《ENERGY AND BUILDINGS》：Solar energy for multi-story apartment buildings – Innovative fa?ade solutions and energy sharing enable load-matching
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本研究提供了关于通过创新立面解决方案和多层公寓楼内部电力交易提高北欧城市地区太阳能光伏（PV）系统盈利能力的新见解。北欧光伏发展迅速，低太阳高度角使得各种立面安装具有吸引力，但对公寓楼能源经济影响的见解缺乏，本研究填补了这一研究空白。除了传统屋顶光伏，本研究还
本研究提供了关于通过创新立面解决方案和多层公寓楼内部电力交易提高北欧城市地区太阳能光伏（PV）系统盈利能力的新见解。北欧光伏发展迅速，低太阳高度角使得各种立面安装具有吸引力，但对公寓楼能源经济影响的见解缺乏，本研究填补了这一研究空白。除了传统屋顶光伏，本研究还研究了创新的垂直双面光伏（VBPV）立面解决方案，该方案可改善负荷匹配。这种将日常光伏曲线与负荷匹配的方法与需求响应和储能相比是一种不寻常的方法。使用真实电价数据和来自芬兰西南部的大量真实公寓消费数据以及建筑和公寓层面的不同能源共享场景调查光伏发电的经济价值提供了额外的创新性。此外，调查不同的真实遮阳场景以及精确建筑朝向的影响提供了鲁棒性。关键结果表明，能源共享占总光伏发电量的13–14%，并为小型（12块面板，5.28?kW）屋顶光伏系统和不同立面系统产生的光伏电力价值提供了10–12%的增长。从建筑内部市场购买电力对公寓所有者有利。遮阳使光伏发电量减少5.6–8.3%（轻微遮阳），而非最佳建筑朝向对光伏电力价值影响有限，为实际建筑设计提供了自由度。
**论文解读：太阳能多层公寓楼——创新立面解决方案与能源共享实现负荷匹配**
**研究背景与问题**
在城市区域，由于土地成本高且光伏（PV）单位面积能量输出低，大规模地面光伏电站面临挑战。因此，将光伏与建筑及城市基础设施集成是实现城市光伏发电的关键。北欧地区（如芬兰）太阳能光伏发展迅速，低太阳高度角使得垂直立面安装（如垂直双面光伏VBPV）具有独特优势，但现有研究主要关注低纬度地区，对北欧高纬度地区多层公寓楼的立面光伏系统经济性及能源共享机制缺乏深入分析。当前存在的主要问题包括：屋顶面积与用电需求之比低，所有权结构复杂（如住房合作社、公司所有制），以及如何公平分配光伏发电效益以避免业主间冲突。此外，虽然需求响应和储能技术可改善负荷匹配，但成本较高，且北欧条件下电池储能尚未盈利。因此，需要通过创新立面配置和建筑内部能源共享来提高光伏发电的自消纳率和经济价值，填补该研究空白。
**研究内容与结论**
研究人员以芬兰图尔库一栋五层18户公寓楼（来自“Make 2.0”开发项目）为案例，结合PVsyst软件（使用2023年哥白尼大气监测服务卫星气象数据）模拟光伏发电，并采用芬兰西南部配电系统运营商Vakka-Suomen Voima Oy提供的真实2023年住宅用电数据。通过蒙特卡洛方法生成100种不同用电剖面，研究四种遮阳场景（理想、轻微、中等、严重）和不同建筑朝向对光伏电力价值的影响。主要结论为：采用小型屋顶系统（MPV12，5.28?kW）与垂直双面光伏立面（VBPVL，9.24?kW）组合，能源共享使额外自消纳量占总发电量13–14%，光伏电力价值提升10–12%；即使轻微遮阳，光伏发电量减少5.6–8.3%，但经济价值下降幅度小于发电量下降；VBPVL立面在非正南朝向时仍保持高发电量和价值，为建筑设计提供灵活性；公寓级分析表明，大多数公寓因光伏节省电费18–26%，内部电力交易额小（平均每户每年约2欧元），效益在各户型间分布公平。该研究发表在《ENERGY AND BUILDINGS》，为北欧城市光伏部署提供了关键技术依据。
**关键技术方法**
1. **PVsyst软件模拟**：使用2023年哥白尼大气监测服务（CAMS）逐时卫星气象数据（全球水平辐射、散射水平辐射、环境温度及月平均反照率）建立建筑3D模型，模拟不同光伏系统的年发电量，垂直双面光伏（VBPV）建模验证于前期农业光伏实验数据。
2. **真实住宅用电数据**：来自芬兰西南部配电系统运营商Vakka-Suomen Voima Oy（VSV）的2023年逐时住户用电数据，涵盖户型（工作室、1-3室）及面积（34–86.5 m
2）。
3. **蒙特卡洛方法**：对每个公寓随机分配用电剖面和购电合同（现货、固定、直到另行通知ufn），生成100组建筑级用电情景，统计基尼系数确保代表性。
4. **遮阳与朝向情景分析**：基于图尔库三个真实位置（轻微、中等、严重遮阳）及建筑旋转（0°–360°方位角），评估对光伏产出和电力价值的影响。
**研究结果**
**3.1 基础情景与关键变量**
通过PVsyst模拟和Monte Carlo方法，发现MPV12小型屋顶系统自消纳率高达84.6–98.0%（U共享模式）和71.8–84.6%（D不共享模式），而MPV45大型屋顶系统自消纳率降至55.5–62.6%（U）和49.0–54.5%（D）。能源共享使自消纳率提升12.8–13.7个百分点，与文献[19]报道的6–17个百分点提升一致。固定价格购电合同下光伏电力价值高于现货合同，因夏季高发电时段现货价格较低。MPV12_VBPVL系统年单位功率价值达129 �/kW（U）和116 �/kW（D），均超过盈利阈值81 �/kW。LCOE计算显示，假设屋顶投资1.25 �/W、立面1.35–1.50 �/W，系统投资回收期27–29年，若降低20%初始成本则回收期可缩至14年。
**3.2 遮阳对电力价值的影响**
分析MPV12屋顶系统与不同立面系统在四种遮阳情景下的表现。轻微遮阳使整体发电量减少5.6%（MPVF）至8.3%（VBPVL），严重遮阳下光伏价值下降12.9%（D_MPVF）至22.9%（U_VBPVL）。VBPV立面因低太阳高度角时发电集中，对遮阳更敏感，但所有情景下单位功率价值均超80 �/kW，具备经济可行性。能源共享带来的价值提升幅度在9.7%–11.3%之间，且遮阳越严重，相对自消纳率和单位价值越高，因为多余发电量减少幅度大于自消纳量。
**3.3 建筑旋转的影响**
在理想无遮阳条件下，对比MPV12屋顶、MPVF和VBPVL立面在不同朝向（方位角0°为南，顺时针增加）下的年发电量和收入。VBPVL在所有朝向上发电量均高于MPVF，且西南朝向时单位电力收入最高（22.67 �/kWh，方位角17°），因下午电价尖峰与VBPVL午后发电高峰期匹配。MPVF在东南朝向收入较高，但西南朝向时收入快速下降至90%于25°偏差。MPV12屋顶在各朝向上单位价值最低。VBPVL输出保持在90%以上的朝向范围更广（西至48°，东至?39°），为建筑设计提供更大自由度。
**3.4 建筑内部能源共享的洞察**
随机选取10栋南向建筑（共180户）进行公寓级分析，假定每户按面积持有PV系统份额。能源共享（U模式）使PV电力年均值占电费比例从20.8%（1室户）至22.9%（工作室），而D模式下为18.3%–20.9%。内部交易量平均为178–196 kWh，对应价值9.3–9.7欧元；交易余额绝对值平均36–45 kWh（2.1–2.2欧元），表明大部分公寓收支平衡。工作室和2室-L型公寓因面积与用电比高，出售多余电力较多，但所有户型电费节省率（18–26%）分布均匀，无显著不公平现象。多数公寓因光伏节省18–26%电费，且能源共享效益分配公平。
**总结讨论与结论**
研究表明，垂直双面光伏（VBPV）立面与建筑内部能源共享相结合，可有效提高北欧多层公寓楼光伏系统的自消纳率和经济价值。与需求响应和储能相比，通过立面朝向优化实现负荷匹配的方法成本更低且易于实施。遮阳和建筑朝向对价值影响有限，尤其是VBPV系统在非最优朝向下仍保持高性能，为建筑师提供设计自由。公寓级分析证实，内部电力交易的效益在各户型间大致均匀分布，降低了因利益分配引发冲突的风险。然而，决策过程中个人经验、政治观点等因素可能超越技术经济考量。结论指出：对于配备小型屋顶PV（5.28?kW）和立面PV（9.24?kW）的五层18户建筑，能源使自消纳量增加13–14%，价值提升10–12%；遮阳对VBPV影响更明显但经济影响较小；建筑旋转对VBPV影响有限，提供设计灵活性；大多数公寓电费节省18–26%，内部交易效益公平。决策者应优先推动建筑内部能源共享政策以促进建筑光伏集成。
