基于BIPV 光伏建筑一体化技术应用于优化建筑碳排放的思考

1 引言

全球气候变暖背景下，中国作为全球第二大经济体，在2020 年提出“2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和”战略目标。建筑业作为碳排放关键领域，承担着重大的减排使命[1] 。据《2021 年全球建筑建造业现状报告》显示，2020 年，建筑部门占与能源相关二氧化碳排放量的 3 7 % ，占全球最终能源消费量的 。开发和利用可再生且无污染的替代能源已成为当务之急 [2]。建筑行业需要一场以净零能耗、产能型设计及碳中和为核心的技术革命。面对不断加剧的生态压力和资源约束，创新型建筑模式通过能源自循环系统与碳排放抵消技术，重塑行业可持续发展路径，将成为推动绿色低碳转型的关键突破口。

太阳能作为一种清洁、无限、可再生的能源，被认为是是实现节能减排目标的理想选择之一 。太阳能热利用技术因其形式多样、易与建筑结合等优点成为应用量前三的可再生能源技术之一 [3]。现在存在于建筑行业的太阳能供能系统分为被动式节能系统、主动式节能系统。

1.1 被动式节能系统

被动式节能技术通过优化建筑围护结构与气候适应性设计，如自然采光、通风、隔热等，减少对机械设备和传统能源的依赖，从源头降低建筑全生命周期能耗，但其降低建筑能耗的手段[4]是“通过被动手段减少能源需求”，而非主动生产或转换能源。

当前被动太阳能采暖技术的核心目标在于优化冬季供暖能效，其应用需针对性筛选气候寒冷且采暖需求显著的区域，同时规避冬季低温持续时间短但夏季高温的地区。此类区域若采用该技术，可能因冬季供暖需求不足与夏季高温叠加，导致建筑热负荷失衡，引发夏季室内过热问题[5]。

现阶段，依据被动太阳能的舒适度范围，在气候控制分析图上对中国典型地区冬季太阳能采暖的时间利用率加以分类，得到五类代表地区。然而，当前的分区成果仅能体现被动采暖技术在不同地区的适用性，难以精准指导不同被动技术的选型。

被动式节能技术在应用过程存在一定局限性，只有在适应当地气候时，其节能减排的潜力才能被充分挖掘，其效能高度依赖气候适配性与设计精准度[8]。由于我国地域辽阔，不同地区间气候差异较大， 即便是同一种被动式技术，在同一类型建筑， 不同气候区， 其节能减排效果差异明显， 因此被动式节能技术的选择需要因地制宜[6]。

1.2 BIPV 光伏建筑一体化技术

光伏建筑一体化技术（BIPV），作为清洁能源与建筑融合的创新模式，正引领现代建筑的绿色革命。这种将太阳能发电系统深度植入建筑结构的解决方案，通过光伏组件与建筑围护结构的有机整合。光伏组件通过两种方式与建筑融合：一是作为外层材料集成于建筑围护结构表面；二是替代传统建材成为建筑主体结构的组成部分。通过整体化设计与建造流程，实现发电系统与建筑本体的功能集成，在保障建筑基础性能的同时输出电能[7]，为打造低碳建筑生态提供关键技术支撑。BIPV 不仅仅是“光伏+建筑”，而是二者的有机融合，光伏发电系统通过内部多元组件协同工作，将捕获的太阳能高效转化为可供使用的交流电能，直接为建筑内各类用电设备及配套附属设施输送电力，形成建筑自持的能源供给模式[8]（详见图二）。

当前BIPV 技术主要呈现两种实施路径：其一是采用外挂式安装方式，将光伏装置作为建筑表皮的附加层；其二是通过构件一体化设计，使光伏系统与建筑结构形成不可分割的复合体系。光伏与建筑一体化应用技术可以利用太阳能的可再生能源来发电，又可作为多功能建筑材料构成实际的建筑构件，为建筑提供采光、遮阳、通风等附加功能[9]。无论采用何种技术路线，BIPV 都展现出显著的环保效益与节能价值，通过优化建筑能源结构，助力建筑领域实现能效跃升与碳排控制。

相较于被动式节能技术，BIPV 的核心优势在于将建筑从能源消耗终端升级为产能单元，同时兼顾功能、美学与经济效益。其价值不仅体现在单一技术的节能效率，更在于重构建筑与能源系统的关系，推动城市能源结构转型。对于高密度城市、既有建筑改造、以及追求碳中和目标的场景，BIPV 的主动产能特性使其成为不可替代的解决方案。

2 建筑 BIPV 光伏组件

当前民用领域的光伏组件类型主要有：晶硅光伏组件、碲化镉薄膜光伏组件以及钙钛矿光伏组件三类。晶硅光伏组件是目前应用最广泛、技术最成熟的光伏产品，此类光伏组件是以高纯度硅为核心原料，通过切片、加工制成电池片，再封装成组件。主要分为单晶硅组件和多晶硅组件两类。

晶硅光伏组件主要优势为 1、单晶硅组件转换效率高，适用于面积有限的屋顶；2、技术稳定成熟，产业链完善，可靠性强，发电稳定性高；3、实际使用寿命可达30 年以上。但该光伏组件弱光性能较弱，易受阴雨天气影响，并且遭遇高温天气时，光伏效率会略有降低。

碲化镉薄膜光伏组件是一种以碲化镉为吸光材料的薄膜太阳能技术，具有成本低，弱光性能强等特点。碲化镉薄膜光伏组件的典型结构为：玻璃基板+透明导电层+CDTe 层+备电极，厚度仅为2-3 微米，比晶硅组件更轻薄。其核心优势为1、弱光发电性能强，综合发电量可比晶硅组件高 1 0 % ；2、受高温影响小（温度系数约- ，晶硅约- ）；3、生产工艺简单，耗材少，规模化后成本低于晶硅组件；4、抗遮挡能力强，部分阴影遮挡对系统整体发电量影响较小。

钙钛矿光伏组件是一种基于钙钛矿结构材料的新型太阳能技术，近年来因其高效率和制备灵活等优势备受关注，被视为光伏领域的“颠覆性技术”。钙钛矿具有优异的光伏吸收性能和载流子传输吸能，并且钙钛矿光伏组件具有优异的弱光性能，在室内或阴雨天的散射光仍能高效发电。但钙钛矿光伏组件存在稳定性问题，钙钛矿材料易受湿度、高温、紫外线影响而分解，组件寿命普遍不足1 万小时（晶硅可达25 年），并且实验室小面积电池效率高，但放大至组件级别时易出现均匀性下降。

3 项目运用与分析

3.1 项目概况

以眉山市仁寿县芙蓉天府三期居民楼为例，对此类高层居民住宅楼使用BIPV 光伏建筑一体化技术，优化建筑碳排放，同时运用 BIM 技术对其全生命周期碳排放进行跟踪、控制。眉山市地处四川盆地西南边缘，属于亚热带湿润季风气候，全年阴天、雾天较多，日照时数约1000-1200 小时，单位面积接收的太阳总辐射能量，约为 900–1100kWh/m²/年。

3.2 光伏组件的选择及安装

由于眉山市的年平均水平面总辐射量相对较低，BIPV 建筑所采用的光伏组件需具有较强的弱光性优势，因此选择碲化镉光伏组件更加契合本项目。

高效碲化镉组件，First Solar Series 6，功率 450W，弱光下效率 1 8 % 。尺寸约 2 m× l m ，适配居民楼屋顶空间。为了优化布局：建筑平屋顶采用可调20°-25°倾角支架，利用东西向布局减少阴影遮挡。在平屋顶组件间留0.8m 通道，便于清洁和检修。组件优先朝南安装，避开周边树木或高层建筑阴影。

3.3 BIM 技术运用于建筑运维阶段

利用集成在逆变器端发电量传感器，记录碲化镉组件的实时输出功率，并在建筑物内外部署温湿度传感器和光照传感器，监测室内外环境对能耗的影响。通过BIM 平台的 API 接口，将传感器数据实时同步至BIM 模型。随后利用 Dynamo 脚本或Revit API，将实时数据如每小时发电量绑定到BIM 模型的光伏组件族参数中以监测BIPV 光伏组件的运行效率。例如当某块碲化镉组件发电效率下降 10 % ，模型自动高亮显示该组件位置以方便后期更换光伏组件。最后，系统将数据存储与明确的时间结合，支持回溯分析对比雨季与旱季的碳排放差异，为后续跟踪建筑物碳足迹提供便利。通过以上措施，建筑碳排放总量由开始的95230.85tCO2e 减少到现在的 77564.84tCO2e， 将减少 17666.01 t 的 CO2 排放量。

4 结论

本文以眉山市仁寿县芙蓉天府三期居民楼为例，对此类高层居民楼运用BIPV 光伏建筑一体化进行了设计和阐述。BIPV 是建筑与能源跨界融合的典范，尽管面临成本与技术瓶颈，但其在节能降碳、技术兼容性和优化建筑全生命周期碳排放价值上的优势，使其成为绿色建筑与智慧城市发展的关键技术方向。

参考文献

[1]于静.“双碳”背景下绿色低碳建筑项目风险因素研究[J].建筑经济，2023，44（S2）：

[2]顾钦子.基于案例的光伏建筑一体化系统全生命周期经济性分析[J].建筑经济，2023，44（S2）：

[3]张昕宇，边萌萌，李博佳，等.建筑太阳能热利用技术研究进展与展望[J].建筑科学，2022，38（10）：

[4]GOUDRZIH，MOSTAFAEIPOUR，Energy saving evaluation of passive systems for residential buildings i n hot and dry regions

[5]王磊.西藏地区被动太阳能建筑采暖研究[D].西南交通大学，2008.

[6]王佳昕，戴聪，李虎，等.建筑被动式节能技术碳减排效应评价— 以被动式太阳采暖为例[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2025，57（01）：

[7]任小玲，周逸铖，杨晨旭.光伏建筑一体化应用及经济效益分析[J].建筑经济，2022，43（S1）：

[8]李莉.BIM 技术在光伏建筑一体化设计中的应用[J].电池，2023，53（04）：477-478.

[9]姜妍.既有公共建筑改造中光伏建筑一体化设计研究[J].施工技术，2017，46（09）：113-117.