1. 引言

光伏建筑一体化(BIPV)技术是指将太阳能光伏组件与建筑结构相结合，实现建筑的能源自给自足[1] [2]。国外许多发达国家在BIPV技术的研发和应用方面取得了显著成果，如德国、日本和美国等国家在光伏建筑一体化设计、施工和政策支持方面积累了丰富的经验。国内方面，随着国家对可再生能源的重视和政策扶持，BIPV技术也逐渐成为建筑行业的新趋势[3]-[6]。

宁夏地区独特的地理位置和气候条件，如日照充足，年均日照时数超过3000小时，为BIPV技术的应用提供了良好的基础[7] [8]。“双碳”背景下，光伏建筑一体化技术应用于农房建设，不仅能有效减少化石能源消耗，还能降低农村居民的用电成本，提高居住生活品质。近年来，为全面落实党的二十大报告提出的逐步实现“农村基本具备现代生活条件”要求，宁夏住房和城乡建设厅于2023年启动实施自治区太阳能建筑一体化现代农房建设试点项目，按照建设“功能现代、成本经济、结构安全、绿色环保、风貌协调”的现代宜居农房标准，出台了《宁夏太阳能建筑一体化现代农房设计技术指南》，并根据农民意愿编制了不同户型的现代农房设计图集，引导各地探索建设低能耗、能发电、会赚钱的高品质“好房子”。

本文将结合宁夏地区的实际情况，通过正在实施的试点项目案例，探讨光伏建筑一体化现代农房建设，总结适合宁夏农村建设“好房子”的技术路径和建设标准，也为其他地区提供可借鉴的经验，推动光伏建筑一体化技术在农房应用发展。

2. 宁夏农房光伏一体化设计

2.1. 设计要点

在宁夏地区推广光伏建筑一体化现代农房的设计理念，核心在于融合可持续发展理念与当地农村实际需求。首先，设计应充分利用宁夏丰富的太阳能资源，通过光伏组件的集成应用，实现农房能源的自给自足，特别是解决冬季清洁取暖用电贵的问题。其次，设计应注重与当地自然环境和文化特色的融合，确保农房宜居性的同时，也能够保持地域风貌的协调性。此外，设计还应考虑到成本效益，通过优化设计和材料选择，降低成本，使光伏建筑一体化技术更加经济可行，易于被农村居民接受。

光伏一体化技术与现代农房设计的结合，需要考虑以下几个方面：

1) 建筑布局与朝向：充分利用宁夏地区充足的光照，农房布局应尽量朝南，以确保光伏板能够接收阳光。同时，建筑间距应适当，避免相互遮挡，影响光伏板的发电效率。

2) 光伏组件的选择与安装：根据宁夏地区的气候特点，选择适合高温、高辐射环境的光伏一体化组件安装在南坡屋顶，亦可结合上人屋面做成遮阳棚等形式。同时在设计阶段应充分考虑光伏板的维护和清洁问题，确保其长期稳定运行。

3) 建筑节能设计：注重农宅节能设计，通过优化建筑的保温隔热性能，提高建筑的整体能效。例如，采用高效保温材料、双层中空玻璃窗等措施，降低建筑的热损失。

4) 智能化管理系统：推荐配备智能化管理系统，通过安装智能电表和能源管理系统，实时监控光伏系统的发电量和用电情况，实现能源的优化配置。此外，还可结合实际，扩大应用场景，将多余发电用于农村用电大户，如小型污水处理厂、加工厂等。

5) 绿色建筑材料的应用：应优先选择绿色、环保的建筑材料。例如，使用可再生材料、低挥发性有机化合物(VOC)的涂料等，减少对环境的影响。同时，结合宁夏地区的地域特色，融入传统建筑元素，提升农房文化内涵。

2.2. 设计案例

光伏建筑一体化现代农房的户型设计在考虑安全、抗震的前提下，充分考虑房间功能布局的合理性和适应性，优化屋顶光伏板(瓦)安装的面积要求，以确保光伏系统的高效运行、经济性和美观性。宁夏光伏一体化农房典型户型和光伏板安装后的立面效果图见图1所示。

1) 安全性：在户型设计中，应确保光伏板的安装安全。这包括结构安全，确保光伏板的安装不会对建筑结构造成损害；以及电气安全，确保光伏系统的电气连接符合安全标准，避免电气火灾等安全隐患。

2) 适应性：光伏一体化农房的设计应注重功能分区的合理性，在满足现代生活的同时，兼顾家庭成员规模变化、生活方式的变化以及后期经营的可能性。例如，随着家庭成员的增加或减少，户型设计应能够灵活调整，以满足不同的居住需求。图1所示为160平方米户型，可以兼顾经营或三代同堂。

3) 经济性：光伏板(瓦)的铺设面积要充分考虑光伏板(瓦)的日发电量、使用寿命、价格及农户住宅面积、冬季耗电量情况，在投资收益上取最佳值，确保农户收益最大化。

4) 美观性：光伏板的安装不应破坏农房的整体美观。在设计时，可以考虑将光伏板与建筑元素相结合，如屋顶的瓦片设计、墙面的装饰等，使光伏板成为建筑的一部分，提升整体的视觉效果。

(a) 户型图 (b) 立面效果图

Figure 1. Typical photovoltaic integrated farmhouse in Ningxia

图1. 宁夏典型光伏一体化农房

3. 一体化现代农房项目冬季能耗测试分析

3.1. 测试概况

本次测试的项目采用了装配式空腔EPS模块现浇混凝土系统作为围护结构，并选用了光伏光热PV/T热泵作为热源。屋顶上安装了分布式光伏系统。热泵的制热功率为5 kW (大约相当于7匹马力)，光伏系统的装机容量为6.48 kW，预计年发电量约为9700 kWh。测试对象是四连排住宅中西侧的两户居民。具体来说，W1户未进行供暖，而W2户则进行了供暖，详情请参见图2。测试的主要内容是供暖系统的能耗情况，测试时间跨度为2023年12月4日至2024年3月31日。

Figure 2. Testing the location of farmers

图2. 测试农户位置

3.2. 测试期间供暖能耗

测试期间，1月5日至9日、2月9日至25日停电，12月4日至7日供暖设备安装调试，供暖系统实际运行约91天。基于测试期间供暖能耗及室内外温度，利用温频法估算，整个采暖季供暖总用电约8020 kWh (供暖室内温度设定15℃)。测试期间不同温频(室外日平均温度)的日用电量见图3所示。

Figure 3. Electricity consumption at different temperature frequencies during the testing period (unit: kWh)

图3. 测试期间不同温频用电量(单位：kWh)

测试期间，室内设定温度15℃，将室内温度统一到18℃，整个采暖季供暖总用电约8527 kWh，单位建筑面积用电量约38 kWh/m²。折算后，农宅每月供暖能耗见图4所示。

结合峰谷用电量比例，峰段电量约5014 kWh，谷段用电量约3513 kWh，年供暖花费约3373元，单位面积供暖费用约为15元/m²。

Figure 4. Monthly electricity consumption for heating at an indoor temperature of 18˚C (unit: kWh)

图4. 图供暖室内温度18℃时供暖逐月耗电量(单位：kWh)

4. 结论

通过宁夏一体化现代农房项目的冬季能耗测试分析，可以得出以下结论：

1) 给出了160平方米户型可以兼顾经营或三代同堂一体化设计农房的设计方案。

2) 通过一体化现代农房项目冬季能耗测试分析，初步验证了光伏建筑一体化技术在宁夏地区具有良好的应用前景。

参考文献