年以来，BIPV 系统已安装在商业建筑中，示例通常是亚琛的公用事业大楼。纵观全球，其他国家的案例较多，如2010年竣工的中国虹桥火车站大楼，集成了庞大的BIPV系统，总装机容量为6.5MWp；因此，将太阳能系统集成到建筑物中的使用是 BIPV 发展的最重要驱动力之一。2.2. 光伏建筑一体化（BIPVs）及其发展
BIPV技术是指将光伏电池集成到传统建筑材料中的某种光伏电池应用技术。建筑表皮不仅是抵御元素的保护层，也是体现建筑语言的结构组成部分。有关绿色建筑和可持续性的更严格的建筑标准和法规促使建筑师/开发商探索高性能外墙技术和产品，例如光伏材料。然而，与传统光伏应用相比，考虑到材料、施工、连接、制造顺序和安装的背景，BIPV 构成建筑系统的一部分. 由于建筑师在定制建筑表皮的技术解决方案方面需要显着的设计自由度，因此 PV 模块在颜色、形式和性能方面取得了很大进步，以适应各种建筑表皮选项。2.2.1. BIPV系统
BIPV模块可以替代传统的建筑构件，作为建筑系统的一部分发挥作用。BIPV 系统涉及 PV 材料，当与传统建筑材料结合使用时，无需通过建筑围护结构进行热传递。一般来说，集成到建筑表皮中的BIPV系统有以下三种：屋顶（BIPV瓦片和天窗）、立面（BIPV幕墙和覆面墙）和附件（BIPV遮阳装置和阳台）。 图 1显示了 BIPV 系统的一般类型。2.2.2. BIPV屋顶系统
与非集成式光伏屋顶系统（如建筑附加光伏 (BAPV) 系统）不同，屋顶 BIPV 系统将现有的建筑屋顶材料（如瓷砖）整合到结构中，而无需额外的安装结构，如机架和导轨。BIPV 瓷砖在颜色和尺寸方面可以在外观上与传统瓷砖相似，以满足敏感建筑区域的要求。根据，由于新加坡位于赤道附近，最佳的太阳辐射接收方向是东经10度。虽然BIPV瓦片产品据推测可达到19.5%的高发电效率，它们的实际应用还需要在当地进一步验证。BIPV天窗不仅可以发电，还可以让光线进入室内，从而减少人工照明的能耗。根据以往的研究，当半透明太阳能组件应用于日光室时，组件温度每升高1度，发电量就会下降0.52%。当光伏组件直接安装在建筑保温材料上时，研究李等人已经透露，由于没有循环空气，模块的温度可能会升高并且其性能可能会下降。因此，越来越多的研究集中在 BIPV 通风上，这可以通过自然或强制通风系统来完成，并且在这些研究中，进行了热性能建模和模拟。2.2.3. BIPV幕墙
根据集成光伏功能的不同，外立面BIPV可分为两大类，即直接构成外立面结构的BIPV幕墙和幕墙。因此，有必要考虑建筑围护结构的基本特性，如防风雨和防水。此外，在设计后一种墙型时，除了立面外，还应考虑室内能见度和直射阳光。需要指出的是，以往的研究主要集中在BIPV包覆墙与相变材料的集成上(PCM) 以提高光伏系统的效率和散热。研究表明，在其他地区，集成 PCM 的 BIPV 系统可以在一定时间（130 分钟）内将 PV 表面温度保持在 29 度以下。BIPV幕墙必须在可见光透过率和功率转换效率之间取得平衡，同时还要考虑颜色和热舒适性等方面. 半透明 BIPV 模块在挤压件（铝、钢或木头）内形成框架，以承受风荷载和降雨渗透。幕墙可以采用多种方式建造，以满足许多功能需求，例如隔热、风雨密、隔音和防水。这些系统包括条式幕墙、单元式幕墙、密封胶结构和点固定或悬吊幕墙。一般来说，双层玻璃光伏系统在隔热方面比单层玻璃光伏系统表现更好。为了减少热传输，可以将绝缘层应用于单层玻璃光伏系统。据相关研究表明，如果在热带地区将光伏系统直接应用于外皮，可能会导致室内温度升高，从而加剧室内热舒适和湿度问题. 因此，在新加坡等热带地区，基于发电量、人工照明功率和制冷能耗等指标，在所有建筑朝向下应用半透明 BIPV 窗户具有显着潜力。为了从不同的模块中获得最大的发电优势，需要多种设计方法来最大化不同方向下的窗墙比。2.2.4. 配件
附件是建筑立面的外部构件，如遮阳装置、栏杆、女儿墙等。配件中经常采用透明和不透明的 BIPV 模块。与第一代光伏电池相比，重量轻的第二代光伏电池对部分遮蔽和高温表现出更高的耐受性。因此，后者的电池更适合用作遮阳装置。应考虑自适应太阳能立面，即模块化动态遮阳装置任等研究表明，遮阳对各个建筑物的影响各不相同。与静态 PV 遮阳系统相比，自适应太阳能立面可节省 20-80% 的能源。由于该系统既可以控制立面发电，又可以监控楼宇用电量，提供了一种新的楼宇管理方式。BIPV阳台，通常指BIPV栏杆和女儿墙，可以突出建筑物及其周围环境的建筑特色。BIPV阳台可以利用这个建筑表面来吸收阳光。光伏模块可以根据它们的方向组合在一起，形成具有格外优雅外观的直流阵列。2.3. BIPV项目
BIPV 屋顶提供了多种设计可能性（图 2 a-f）。由于与 URA 和 SCDF 要求相关的挑战，BIPV 屋顶在建筑物中的应用可能会受到限制。例如，在现有建筑物中添加 BIPV 屋顶可能会导致总建筑面积增加、结构问题和不利的功能组织。然而，BIPV 屋顶还具有多种优势，例如在发电的同时提供遮挡天气（太阳能/雨水）的场所。提出的“光伏空中花园”概念如图（图2 ）一种）。通过控制格栅的密度，在雨棚下营造良好的自然通风环境，降低冷负荷的能耗，并允许部分自然光透入。光伏组件与格栅组合开发为模块化组件，便于安装和拆卸。该解决方案实现了三种资源的共生利用，即自然光、风能和太阳辐射。3. BIPV 在新加坡实施的障碍
作为一个人口稠密的城市国家，新加坡尤其拥有广阔的高层建筑立面区域，从而为 BIPV 部署创造了理想区域。然而，在新加坡广泛实施 BIPV 存在一些障碍。基于多利益相关方方法的几项研究，已经证明，即使 BIPV 开发的驱动程序同时完成了 Green Mark 认证和 CO 2 减排方面，新加坡 BIPV 实施的障碍可分为以下五类：政策障碍、经济障碍、产品障碍、人力和社会障碍以及信息障碍。
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