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光伏建筑一体化 (BIPV) 对欧洲近零能耗城市概念的贡献：未来的潜力和挑战

一、概述

本文的主要目的是调查建筑一体化光伏 (BIPV) 系统对欧盟成员国 (EU)、挪威和瑞士首都的近零能耗城市概念的贡献。此外，对广泛推广 BIPV 技术之前的障碍和挑战进行了深入调查。本研究调查了使用 BIPV 技术的近零能耗概念在从单个建筑物移动到整个城市时的可扩展性。这项研究为建筑师和城市规划者提供了一个衡量标准，可用于评估当作为建筑外壳材料安装在建筑物外皮上时，BIPV 系统可以提供多少欧洲建筑物消耗的能源。结果表明，到 2030 年，当欧盟的建筑变得更加节能并且 BIPV 系统的效率将大大提高时，BIPV 围护材料将成为建筑表皮的合理选择，并将有助于实现近乎零能耗的城市。这项研究表明，在欧盟，如果建筑表皮与建筑净表面积之比为 0.78，建筑表皮玻璃比为 30%，到 2030 年，建筑物可以使用 BIPV 系统来满足其电力消耗。广泛推广的十八个挑战和障碍本研究对 BIPV 系统进行了识别、分类和讨论。挑战分为五个阶段，即决策、设计、实施、运营和维护以及生命周期结束的挑战。BIPV 围护结构材料将是建筑表皮的合理选择，并将有助于实现近乎零能耗的城市。这项研究表明，在欧盟，如果建筑表皮与建筑净表面积之比为 0.78，建筑表皮玻璃比为 30%，到 2030 年，建筑物可以使用 BIPV 系统来满足其电力消耗。广泛推广的十八个挑战和障碍本研究对 BIPV 系统进行了识别、分类和讨论。挑战分为五个阶段，即决策、设计、实施、运营和维护以及生命周期结束的挑战。BIPV 围护结构材料将是建筑表皮的合理选择，并将有助于实现近乎零能耗的城市。这项研究表明，在欧盟，如果建筑表皮与建筑净表面积之比为 0.78，建筑表皮玻璃比为 30%，到 2030 年，建筑物可以使用 BIPV 系统来满足其电力消耗。广泛推广的十八个挑战和障碍本研究对 BIPV 系统进行了识别、分类和讨论。挑战分为五个阶段，即决策、设计、实施、运营和维护以及生命周期结束的挑战。78 和 30% 的建筑表皮玻璃比例，到 2030 年，建筑物可以使用 BIPV 系统覆盖其电力消耗。本研究对广泛推广 BIPV 系统的 18 个挑战和障碍进行了识别、分类和讨论。挑战分为五个阶段，即决策、设计、实施、运营和维护以及生命周期结束的挑战。78 和 30% 的建筑表皮玻璃比例，到 2030 年，建筑物可以使用 BIPV 系统来满足其电力消耗。本研究对广泛推广 BIPV 系统的 18 个挑战和障碍进行了识别、分类和讨论。挑战分为五个阶段，即决策、设计、实施、运营和维护以及生命周期结束的挑战。

二、内容介绍

“未来最冷的一年会比过去最热的一年暖和”。这是 Camilo Mora 等人在 2013 年发表的论文的节选，他们计算出到 2047 年正负五年，全球大部分地区每年的平均气温将高于以往如果不采取措施，则在 1860 年至 2005 年之间的任何一年中的这些地区。换句话说，在“一切照旧”情景下，地球上给定位置的温度将不断转变为超出历史变化范围的状态。

此外，国家海洋和大气管理局报告称，1880年至2016年地球表面平均温度上升了0.95摄氏度，而且近年来升温速度加快。最后，159 个国家于 2015 年签署了《巴黎协定》，采取措施将全球变暖控制在比工业时代前地球平均温度高 1.5 摄氏度的水平。由国际货币基金组织牵头的一项调查最近宣布，要将全球变暖控制在 2 摄氏度以下，需要在苛刻的范围内迅速采取行动，例如到 2030 年将碳税提高至每吨 75 美元，这可能会对全球经济造成巨大冲击。几个国家；因此，各国必须开始调整自己，逐步采取此类措施。

城市和市区是气候变化的关键参与者。就规模而言，城市地区仅占地球陆地面积的 2%；然而，就气候影响而言，城市地区留下了巨大的足迹，消耗了世界总能源需求的三分之二以上，占全球温室气体排放量的 70% 以上。此外，到 2050年，全球人口将增加 30%，其中 68% 将定居在城市地区；因此，必须在城市地区进行从化石能源消费向可再生能源消费和能源效率观念的结构转变和转变。因此，城市地区是需要集中注意力的地方。城市不仅处于全球气候变化的前沿，而且处于有利地位，可以在推动全球行动应对气候变化方面发挥领导作用。

在可再生能源中，太阳能由于其在全球范围内分布的均匀性及其潜力，可以发挥显着的作用。城市地区的太阳能也可以通过各种方法和技术加以利用。欧盟 (EU) 根据《巴黎协定》的框架，强调城市在迈向低碳经济中的重要作用 ; 然而，世界上每个国家和地区在这种能源转型中都有自己的驱动力和挑战。

建筑物本身在城市地区的能源效率中发挥着至关重要的作用，因为它们在城市地区的能源需求中占很大比例。在欧洲，建筑能耗占城市总能耗的 41% 。

因此，在城市中向自给自足的建筑过渡是实现几乎零能耗城市的重要行动方案。城市能源转型 (UET) 作为促进分布式发电 (DG) 和重新调整建筑物能源生产和消耗的一种方式最近受到关注。对实现这些目标有很大帮助的领先解决方案之一是能源生产者概念。生产者是消费者，由于他们的能源生产能力以及市场和电力系统的监管条件，他们可以将多余的能源输出到配电网。近乎零能耗的城市概念目前处于能源自给自足的前沿，该概念基于建筑物中可再生能源的消耗。

因此，本研究的目标是回答以下问题：

是否有可能通过将建筑物的角色从能源消费者转变为使用其皮肤进行 BIPV 应用的能源生产者，从而在欧洲建立几乎零能源的城市？如果是，到什么程度？
实现这一目标的道路上有哪些挑战，哪些利益相关者参与了这些挑战？

三、BIPV技术介绍

建筑一体化光伏 (BIPV) 系统由光伏模块组成，这些光伏模块可以集成到建筑表皮中，例如立面和屋顶，以利用太阳辐射发电。这样的系统为建筑物提供了两种功能。首先，它们充当建筑物的表皮；因此，BIPV 应满足传统建筑围护结构材料的要求，例如提供足够的结构强度、隔热、防风雨和防噪音。其次，BIPV 充当建筑物的发电厂并发电。BIPV 的应用也不仅限于建筑行业。它们也可以用于其他行业并用于不同的功能。例如，它们可用于船舶以确保其最佳运行和能源消耗。

BIPV 系统在需要的地方产生和供应能量。此外，借助储能系统（ESS），它可以在需要时提供能量。这也解决了最近关于太阳能发电厂土地开发及其对气候变化的影响的辩论和批评。相反，BIPV 系统位于使用其产生的能源的建筑物上；换句话说，它们是对自然影响最小的中性系统。

集成到建筑物围护结构 (BIPV) 中的光伏组件在许多方面与建筑物相互作用，影响可建造性、设计、耐久性、环境问题、维护、性能、安全、标准和法规。

BIPV 系统可以根据其太阳能电池组成、应用、市场名称和电网连接类型进行分类。一个完整的分类框架如图所示。

图描述了市场上可用的不同 BIPV 系统的示例

市场上可用的 BIPV 系统示例

BIPV 技术的电池效率自问世以来已显着提高。国家可再生能源实验室 (NREL) 是发布与所涉及的技术和材料相关的太阳能光伏效率改进年度报告的领先组织之一。NREL 的最新报告如图 4所示，显示了从 1976 年到 2020 年光伏效率的发展

NREL 最佳研究电池效率图表

值得注意的是，NREL 通过实验室标准评估光伏电池效率，这意味着应用最佳环境条件来找出光伏电池的最大效率，而不是光伏模块或面板。

该报告表明，目前最高效的光伏组件可以达到 47% 的效率；然而，市场上可用于一般应用的传统光伏电池大多是单晶组件，在此图表中以深蓝色线条显示。该报告表明，单晶光伏在实验室条件下的效率可高达 27.6%（NREL，2020）。图表的斜率显示了过去几十年结晶 PV 的变化。

根据弗劳恩霍夫太阳能系统研究所的一项研究，性能最佳的商业模块基于单晶硅，在实验室中显示出 24.4% 的效率；然而，在实际条件下，热功能、积雪和云层覆盖等几个因素可能会影响光伏系统的效率。因此，目前市场上可用的商用单晶光伏系统的平均效率在 15-20%的范围内。

近来，由于BIPV行业的发展，新型组件不断涌现。当前研究中感兴趣的组件是透明和半透明的光伏组件，它们可以在发电的同时代替窗户并让光线通过。据此类产品的制造商之一称，这些光伏组件目前可以达到高达 7% 的效率。

关于到 2030 年光伏效率水平将如何发展，有不同的预测。虽然表明光伏效率将每十年提高 3-4%，但更乐观的情景预测每十年会提高 8%。

目前有不同的方法用于分类和定义太阳能潜力，这些方法不能用于对 BIPV 系统的潜力进行分类；因此，下一节的目的是定义“BIPV 潜力”并提出评估该参数的方法。

3.1 BIPV 理论潜力

BIPV 理论势是一个区域（在水平表面上）在不考虑任何几何或技术限制的情况下获得的太阳入射辐射。指示全球水平辐照度 (GHI) 的太阳入射辐射图可用于评估此参数。GHI 表示从天空传递到地球水平表面的总辐射量。欧洲的 GHI 地图如图所示。

欧洲 BIPV 理论太阳入射辐射势图

3.2. 地理潜力

BIPV 理论潜力的可开发或可利用部分称为 BIPV 地理潜力。地理潜力是 BIPV 理论潜力的一部分，能够被用作 BIPV 系统的输入。因此，城市的 BIPV 地理潜力代表了城市建筑表皮上的总太阳入射辐射。

图 6描绘了被调查国家的平均年度 BIPV 地理潜力水平。结果基于光伏地理信息系统数据库中 2005 年至 2016 年的辐射数据。

欧洲 BIPV 系统的年均地理潜力

3.3. BIPV 技术潜力

BIPV技术潜力是考虑到技术和效率的系统输出功率。它可以使用 BIPV 系统的技术潜力、技术和效率数据来计算。

BIPV 系统的效率水平因技术、气候、配置、通风和其他因素而异。市场上 BIPV 面板的平均效率为 18% ；这是市场上商业化 BIPV 面板的平均效率，而不是 BIPV 系统在实际运行条件下的平均效率。因此，BIPV 技术潜力可以通过将 BIPV 面板的效率乘以其地理潜力来计算。BIPV 技术潜在结果如图所示。

欧洲 BIPV 系统的年平均技术潜力

3.4. BIPV 经济潜力

BIPV 的经济潜力是 BIPV 技术潜力中可经济开发的部分。该指标通常需要更多的调查，因为涉及的参数很多，例如技术、能源关税、系统退化率、市场价格、年产量和可能的补贴。

四、欧洲建筑能耗

2013 年，欧洲成员国对所有类型建筑的年平均单位消耗量约为每平方米 180 千瓦时。各成员国的费率各不相同，从马耳他的 55 kWh/m 2 到葡萄牙和塞浦路斯的 70 kWh/ m 2到拉脱维亚和爱沙尼亚为285 kWh/m 2 ，罗马尼亚为 300 kWh/m 2，后者的费率明显高于欧盟平均水平。尽管如此，即使对于气候相似的国家，也存在显着差异。例如，瑞典的年平均比消耗量为 200 kWh/m 2，比芬兰低 18%。同时，两国气候相似。气候条件、空间加热或空气冷却的高比例、住宅的技术特征和统计定义部分解释了这些差异]。

住宅领域最关键的最终用途是空间供暖，占能源消耗的 68%。除地中海国家外，空间供暖占欧洲成员国总能源消耗的 60-80%。马耳他、塞浦路斯和葡萄牙的空间供暖率低于 30%，远低于西班牙和斯洛文尼亚的 50%。水暖位居第二，贡献度相当稳定，为13%。电器、烹饪和照明分别占总能耗的 12%、5% 和 2%。

此外，《建筑能效指令》(EPBD) 法规即将生效，要求所有新建筑几乎都是零能耗建筑 (nZEB) 。nZEB 的定义是自然降低能耗并具有令人难以置信的高能效的建筑物。目标也是产生与消耗一样多的能量。

另一个值得一提的概念是被动式房屋，其主要目标不是能源生产。使用被动式房屋的目的是减少能源消耗和使用可再生能源来填补能源缺口。根据提出的定义，欧洲的被动式房屋每年应消耗 120 kWh/m 2 ；然而，该项目中的斯堪的纳维亚合作伙伴已经证明，该基准对他们的国家来说是不切实际的。因此，对于北斯堪的纳维亚等气候寒冷的欧洲成员国，需要对被动式房屋概念进行更灵活的定义。

总体而言，2012年各类建筑每平方米的年均用电量约为200千瓦时/平方米；然而，如前所述，欧盟国家的消费率差异很大。例如，瑞典和西班牙的价值分别比欧盟平均水平高 5% 和低 25%。

欧盟已承诺到 2020 年将能耗比基线预测（平均每平方米 200 kWh）减少20 %，这也被称为 20% 的能效目标。对于 2030 年，约束性目标是至少减少 32.5%。考虑到欧盟的预期，2012 年的能源消耗数据和到 2030 年的预期发展轨迹见表 1 。

到 2030 年欧盟建筑能耗基准值及轨迹

五、BIPV对近零能耗城市概念的贡献

在本节中，旨在通过评估 BIPV 系统的技术潜力来研究 BIPV 技术对几乎零能耗城市的贡献。

BIPV技术使用的商业模式是一种更新的商业模式，涉及三个参与者，即BIPV制造商、BIPV安装商和主要承包商；因此，BIPV 技术将很快被视为建筑表皮的建筑围护材料选项，其方式与砖、木材和铝等传统选项相同。因此，这里介绍了建筑表皮（BS）潜力指数，它代表了建筑表皮的平均 BIPV 潜力。BS 电位可以根据建筑围护结构不同方面的平均 BIPV 电位值计算，即南、东、西、北立面和屋顶区域。表 2显示了 BS 在欧洲 BIPV 系统的平均年度地理和技术潜力。

欧洲 BIPV 系统 BS 的年平均地理和技术潜力。

不	国家	首都	BIPV BS的地理潜力（kWh/m 2）	BS BIPV 技术潜力 (kWh/m 2 )
1	奥地利	维也纳	792	143
2	比利时	布鲁塞尔	715	129
3	保加利亚	苏菲亚	853	154
4	克罗地亚	萨格勒布	830	149
5	塞浦路斯	尼科西亚	1138	205
6	捷克	布拉格	742	134
7	丹麦	哥本哈根	709	128
8	爱沙尼亚	塔林	637	115
9	芬兰	赫尔辛基	631	114
10	法国	巴黎	766	138
11	德国	柏林	720	130
12	希腊	雅典	1086	195
13	匈牙利	布达佩斯	840	151
14	爱尔兰	都柏林	668	120
15	意大利	罗马	999	180
16	拉脱维亚	里加	664	120
17	立陶宛	维尔纽斯	656	118
18	卢森堡	卢森堡	736	132
19	马耳他	瓦莱塔	1108	199
20	荷兰	阿姆斯特丹	714	128
21	波兰	华沙	718	129
22	葡萄牙	里斯本	1070	193
23	罗马尼亚	布加勒斯特	870	157
24	斯洛伐克	布拉迪斯拉发	803	145
25	斯洛文尼亚	卢布尔雅那	773	139
26	西班牙	马德里	1112	200
27	瑞典	斯德哥尔摩	670	121
28	英国	伦敦	706	127
29	挪威	奥斯陆	637	115
30	瑞士	伯尔尼	818	147
-	欧盟平均水平	-	806	145

这里还对挪威斯塔万格进行了敏感性分析，以评估建筑立面的不同方面对 BS 潜力的影响。建筑物以 10、20、30、40 和 45 度的旋转角度顺时针旋转，结果如图 8 所示。分析表明，无论建筑朝向如何，BS 的地理潜力都是恒定的。由于屋顶上的辐射也是恒定的，因此可以得出结论，建筑物外立面的地理辐射潜力始终是一个恒定值，分布在不同朝向的不同立面上。

BS的地理辐照潜力与斯塔万格建筑朝向的相关性。

在本节的其余部分，目的是调查 BIPV 系统作为建筑围护结构材料对在不同气候和欧洲国家塑造几乎零能耗城市的影响。研究了不同的 BIPV 技术（及其效率水平），以评估是否有可能找到满足欧洲国家能源需求所需的建筑能耗和 BS 之间的关系。

在继续之前，还需要定义三个参数，即建筑总面积（BGA）、建筑净面积（BNA）和建筑表皮玻璃比（BSGR）。建筑总面积是建筑结构墙内的总面积，包括不宜居住的空间（如内墙、外墙和内管道），以及墙体本身。建筑净面积是指建筑物的总建筑面积，不包括墙体和隔断所占的面积、流通面积（人行走的地方）和机械面积（包括机械设备）。一般来说，总建筑面积是建筑物内空间的建筑面积之和，包括地下室、夹层和其他区域。建筑能耗值与建筑净面积相关。

表 3总结了 2020 年和 2030 年的情景设置，表明了 BIPV 系统的实施年份。

表 4描绘了欧洲各国首都每平方米 BNA (EBNA) 的能源消耗与 BS (EBS) 的能源生产的比率。换句话说，这些数字说明了需要多少建筑表皮表面才能满足一平方米建筑净面积的能耗。例如，该表显示，对于 BSGR 等于 30%、BIPV 实施日期为 2030 年的维也纳而言，0.8 平方米的建筑表皮可以提供一平方米建筑消耗的能源。换言之，如果采用 BIPV 技术，维也纳的建筑表皮与建筑净面积比为 0.8 的建筑到 2030 年可能实现零能耗。值得强调的是，EBS 和 EBNA 之间的相关性是线性的。这意味着在前面的例子中，

表 4 欧洲首都每平方米 BNA 能源消耗（EBNA）与 BS 能源生产（EBS）的比率值。

不	国家	首都	EBNA/EBS
			BSGR 30%		BSGR 40%		BSGR 50%
			2020	2030	2020	2030	2020	2030
1	奥地利	维也纳	1.37	0.80	1.49	0.84	1.62	0.90
2	比利时	布鲁塞尔	1.52	0.88	1.65	0.93	1.79	0.99
3	保加利亚	苏菲亚	1.28	0.74	1.38	0.78	1.50	0.83
4	克罗地亚	萨格勒布	1.31	0.76	1.42	0.81	1.54	0.86
5	塞浦路斯	尼科西亚	0.96	0.55	1.03	0.59	1.12	0.62
6	捷克	布拉格	1.47	0.85	1.59	0.90	1.73	0.96
7	丹麦	哥本哈根	1.54	0.89	1.66	0.94	1.81	1.00
8	爱沙尼亚	塔林	1.71	0.99	1.85	1.05	2.01	1.12
9	芬兰	赫尔辛基	1.72	1.00	1.86	1.06	2.03	1.13
10	法国	巴黎	1.42	0.82	1.54	0.87	1.67	0.93
11	德国	柏林	1.51	0.88	1.63	0.93	1.78	0.99
12	希腊	雅典	1.00	0.58	1.08	0.62	1.18	0.65
13	匈牙利	布达佩斯	1.30	0.75	1.40	0.80	1.52	0.85
14	爱尔兰	都柏林	1.63	0.94	1.76	1.00	1.92	1.06
15	意大利	罗马	1.09	0.63	1.18	0.67	1.28	0.71
16	拉脱维亚	里加	1.64	0.95	1.77	1.01	1.93	1.07
17	立陶宛	维尔纽斯	1.66	0.96	1.79	1.02	1.95	1.08
18	卢森堡	卢森堡	1.48	0.86	1.60	0.91	1.74	0.97
19	马耳他	瓦莱塔	0.98	0.57	1.06	0.60	1.16	0.64
20	荷兰	阿姆斯特丹	1.52	0.88	1.65	0.94	1.79	1.00
21	波兰	华沙	1.52	0.88	1.64	0.93	1.78	0.99
22	葡萄牙	里斯本	1.02	0.59	1.10	0.62	1.20	0.66
23	罗马尼亚	布加勒斯特	1.25	0.73	1.35	0.77	1.47	0.82
24	斯洛伐克	布拉迪斯拉发	1.36	0.79	1.47	0.83	1.59	0.88
25	斯洛文尼亚	卢布尔雅那	1.41	0.82	1.52	0.86	1.66	0.92
26	西班牙	马德里	0.98	0.57	1.06	0.60	1.15	0.64
27	瑞典	斯德哥尔摩	1.62	0.94	1.76	1.00	1.91	1.06
28	英国	伦敦	1.54	0.89	1.67	0.95	1.81	1.01
29	挪威	奥斯陆	1.71	0.99	1.85	1.05	2.01	1.12
30	瑞士	伯尔尼	1.33	0.77	1.44	0.82	1.56	0.87
-	欧盟平均水平	-	1.35	0.78	1.46	0.83	1.59	0.88

计算表明，以上例为例，如果建筑总表皮面积（立面+屋顶）为 800 平方米，总建筑面积为 1000 平方米，则 BIPV 系统可覆盖总能耗。技术用于该建筑物的整个皮肤。因此，如果一半的皮肤被这种技术覆盖，那么一半的能量可以由 BIPV 系统提供。

此外，有一个明显的趋势，即增加 BSGR 比率也会增加 EBNA 与 EBS 的比率，这是有道理的，因为建筑表皮上釉越多，BIPV 玻璃覆盖的表面积越多，效率较低比 BIPV 面板。

欧洲的数据表明，平均而言，到 2030 年，建筑表皮与建筑净面积的比率为 0.78，BSGR 为 30%，欧盟城市可以成为零能耗城市地区。

这张表是一项巨大的资产，因为它可以在设计阶段用于预测建筑物的表皮可以提供多少能源需求，不仅在当前阶段，而且在未来。

六、挑战和障碍

本章讨论了广泛实施 BIPV 系统所面临的挑战。图 9描述了不同阶段所面临的挑战，以及参与每个阶段的参与者。

BIPV 障碍分类和可以为解决方案做出贡献的利益相关者。

BIPV 市场的主要参与者，也是对 BIPV 技术具有高度影响力和权力的主要利益相关者，分为八类，即政治家、政府部门、制造商、建筑师、咨询公司、电网当局、BIPV 承包商和安装商，以及终端用户。

6.1 决策挑战

这一阶段主要涉及与社会心态相关的挑战。这些挑战可以分为三组，即初始投资挑战、BIPV 的替代选择和市场商业模式的复杂性。

6.1.1. 初始投资

社会上的人们都意识到实施 BIPV 系统所涉及的高资本成本，以及此类系统的长期优势。BIPV 系统是建筑物的组成部分；因此，它们被计入建筑或翻新项目的总成本，尽管成本和收入应单独定价。换句话说，建筑业主和承包商通常只计算总体投资成本，而不考虑向第三方售电、替代电力购买、政府激励等收益的有益财务影响]。文献也支持这一说法，即许多（特别是较穷或年长的）个人不精通财务事务，并且在他们觉得没有资格做出决定时避免进行投资。

6.1.2. 备择方案

建筑业主和承包商的 BIPV 系统成本是根据替代建筑组件进行评估的，这可能会导致心理上的劣势。这种比较说服客户放弃实施 BIPV 的想法，转而采用其他替代方案；然而，最近的研究表明，BIPV 系统在经济上比其他替代品（例如木材、玻璃和石头）更可行。最近很明显，BIPV 材料可以用作整个建筑表皮的解决方案，无论方向或方向如何。换句话说，当建筑师在寻找建筑围护结构材料时，应该承认BIPV材料是可行和合理的选择，与其他选择相比具有重大优势，即BIPV系统的双重功能，这使得建筑围护结构成为收入来源对于建筑物。

6.1.3. 市场商业模式

目前 BIPV 市场的商业模式很复杂，有许多参与者，如玻璃生产商、光伏生产商、建筑元件生产商、建筑元件安装商、BIPV 安装商和承包商。BIPV 市场的最新发展提高了对 BIPV 新的创新商业模式的需求，以便该技术在没有补贴或政府支持的情况下作为一个独立的行业生存。一种可能性是垂直组合现有利益相关者的角色，从而形成一种新的商业模式，只有三个利益相关者，即 BIPV 生产商、安装商和承包商。

6.2. 设计挑战

设计阶段的挑战与 BIPV 制造程序或建筑设计过程有关。与标准和法规、系统选择和定位、健康和安全考虑、系统重量和单元尺寸相关的挑战在此类别中有所减少。

6.2.1. 标准和法规

BIPV 系统在建筑物中实现两个功能，这意味着它们必须符合关于光伏系统电气特性的设计标准和规范以及在使用国有效的建筑物的规范。从这个角度来看，BIPV 系统的双重功能是一个障碍。即使像使用度量标准这样简单的事情也会使 BIPV 部署复杂化。光伏行业使用瓦特峰值单位来测量系统尺寸（测量电力输出），而建筑行业使用平方米来测量系统尺寸（测量表面积）。此外，建设政策和法规有时会有所不同，甚至在一个城市的城市街区之间也会有所不同，这使得市场更加复杂。

此外，澳大利亚和加拿大等国家直到最近（也许仍然存在）在如何将建筑规范应用于不同的 BIPV 技术和材料方面存在挑战和问题。受保护的历史建筑的建筑和建筑标准和法规也是集成光伏系统时的障碍，这需要为 BIPV 系统提供创新和创造性的解决方案。在欧洲，BIPV 技术尚未独立归类于任何标准、法规或一套指南，可作为广泛使用的欧洲统一框架。欧洲的 BIPV 制造商仍然需要并正在寻找可用于推广 BIPV 技术的全面全面的标准 ; 因此，通过政府和其他利益相关者促进 BIPV 应用的发展认可的培训计划和统一的建筑法规似乎至关重要。这种转变需要政治家、政府部门、建筑师和电网当局之间密切和相互交织的合作。

6.2.2. 系统、定位和方向选择

Inappropriate choices relating to the components, positioning, and orientation of a BIPV system are additional barriers. 尽管建筑师通常出于美学原因决定使用 BIPV 系统，但调查每栋建筑需要哪些类型的系统和组件并且可行是至关重要的。此外，BIPV 技术和材料在倾斜、方向和阴影方面发挥着关键作用。由于最近的技术进步，市场上出现了适用于不同气候和方向的各种 BIPV 技术。在系统配置方面，逆变器是 BIPV 系统发电过程中的重要组成部分。

此外，BIPV 系统通常是根据建筑表皮上的可用空间或建筑需求来设计和实施的，而在安装之前没有进行评估以显示系统的预期性能，从而导致系统设计不当和性能欠佳。

事实上，对于建筑师和设计师来说，采用合适的组件可能非常困难，最有效的解决方案可能是在 BIPV 系统设计过程中寻求顾问的帮助。这一决定还将导致消除早期设计阶段的几个技术问题。

6.2.3. 系统重量

在许多情况下，BIPV 系统在建筑物翻新或翻新过程中被使用，即使建筑物的设计可能没有支持额外的重量；这可能会导致建筑物倒塌。薄膜电池、有机电池等新技术在很大程度上解决了这个问题；然而，与同等但更重的 BIPV 系统（例如晶体硅电池）相比，它们的效率仍然很低。

除了 BIPV 系统重量外，该系统可能会不时引起其他载荷作用在建筑物上，例如由雪、冰和风引起的载荷，这可能会导致系统变形。这将导致各种故障，可能需要维修或更换。在定义 BIPV 系统的设计标准和规范时也需要谨慎。

6.2.4. 健康和安全注意事项（传热、防火等）

到目前为止，在健康和安全方面，还没有关于 BIPV 系统的标准或建筑设计规范，例如涵盖电线故障、火灾和电气故障。

BIPV 系统温度可以通过 BIPV 电池的热传递而增加，特别是当它们固定在石板或瓷砖屋顶时，这意味着涉及一些重叠。太阳辐射加热 BIPV 瓦片电池。因此，热量传递到屋顶空间并导致屋顶温度升高。一般来说，屋顶的热量无法通过瓷砖散发出去。因此，热量会在建筑物内部移动。幸运的是，最近针对这个问题提出了几种解决方案，例如在瓷砖背面创建气道，以确保空气可以通过并冷却它们。

在防火方面，建筑规范仍然缺乏标准。BIPV 系统的防火和玻璃破损测试表明，当它们暴露于从安装它们的建筑物外部引发的火源时，由于 BIPV 接线盒或串连接器中可能存在电弧，存在很高的火灾风险。此外，在 BIPV 系统中缺乏噪音保护标准和建筑设计规范，增加了设计挑战]。例如，虽然自然通风可以在没有噪音的情况下被动运行，但机械通风可以更有效地从系统中排出多余的热量，尽管它也会产生多余的噪音。

6.2.5。系统单元尺寸

BIPV 单元尺寸因类型而异。对于屋顶安装的 BIPV 解决方案，该单元可以是非常小的屋顶瓦片、传统的 BIPV 面板或大型 BIPV 箔。BIPV 解决方案的单位规模可能会产生额外的问题。虽然更小的单元尺寸更适合建筑师，因为它在设计阶段为他们提供了更大的灵活性，但它会导致几个问题。由于需要大量连接器，此类解决方案涉及更多数量的较小组件，从而导致劳动力成本增加、电气连接更多以及操作和维护挑战更多。另一方面，更大的单元尺寸解决方案会给架构师带来更多限制，但会降低系统复杂性、减少人工成本以及减少运营和维护费用。BIPV 市场目前正处于从生产定制产品到可用于建筑表皮的商业化建筑围护结构材料的过渡状态。在目前的状态下，不同的配置和单元尺寸正在调查中；在不久的将来，市场将决定哪些解决方案能够存活下来。

6.3. 建造、安装和调试挑战

与之相关的实施阶段和程序也可能会带来一些挑战，这里列出了这些挑战。此阶段包括系统修复、系统平衡和系统调试。

6.3.1. 系统修复

BIPV 系统必须精确设计、设计和安装，并根据 BIPV 面板的类型采用适当的系统固定方法。最近的研究指出，BIPV 系统修复故障是该类别中的一个重要技术问题。目前 BIPV 安装系统的选择很少。幸运的是，BIPV 安装系统的最新发展增加了安装系统选项的数量，使该行业更接近于解决这个问题。制造商和建筑师之间的进一步努力和合作将极大地帮助解决这个问题。

6.3.2. 系统平衡 (BOS)

安装在建筑物表皮上的 BIPV 面板通过电线和连接器相互连接并连接回逆变器，为建筑物和网络供电。BIPV 电池产生的一部分电能在此过程中损失掉了。通过精确的设计和安装过程，可以在很大程度上减轻功率损耗。换句话说，虽然电缆必须正确隐藏和覆盖，在设计过程中应考虑到这一点，但确保所有电线和连接器的正确安装也是安装人员的任务。

6.3.3. 系统调试说明

另一个问题是缺乏解决系统安装后全面调试的指南。此类说明应由调试技术人员执行，以确保系统完全运行且没有风险、危险和缺陷。最近实施的 BIPV 项目提高了对全面调试过程的需求。正确的调试程序还将确保实现最大系统输出和最佳性能，从而增加系统的经济收益。系统调试指南必须至少涵盖以下标准：

结构合规性，意味着系统符合特定的电气标准和建筑规范；
电气安全，意味着系统不会增加业主的安全风险；
系统校准以确保满足预测的系统输出（由安装人员）

6.4. 运维挑战

尽管光伏系统（以及因此作为光伏系统子类的 BIPV 系统）的运营和维护成本较低，但它们可能会遇到一些需要考虑的挑战。光伏系统中涉及的定期检查和监测系统、水渗透、能源生产保证、维护和更换程序、孤岛和上网电价提出了独特的挑战和障碍，本文将对此进行讨论。

6.4.1. 定期检查和监测系统

BIPV 系统在开始运行时甚至在系统调试过程中（以确保系统按预期工作）的主要问题之一是缺乏对系统性能的监控。定期监控程序对于识别任何故障并实施所需的系统设置更改以确保系统长时间以最佳性能运行至关重要。

缺乏监控和故障警报系统，以确保在整个系统生命周期内以适当和及时的方式报告任何故障，可能会抑制 BIPV 系统的广泛推广，并可能增强对系统复杂性的感知。

6.4.2. 水渗透

另一个关键问题是风驱动的降雨效应，它会导致水渗透。加速的雨滴通过接头和重叠部分渗透通过 BIPV 结构。这种现象会导致水渗透并导致 BIPV 系统中的技术问题，包括湿气产生的冷凝，这可能导致 BIPV 系统的整体功能失效，以及对内部建筑组件的损坏。当涉及到屋顶安装的 BIPV 系统时，在屋顶结构顶部和系统下方实施连续且无缝的底层板可能是解决此问题的方法。

6.4.3. 能源生产保修

如果投标人获得特定的年度能源生产保证，例如为期十年，BIPV 项目可能对保守的投资者更具吸引力；然而，很少有 BIPV 承包商愿意这样做。对建筑业主而言，长期的能源生产性能保证可能是一个巨大的驱动因素，这可能会导致 BIPV 系统的快速推出。制造商和顾问有责任在考虑系统位置、方向、组件、气候和其他因素的同时保证系统生产性能。

6.4.4. 维护和更换程序

建筑师和设计师在设计阶段通常不会考虑损坏的 BIPV 模块和部件的维护和更换，这意味着通常没有适当的布线和外部固定装置；当BIPV模块需要更换时，这会导致复杂的问题。此外，作为建筑物表皮的 BIPV 系统需要定期维护。因此，系统设计人员除了设计考虑因素外，还应考虑系统的安装后考虑因素（即 BIPV维护和更换）。

此外，安装在建筑表皮上的 BIPV 系统需要定期清洁，清洁频率可能会根据气候、城市和季节而变化。具有清洁表面的 BIPV 系统可以带来更好的系统性能以及更低的降解率。

6.4.5。孤岛

孤岛化是一种状态，其中同时承载负载和分布式资源的公用事业系统的一部分（在这种情况下为 BIPV 系统）保持通电，同时与公用事业系统的其余部分物理隔离。孤岛化会对 BIPV 系统以及安装人员和维护人员造成重大损害（甚至可能导致死亡）。

公共耦合点 (PCC) 是涉及此问题的关键领域。PCC 是生产设施的本地电力系统（例如 BIPV）连接到电力公司的电力系统（例如电力计费表）的点。它也是指定用于断开、分离或中断电力公司和发电设施之间的连接的设备的位置。

传统的 BIPV 逆变器自主运行，在供电的同时监测 PCC 的频率和电压以检查是否存在干扰。当涉及到更广泛的生产水平时，这会导致难以管理或控制的大量发电量。公用事业公司必须能够在需要时远程关闭分布式能源资源，或将电源管理功能应用于电网智能逆变器（单独或作为整体）。

6.4.6。上网电价（上网电价）

上网电价 (FiT) 是一种行动方案，旨在通过以通常高于电网销售价格的价格出售可再生能源产生的（多余）电力来加速对可再生能源技术的投资。法国、德国等一些国家通过采取这样的行动，在很大程度上促进了太阳能的发展；然而，许多其他欧洲国家仍然没有上网电价。例如，在挪威，BIPV 系统发电的上网电价通常等于发电厂的发电成本。对终端用户的电力销售价格为发电厂的发电成本、发电厂的发电成本税、输电成本、输电成本税和总增值税之和成本。为了在城市地区广泛推广 BIPV 系统，上网电价必须等于电网当局出售给客户的电力的最终电价；然而，最近的许多研究表明，城市地区 BIPV 系统的社会和环境效益是显着的，并且 FiT 应该甚至高于网络价格.

6.5。临终挑战

一旦 BIPV 系统的生命周期结束，系统需要被拆除和拆除。拆除和材料回收程序存在一定的挑战，本节将对此进行讨论。

系统拆除和材料回收

报废建模也是另一个挑战。研究人员最近对这个问题表现出越来越大的兴趣。探索 BIPV 系统报废效益的研究非常有限，并且大多与传统光伏 (PV) 系统的研究一致。据估计，到 2030 年，产生的光伏废物将约为 170 万吨，而到 2050 年，这一数字甚至可能增加到 6000 万吨。最近的一项研究表明，从一个重 20 公斤的 PV 或 BIPV 模块中，可以回收大约 19 公斤的有用材料；然而，这个数字因所使用的拆解或回收方法而异。

七、结论

这项研究通过定义一个可供建筑师和城市规划者使用的指标来评估当在整个建筑围护结构表面区域作为建筑围护结构材料实施时，BIPV 系统可以提供欧洲建筑物消耗的能源。

结果表明，在城市地区的能源转型过程中，欧洲国家在多大程度上可以依赖 BIPV 技术。对广泛推出 BIPV 系统之前的 18 个障碍和挑战进行了分类和详细讨论。

结果表明，BIPV 技术可以在很大程度上满足城市地区的能源需求。对所有欧盟成员国（EU）首都以及挪威和瑞士首都的评估表明，平均而言，建筑表皮与建筑净面积的比率为 0.78，BSGR 率为 30%，BIPV 玻璃和到 2030 年， BIPV 面板效率水平分别达到 13% 和 25%，建筑能耗率达到 135 kWh/m 2 ·年，欧盟城市可以实现成为零能耗城市地区的目标。

本研究不考虑与案例研究的城市背景相关的限制，例如阴影问题；建造障碍；以及历史、架构和监管限制。未来的研究可以评估城市环境的影响，以及气候和不同技术对本文结果的影响。

所提出的研究不仅可以帮助最终用户和建筑师认识到 BIPV 系统是在欧洲建造表皮的合适选择，而且还可以鼓励政府和决策者通过合理的补贴和激励措施来推广 BIPV 系统，以扩大该技术的作用在城市能源转型中。