引言电能是综合性医院建筑能耗的主要能源，耗电平均值为95.04 kWh/(m2·a)，约占总能耗的56.39%[1-2]。为降低建筑能耗，我国对绿色建筑的评定标准中突出了对可再生能源的利用水平[3]。随着光伏发电成本的大幅下降，光伏建筑一体化（Building Integrated Photovltaic，BIPV）将光伏组件附着于建筑表面[4-5]，可以兼顾发电的经济效益和美化立面效果，成为未来建筑节能的主要技术路径之一。为了探究医院节能减排的技术路径[6]，以天津某医院综合医疗楼为例，进行光伏建筑一体化系统发电潜力及其效益的研究。分析楼体的立面和顶面得到光伏发电的可利用面积，并结合天津地区太阳辐射情况，估算光伏系统的发电量以及项目在全寿命周期内的成本，分析该系统带来的经济和环境效益，为光伏建筑一体化技术应用于综合性医院提供参考。1项目概况及发电量计算天津某医院综合医疗楼总建筑面积124 290 m2，裙楼5层，主楼14层，总高60 m，裙楼位于主楼的北侧，朝向正北方向，主楼外墙采用玻璃幕墙和金属铝板。为了不影响楼内采光，以除玻璃幕墙以外的立面作为光伏发电的可利用面积。由于主楼的影响，裙楼楼顶的可利用面积较少，故不计入可利用面积内，裙楼部分立面计算在可利用面积之内。经过测算得到可利用面积如表1所示。立面和顶面的光伏板安装角度分别为90°和31°，根据文献[7]得到天津地区不同建筑立面的太阳辐射量，理论发电量计算公式为：Ep=HA×S×k1×k2 (1)式中：Ep——理论发电量，kWh；HA——月均太阳辐射总量，kWh/m2；S——光伏组件面积，m2；k1——组件转换效率，取0.15；k2——系统综合效率，取0.8。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.001.T001表1光伏发电可利用面积立面面积南立面4 016东立面1 433西立面1 433主楼顶面800m22020年医院光伏系统每月发电量，如表2所示。由表2可知，南立面发电量为476 635 kWh；东立面发电量为135 344 kWh；西立面发电量为135 344 kWh；顶面发电量为127 282 kWh；系统的年发电量为874 605 kWh。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.001.T002表22020年综合医疗楼各立面发电量月份南立面东立面西立面顶面总计1月42 6896 9796 9795 86262 5102月45 8069 1719 1718 07672 2253月43 29511 41211 41210 65876 7774月41 73614 59714 59714 05384 9845月36 91716 03816 03815 76584 7586月33 61015 56815 56815 46680 2117月31 89213 79813 79813 71473 2028月33 50712 60012 60012 34371 0509月41 65112 22712 22711 49977 60410月44 1139 6689 6688 69572 14311月41 0717 0917 0916 04361 29612月40 3486 1956 1955 10757 845kWh由于太阳能光伏板的性能衰减、尘埃遮挡、逆变器和其他电气设备老化等，造成光电转化效率降低。按照光伏材料寿命25年计算，项目全寿命期间的损耗及老化综合效率取0.9，得到光伏发电系统在全寿命周期内，年均发电量787 144 kWh，总发电量19 678 612 kWh。根据2020年医院每月的耗电量，光伏系统第1年医院用电量与光伏预计发电量变化趋势如图1所示，2020年光伏预计发电量占医院耗电量的比例如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.001.F001图12020年医院用电量与光伏预计发电量10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.001.T003表32020年光伏预计发电量占医院耗电量的比例月份比例月份比例1月8.717月7.592月11.748月6.513月12.619月9.204月15.1510月11.605月12.2211月9.436月9.1512月8.06%该光伏发电系统在第1年的总发电量占医院总用电量最高的月份为4月，占比15.15%；最低为8月，占比6.51%，主要原因是8月份的用电量最大。经计算该光伏发电系统的年总发电量占医院总用电量的9.76%，就光伏发电量而言，4月和5月的发电量最大分别为：84 984 kWh和84 758 kWh；发电量最小的月份为12月，发电量为57 845 kWh。2应用效益分析2.1经济效益分析为了便于计算，本研究仅考虑光伏组件的安装成本，未考虑新建项目安装光伏组件替代铝扣板幕墙节约的成本。根据其他光伏幕墙的建设经验[8]，项目光伏幕墙的初始投资成本为0.189万元/m2，估算得到本项目的初始投资成本约为1 386万元。另外每年的运维费用约为总投资的0.1%[9]，日常维护费用为8元/kW[10]，则系统运行25 年总运行维护费用为595 700元。系统总投资成本为系统初期投资和运行维护费用之和，得到总投资成本为14 455 700元。单位供电成本计算公式为：A=B/(C×d)(2)式中：A——单位供电成本，元；B——总投资成本，元；C——年平均发电量，kWh;d——寿命周期，a。经过计算，单位供电成本为0.734 5 元/kWh。按照天津地区35 kV等级用户的电费标准，在8：30~18：00的电费约为0.738 5元/kWh，若采用“自发自用”模式，得到全寿命周期内可节约医院电费78 714元。2.2环境效益分析与煤炭电力相比，太阳能光伏发电可以避免产生大量的CO2、SO2、NOx和粉尘等污染物。以燃煤火力发电站为参照，分析光伏发电在全寿命周期内的环境效益。按照我国火力发电煤耗325克标准煤/kWh为标准，本系统25年内可节约6 395.55吨标准煤，折算为原煤8 953.59 t。2020年我国原煤的平均价格约为550元/t，则该系统产生的价值约为4 924 474元。按照每燃烧1吨标准煤所排放的污染物和每单位污染物排放所对应的环境成本[10]，得到25年总减排量和总环境效益如表4所示。由表4可知，该系统总减排效益1 807 493元，总环境效益为总减排效益与节约的资源价值之和，共计6 731 967元。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.001.T004表4系统总减排量和总环境效益项目减排量/t环境效益/元CO211 070.69254 625.87SO2140.70844 200.00NOx63.96511 680.00粉尘89.54196 988.003结语通过对天津市某医院综合医疗楼光伏建筑一体化应用的研究和分析，光伏发电可以作为一种清洁的能源供给方式，并作为未来建设绿色综合性医院的技术路径。得到如下结论：（1）考虑建设成本的条件下，光伏建筑一体化技术应用于综合医院建筑的经济效益并不突出，全寿命周期内仅可节约78 714元。BIPV系统的发电量占建筑总耗电比例约为9.76%，但是该系统可作为应急电源向重要负荷供电，提高医院供电系统的可靠性。由于光伏材料价格下降趋势明显，且光电转化效率和使用寿命的进一步提高，可以预见未来光伏发电系统将产生良好的经济效益。（2）BIPV系统的环境效益较明显，总环境效益为6 731 967元，可以有效降低因使用煤炭带来的环境污染。在我国鼓励光伏系统加入碳交易的背景下，BIPV系统有效减少医院建筑碳排放量，同时可以增大经济效益。（3）本研究未考虑因布设光伏幕墙替代原有铝板幕墙的花费，若在新建项目中统筹考虑光伏幕墙的安装，也会节约整个建设项目初始的投资成本。另外光伏玻璃幕墙也可以替代立面原有玻璃幕墙，进一步增大立面的利用面积，增大系统的发电量。未来的研究可以更全面地评估医院建筑的发电潜力及效益。