一、前言

　　2020年9月22 日，习总书记在第75界联合国大会上宣布了中国减少二氧化碳排放的 战略目标，力争在 2030 前达到峰值，2060年实现碳中和，为中国经济社会发展全民绿色转型提出了时间表，为后工业革命的中国发展模式提出了明确的目标，也为后工业革命中国实现可持续绿色发展经济注入了蓬勃生机和强劲动力。

　　能源，作为人类发展的重要基石，其地位和作用在国民经济发展中不可忽视。随着科技 的飞速发展，和工业化进程的不断加快，能源需求日益增长，能源的供应和利用已经成为影响国民经济发展的关键因素。

　　然而，传统的石化能源正在急剧减少，对人类的生存环境的破坏不断扩大，全球气候变化问题日益严重，绿色发展成为全球共识，能源转型是实现绿色发展的重要途径之一，包括从石化能源向可再生能源的转型，以及提高能源利用率、减少能源浪费等方面。其中也包括大力发展光伏能源，以及研发适合光伏能源使用的终端产品，并在绿色能源领域推动新质生产力的发展，本文提出的建筑光电、光彩一体化是构建城市绿电系统的合璧双雄，快速构建城市绿电系统是快速实现双碳目标的有效途径，完全符合当今经济发展的大背景。

　　光伏发电由于早期主要材料是单晶硅、多晶硅，对日照条件要求较高，在建筑上使用收到诸多约束，大量地面光伏离用电城市较远，存在远途运输问题以及光伏电不稳定带来对电网破坏作用不可低估。如果能在用电城市就地构建绿色电网系统，上述问题能够得到有效解决。碲化镉薄膜等具有弱光性发电材料的出现，为实现光电建筑一体化奠定了基础。但光电材料色彩的丰富性不够，对城市风貌形象展现过于单一呆板，本文通过论述引进建筑光彩一体化，有利于丰富光电建筑多元性风貌，快速构建城市绿电系统，并展现城市风姿多彩的风貌。

　　二、建筑光电一体化

　　（一）光电建筑定义

　　建筑光电一体化（BMPV）（Building Mounted Photo Voltaic）的简称，俗称光电建筑。包括了 BAPV（Building Attached Photovoltaic）“安装型”光伏建筑和 BIPV（Building Integrated Photovoltaic）与建筑同时设计、同时施工、同时安装并与建筑完美结合的太阳能光伏发电系统两种形式，本文更多的是指后面这一种，即BIPV。

　　光电建筑，在追求高的发电效率的同时，还要追求组建与建筑（功能外观和能源系统）的有机组合，由此它需要开发与建筑构件材料，能源系统配套的光电建筑构件、建筑材料及与建筑材料、工程营造相关的工业化安装建筑构造技术，强调光伏发电系统与建筑尽可能的完美结合。

　　简言之，光电建筑是自身会发电的建筑，是光伏材料与其他建筑材料一道按照建筑规范要求建造的建筑，能够满足人对建筑空间的使用要求，同时又能发电。

　　（二）光电建筑的特点

　　1 、绿色能源。光电建筑产生的能源是绿色能源，是利用太阳能发电，不会对环境产生污染，它同时又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。

　　2 、不占用土地，光伏发电构件，与建筑的屋顶和外表皮完美结合，不需要另外占用土地，可大量节省土地资源。

　　3、光电建筑的使用特点与并网系统。用于办公建筑的用电需求量和光照量基本成正比，用电量多时光照量较大，减少储藏环节带来的成本。光伏发电并网是解决光伏电储能的一种方式。可省去蓄电池的成本，充分利用光伏系统所发出的电力。

　　4 、利于建筑节能，光电建筑围护结构

　　吸收太阳能转化为电能，夏季大大降低了室外综合温度，减少了墙体热和室内空调冷负荷的交换，冬季通过光热一体化技术，可给室内供热，真正实现“节能减排”。

　　5 、可就地发电。就地发电、就地用电，在一定范围内可以节省电站送电网的投资。在电网欠发达的山区或偏远地区，优势更为明显，且BIPV系统大部分发的是用电高峰时段的黄金用电，可以缓解供电压力，经济效益十分明显。

　　6 、与建筑本身结合成为一个整体。与建筑合为一体，可以减少建筑围护作用方面的成本，既有效地减少建筑玻璃幕墙的光反射，同时也为建筑美的表现形式增添了新的活力。

　　7 、从长期来说，光电建筑提供的能源更绿色，且成本为负增长，能创造更大的利润空间。从目前来看，几种能源的方式都需要大量的投资，且维护成本高，对环境污染较大，有的存在潜在的巨大风险。比如火电，石化能源的开采、运输、电厂建设和维护成本都很大，环境污染都很严重。再比如水电，建设成本亦非常昂贵，电力输送成本也较高，并且对生态环境破坏巨大。还有核电，建设成本和管理运维成本都很高，存在核泄漏的巨大风险，相对来说，建筑光电是投入成本相对较低而且是最安全的绿色电源。

　　（三）光电建筑目前存在的弱势

　　光电建筑虽然有高效、经济、环保等诸多优点但同时存在以下弱势:

　　1 、 目前光电建筑光电转换率偏低，光电材料成本较高，推广出现瓶颈。

　　2 、太阳能光伏发电不稳定，光伏发电受天气影响较大，有波动性。晚上、阴雨天需要 通过蓄电解决。解决大负荷的蓄电问题，是解决光电建筑应用推广的主要问题。

　　3 、建筑光电仍处在零散自由发展阶段。建筑光电目前仍未形成规模效应，应大力发展 建筑光电，达到一定规模。目前一个小型火电的装机容量在 10MW 以下。如果建筑光电在城市形成规模效应，能满足10MW的容量，其优势就能充分体现出来。

　　4 、缺乏建筑光电体系的标准和规范。光电建筑仍然处于原始低级阶段，应加快相关标准和规范的制定，才能进一步推动光电建筑的发展。

　　5 、用电终端产品需要转型。 目前用电终端产品都是根据 220V 传统火电、水电的电力情况设计的，太阳能光伏电需要通过逆变器转换成火电、水电标准才能投入使用，应该尽快研发适合太阳能光伏电特点的终端电器产品，提高太阳能光伏电的使用效率。

　　（四）光电建筑发展趋势

　　随着建筑光电材料的送风和生产工艺的不断改进，光电建筑和城市的融合性也不断增强，光电建筑在未来城市发展进程占有十分重要的位置，并且迅速成为实现碳达峰和碳中和的主力军。此时，正是我们做好光电建筑规划的关键时刻。快速构建城市光电建筑绿电系统是当务之急。目前，也具备构建以光电建筑为主的城市绿电系统的各项条件。

　　三、建筑光彩一体化

　　（一）光彩建筑的定义

　　建筑光彩一体化，俗称光彩建筑。（IGA）（Integrated Gorious Architecture），是灯光工程或照明工程与建筑高度完美结合，同时设计，同时施工，同时安装并与建筑融为一体的建筑灯光亮化系统。

　　光彩建筑，强调在取得良好的城市灯光环境的前提下，还要能和建筑装饰工程完美结合，满足结构安全、建筑风貌艺术化呈现，以及建筑围护结构的其他功能的完美结合，由此，它需要开发与建筑构件材料、能源系统、光彩照明系统相配套的光彩建筑构件，建筑材料及与建筑材料、工程营造相关的工业化安装建筑构造技术，强调光彩照明系统，光伏发电系统与建筑的高度完美结合。

　　总之，光彩建筑就是自身具备光彩照明会发光的建筑，是灯光照明材料、光伏发电材料与其他建筑材料一道按照建筑规范要求建造的建筑，能够满足人对建筑空间的使用要求，同时又能满足人对建筑艺术观赏的要求和丰富城市风貌的要求。

　　（二）光彩建筑的特点

　　1 、充分利用绿色能源，光彩建筑显示屏材料，采用LED低能耗的发光材料，是光伏太阳能利用的最好的终端产品，可实现光电一体化建筑的完美融合。

　　2 、光彩建筑对实现城市风貌的多元化，消除光电建筑城市形象的单一化起到了很好的作用，有利于迅速推动城市建筑光电一体化的进程，从而推动太阳能光伏绿色能源使用的广泛使用。实现全社会绿色能源使用的转型。

　　3 、推动建筑材料产业革命，实现产业升级，将来的建筑外围护结构体系由传统的保温采光功能转化成保温、采光、发电、光彩呈现等多功能一体化的体系，从而要求建筑的外围护材料具备相应的功能，从而推动了新型的建筑围护材料的发展。

　　4、光彩建筑将成为新的信息传播平台，深入到全社会的各个层面，能量空间十分巨大。人类的信息传播经历点火递信、飞鸽传书、电波解密、广播通告、电视新闻、手机自媒体等信息传播方式，而将来更多地利用城市光彩建筑这个巨大的信息平台。

　　5 、光彩建筑亦可是强大的信息来集器，随着光彩建筑的城市化发展，光彩建筑也可以是渗透到城市各人空间环境的信息采集器并且通过光进行信息传导。

　　（三）光彩建筑目前存在的弱势

　　光彩建筑目前只停留在城市夜游经济层面，仍然存在许多不足方面：

　　1 、与建筑缺乏同步设计、同步施工、同步安装。一是带来成本的增加，二是对原有的建筑立面带来一定的破坏，从而影响城市的建筑风貌。

　　2 、光彩建筑没有与光电建筑结合在一起，对绿色能源的使用不足。目前很多城市亮化工程均是在建筑完成后，事后增加亮化，同时也带来建筑用电负荷的增加，也不具备使用太阳能光伏的条件。

　　3 、光彩建筑疏于管理，缺乏统一的数字能源管理系统。大多城市的灯光亮化工程，一开始光鲜亮丽，随着时间推移，慢慢淡化，使用越来越少，管理越来越缺失，材料老化、失 电、漏电无法察觉和控制。

　　（四）光彩建筑发展趋势

　　随着人工智能的迅速发展和光电建筑的不断普及，光彩建筑和光电建筑的完美结合，城市数字化立面和城市数字化空间的利用，光彩建筑都将承担着不可或缺的角色。展现城市从远古到未来，从城市到乡村，从地球到太空，丰富多彩，百花齐放的数字空间，形成不同的地域空间，不同的城市风貌。其发展前景非常广阔。

　　四、城市绿电系统的构建

　　（一）构建城市绿电系统的可能性

　　光电、光彩建筑的诞生，使得城市绿电系统的构建成为现实。试想每一幢建筑都能穿上华美的光电光彩建筑的外衣，若以每平米光电玻璃可发电100瓦计算，当一个城市的光伏立面达到 10000 平米，其发电所具备的储能是 1 兆瓦，有 10 个这样的建筑区域就是 10 兆，相当于一个小型的火电发电厂。一个城市按100万平方的建筑面积，建筑的立面面积为75万平米，日照条件较好的东南、西三个面，其中东西两个面的日照条件相当于南面的0.5，则可用于光伏发电的面积相当于整个立面面积的 2/3，由于立面同时要兼顾采光和通风及光 彩配件安装，用光伏发电的面积再按其 50%计算，亦即一个拥有 100 万平米建筑的区域，可用于光伏建设的立面面积为:1000000x75%X2/3x0.5=250000(m) ，由于光伏发电受时间和气候 的影响，利用效率再按40%考虑，可用于发电的面积折合为 10000 平米，正好相当于 1 个兆 瓦容量的发电功率，加上屋顶面积，相当于 2 兆瓦的发电容量。我们将5个100 万米小区的 发电量合并在一起即相当于一个小型火电发电站,将 100 个这样的小区的发电量合并在一起， 即相当于一个大型火电发电站，如果将 N 个城市的光伏发电并网，将形成一个特大型的发电站。

　　从以上分析看出构建城市绿电系统是能够实现的。

　　（二）城市绿电系统构建的必要性

　　1 、中国目前环境现状和发展趋势

　　目前，我国仍处于对石化能源的过渡依赖，大规模、无节制地开发利用石化能源，不仅加速了这些宝贵资源的枯竭，而且造成日益严重的社会问题。

　　我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，70%的能源是由煤炭供给，大量的煤炭的开采、运输和燃烧，成本高、风险大、效能低，造成的经济损失及由此引致的环境治理成本每年高达 1606 亿元。

　　2 、城市绿电系统构建的必要性

　　建筑是能耗比较高的场所。全球范围的建筑能耗的占比在 20%-40%，在我国建筑所消耗的能源是全国总能源损耗的 30%。近年来，国家推进了“十四五 ”规划，要求新建建筑 100% 达到绿色建筑标准，大力推广建筑光电一体化。同时现有城市建筑总量高达 465 亿平方米，面临着绿建达标改造，而降碳标准的最佳方法就是在减排的同时，穿上光伏发电的外衣。如此庞大的光伏发电场所，需要一整套完善的系统来保障城市绿电网的高效安全的运行。也对构建城市绿电系统提出了具体要求。

　　2020 年 9 月中国明确提出 2030 年“碳达峰 ”与 2060 年“碳中和 ” 目标，既要实现双碳目标，又要保证国民经济发展过程中有电可用，大推广新型绿色能源，太阳能光伏发电，首当其冲，而城市是主要的用电场所，就地利用城市的建筑作为载体，作为太阳能发电的基本场所，即发即用，减少电力运输环节和储藏时间，是充分利用太阳能光伏发电的有效手段。随着城市光伏发电的总量不断增大，增大到足以和传统火电抗衡时，如何充分地、科学地、 安全地、高效地利用这些能源，为城市发挥积极作用，因此，对城市绿电系统的构建就十分必要了。

　　（三）如何快速构建城市绿电系统

　　1 、构建城市绿电系统需要顶层设计、长远规划。

　　目前对太阳能光伏的利用，尤其与建筑结合的利用仍处在原始松散阶段，缺乏统一标准和规模集聚效应，难于替代传统的发电站，要大力发展建筑光伏发电，构建城市绿电系统，需尽快出台相应标准和规范，对光伏发生质量、数量、安全、并网条件、畜储能、用电规格和使用场景、相应的产品质量要求、设计、施工和安装规范等提出可操作指导要求和规定，以利于建筑光电一体化和城市绿电系统的长期稳定地运营。

　　2 、构建城市绿电系统需要建立良好的数字管理系统。

　　随着城市光电建筑的迅速发展，将来用电场景会出现多元化、区域化、碎片化、应建立一城一网的数字管理运用系统，对每一度电的产生、使用进行全过程管理，不浪费每一度电。做到同城调度匹配，电尽其用。

　　3 、构建城市绿电系统需要建立高效的储能系统和运输系统。

　　电有一个明显的特征，就是即发即用，不使用就流失了，但用电有高峰期和低谷期，如何使低谷期的电留给高峰期使用，这就需要解决用不出去的电的储能问题，研发高性能的成本较低的蓄电电池，是目前主要需要的一个课题。随着科技的日益发展，新材料的推陈出新、高效能、低成本的蓄电电池一定会陆续面世。

　　城市绿电的运输系统可利用现行的电网，将太阳能光伏电通过逆变器处理转变为符合现行运输电网要求的电，当绿电系统的电力不足时，再从传统电网取电，以满足不同时段的需求。

　　城市绿电系统有一个很大的优势，可以构建区域微电网，所发电即发即用，就地发电，就地使用，减少电力的运输环节，从而减少电力的损耗，这也需要研发大量的适合光伏电特点用电终端产品。

　　4 、城市绿电系统结构的不同层级及其作用。城市电力系统是一个复杂而精密的网络，其构架由多个层级组成，以确保电力能源能够高效、可靠和安全地供应。城市绿电亦是该构架中的一个重要部分，并且有自身独特的特色。a 、发电层，绿色电力电源的生成是由建筑 表皮的发电玻璃生成，具有低压、不稳定、间断性特点；b 、稳压层，每栋建筑或同一区域建筑根据建筑体量和发电量的大小情况设置一个或多个稳压层或称稳压池，光伏玻璃所获得绿色光伏电源汇集到稳压池陈伏稳定后再传输到用电末端或逆向上传到上一级区域电网层，调度到区域外其他用电稳压池；稳压池可根据用电末端供电电压的情况分为高压交流电压，低压交流电压和直流电压稳压池。就近直流电压末端用电产品使用，为最经济的用电方案，值得提倡；c 、用电末端层，目前大部分用电产品均为 220V 低压交流用电产品，少量根据太 阳能特性开发的直流用电产品，将来发展，应以直流用电产品为主；d 、由稳压池逆向输送 上一级传输层，该层可利用现有的城市电力网，将剩余绿电并入该网，配送到其他区域的用电单位。整个城市绿电系统采用数字化模型管理。

　　5 、打通构建城市绿电系统的上端和下端产业链，推动城市绿电系统的发展。

　　构建城市绿电系统的，应从绿电系统的上端和下端产业同时发力，形成一个完整的产业链条。包括光伏材料开采、制作，以建筑构件产品的生产、安装，光伏电的计量、储能产品，逆变器的生产、安装，绿电系统的智能管理、系统硬件和软件，适合光伏电特点的用电终端产品，例如：照明、显像、充电桩、日用家电等。

　　重点提一下，就是下一步光电建筑采用的大量的光电、光彩幕墙，将替代传统的玻璃幕墙、大理石瓷砖和涂料等建筑围护结构和饰面，产能巨大。

　　6 、城市绿电系统与传统火电系统的经济性比较。

　　建设一个 10 兆瓦的火电厂，需要 1000 万-2000 万，以后需要烧煤发电，包括维护费和人工费，每度电的成本为 0.25-0.30 元，1000 公里输电每度电成本约在 0.03-0.05 元，即每度电成本在 0.28-0.35 之间。1 小时发电 10 兆瓦时为 10000 度电，成本为 2800-3500 ，其产生的环境治理费暂不考虑。

　　10 年后的用电成本为 2.55 亿-3.27 亿。

　　在前面提到 100 万平米建筑面积的城市片区，可用着光伏发电玻璃的面积为 250000 平米，每平米光电玻璃的增量成本为 1000 元，建筑造价的增量成本为 2.5 亿元。用于屋顶的光伏发电面积为 100000 平米（容积率按 3 密度按 30%推导）屋顶光伏增量成本为 600 元/ ㎡ ，建筑造价增量成本为 0.6 亿元，以上用于光伏总的增量成本为 3.1 亿。

　　以深圳为例计算上述光伏发电玻璃全年的发电量。深圳全年日照时长为 1853 小时，阴天及日出前日落后的可发电量为全日照时长的 40% ，则全年的发电量为：

　　（250000+100000）X100x1853x（1+40%）/ 1000=90797000（度），深圳工业用电平均按 每度 0.8 元计，全年可回收资金：90797000x0.8=72637600（元）=7263.76（万元）=0.7264 （亿元）

　　用于光伏投资的增量成本回收时长：3.1/0.7246=4.27（年），运营 4 年半相当于火电厂 运用 10 年，且 4 年后即实现每年净收益 7263.76 万元。

　　由上可见，构建城市绿电系统功在当代，利在千秋。

　　7、深圳某低碳产业工业园升级改造工程，总建筑面积约为 10 万平米，用光伏发电的面积为立面 25000 平米，屋面为 10000 平米。立面每平米增量成本为 1000 元/㎡，屋面的增量成本为 600 元/㎡ ，总体光伏发电带来的建筑造价。

　　增量成本为：（25000×1000）+（10000×600）=31000000（元）=3100（万元）

　　根据深圳的全年日照时长为 1853 小时，阴天及日出前及日落后发电效能为全日照时长的 40%计算，全年的发电量为（25000+10000）x100x1853x（1+40%）/ 1000=9079700（度）

　　深圳工业用电平均按 0.8 元/度，全年可回收资金：9079700x0.8=7263760（元）=726.376（ 万 元），总增量成本为 3100（ 万 元）， 用于光伏投资增量成本的回收时间为：3100/726.376=4.27（年）。

　　增量成本合建筑面积每平增加为：3100/10=310（元），相当于建筑总投资不超过10%。

　　五、光彩建筑一体化在城市绿电系统中的作用

　　（一）光彩建筑一体化对改变城市风貌起着举足轻重的作用。光彩建筑一体化以后，使建筑本身获得了全新的表现形式，一改传统的建筑风貌单一呆板的境况。传统的建筑一件“外衣”一穿就是十几年，甚至几十年，上百年，有的被岁月侵蚀、起皮、掉碴、形象破损，也难得更换。而光彩建筑可以通过影像显示建筑不同的肌理、图案、乃至动态的影响，使建筑穿上百变“外衣”，可以展示不同风格的形象、中式、欧式、古风、未来派、童话、自然风等等，应有尽有，尤其是对城市绿电系统中的光电建筑起到美化作用，从而使得城市风貌丰富多彩，奇幻无比。

　　（二）光彩建筑一体化让光电建筑一体化如虎添翼，相得益彰，可谓双雄合璧。

　　光彩建筑一体化以后为光电建筑的绿电提供了绝佳的用电模式，光电建筑所发电即发即用，省去繁冗发电、逆变传输（或存储），再到末端使用的环节。光彩建筑中的线条显示屏也可采用低压直流产品，基本上可以做到光伏即发电，光彩屏即使用。

　　（三）光彩建筑与光电建筑可以完美组合，互为依托。光电建筑是光彩建筑的能源之魂，源源不断地为光彩建筑提供能源，同时光彩建筑是光电建筑的亮丽之衣，使得光电建筑风姿卓越地展现在城市环境中，为城市风貌提供了一道道亮丽的风景线。

　　（四）光彩建筑的信息传播能量巨大，未来的光彩建筑遍布每一座城市，城市的每一个角落，传播范围广、传播信息量大、传播速度快、传播影响力大。能给广大市民带来生活、 出行、工作和娱乐等极大的便利性。比如说问路，在城市的任何一个角落，通过建筑“外衣 ”，都能获得城市各个地方以及到达这些地方的实时交通状况。他也可以是一个超大的新闻传播平台、学习平台、娱乐共享平台。谁先拥有这些平台，谁就拥有先机，拥有更多的话语权。

　　（五）光彩建筑的建筑增量成本。光彩建筑的增量成本与线条屏的疏密有关，线条屏的疏密义与显像的精度有关。由于城市建筑体量较大，相对要求的精度不用太高，一般一条 3cm 宽的显示屏间隔 30cm 即可，一条 3cm 宽的显示屏单价为 100 元，则一平米的建筑立面显示屏的造价为 300 元。如果局部作为满屏显示屏，则每平米造价可高达 3300 元。以上可以根据不同使用场景进行选择。

　　随着材料的不断发展和工业化程度的不断提高，用于光彩建筑的建造成本也一定会呈下降趋势。

　　六、推动城市绿电系统中的核心产品产化业化，抢占市场，做城市绿电系统的排头兵。

　　（一）核心产品之一，光电光彩幕墙。 目前市面缺乏完整地将建筑保温（隔热）、光伏发电和光彩显示组合在一起的建筑产品，而是各自分离，安装光伏的时候破坏保温，安装光彩显示屏的时候，对原有的围护结构进行遮挡，很难形成融为一体的衬托建筑统一美感的建筑外墙饰面，且造成资源的重复浪费。

　　有必要开发一种集建筑保温（隔热）、光伏发电和光彩显式融为一体的建筑外围护产品，与建筑门窗一道，展现出一种全新的建筑风貌，这种产品完全可用市场现行的各种材料进行组装，并不需要大量地建厂，通过组装集成，实现各种功能的融合并使其工业化，大批量地投产。

　　（二）核心产品之二，数字能源管理系统。光伏能源的特点有别于传统的火电，电能集 中产出、输出，而是分片的，微量而长时的，需要有一套系统整合集中再进行分配，工作量繁杂，靠人工是无法实现的，有必要建立一套数字化能源管理系统，通过人工智能长期而有效地进行管理。这套管理系统需要构建能源输送系统，信息采集系统和传递系统，以及相应配套的软件系统。

　　七、建筑光电、光彩一体化双雄合璧构建城市绿电系统是快捷实现双碳目标的有效途径。

　　综上所述，为快速实现双碳目标，建筑光电一体化与建筑光彩一体化相结合，将汇成一股洪流遍布整个城市，为了充分高效而合理地管理，调度和使用这些绿电投资，势必要构建一套行之有效的运行通达的绿电系统，并带动相关产业链的强势发展。

作者 | 傅勇，中国国土经济学会光电建筑委员会专家，管中管筑全装配结构体系发明人、高级建筑师、高级古建营造师