新加坡发展HDB组屋屋顶光伏的经验借鉴
引言
为应对全球气候变暖以及严峻的能源与环境问题，世界各国均把开发利用可再生能源作为保障能源安全、减少碳排放和实现可持续发展的共同出路。其中，太阳能资源分布广泛、利用其发电不需燃料且发电过程清洁无污染，被众多国家作为重点发展的可再生能源方向之一。近年来以光伏集中电站、分布式光伏发电、光伏建筑一体化、太阳能热发电等形式的太阳能发电在全球范围内得以迅速发展，并被认为是未来世界能源的主体。根据欧盟委员会联合研究中心（European Commission’s Joint Research Centre）预测，到21世纪末，可再生能源在能源结构中占到80%以上，其中太阳能发电将占到60%以上。
新加坡是世界著名的城市国家，有花园城市之称，是亚洲重要的金融、服务和航运中心之一。作为一个典型的城市岛国，新加坡国土面积仅722.5平方公里，不及上海市崇明岛，石油、天然气、煤炭等资源匮乏，化石能源严重依赖进口。新世纪以来，新加坡日渐注重能源与城市的协同发展，在能效提升和促进可再生能源发展等方面成效显著，高效安全、绿色环保的发展理念深深植入新加坡的城市建设和能源规划中，能源驱动城市升级变革的作用愈加突出。新加坡地处热带阳光带，有垂直日照强度大等资源优势，年平均太阳能辐照度为1580千瓦时/平方米/年，太阳能发电成为新加坡发展可再生能源的重点方向。但作为一个岛屿型国家，土地面积有限，在发展大面积集中式光伏电站方面并不占优势。为推动城市能源绿色转型升级，新加坡近年来灵活利用国土空间，大力发展水面浮力光伏发电、屋顶光伏发电、异地光伏发电等太阳能发电产业，成为高密度城市地区开展太阳能资源开发利用的优秀典型。
新加坡近年来大力发展HDB政府组屋屋顶光伏发电项目。该项目是新加坡政府将城市规划与能源规划相协调，通过技术及设计创新破解城市可用土地不足困局，提升城市空间混合使用多重效益，推动城市建筑节能减排和绿色转型的优秀案例。本文主要介绍HDB组屋屋顶光伏的发展背景、发展现状和主要经验，以期为国内城市绿色转型和城市新能源产业发展，制定和完善相关政策，推广先进技术经验，实现城市碳中和与社会经济环境的高质量协调发展提供借鉴。
一、HDB组屋屋顶光伏发展的背景条件
为解决城市住房紧张问题，新加坡于1960年成立新加坡建屋发展局（Housing and Development Board，简称HDB），专门负责保障性住房的总体规划、设计、建造和经营管理，在全国推出“居者有其屋”计划，建立和发展了独特的以政府保障性住房为主导的住房体系。
HDB组屋即是由新加坡建屋发展局负责建造和供应的保障性住房，简称HDB组屋。新加坡符合条件的公民均可申请HDB组屋，根据公民申请者的收入水平、家庭成员数量、不动产拥有情况等，HDB制定了“租购结合”、“先供应租赁、再鼓励自购”、“分级租金”等分阶段、分重点的系列政策，极大地保障了住房弱势群体的住房供应，迅速满足了大量的居住需求.。根据HDB 2019/2020年度报告统计数字，截止到2020年末，HDB组屋建设已覆蓋新加坡全境23市镇和3大分区，建造供应的组屋超过100万套，为超过80%的新加坡人口提供了住房，居民住房自有率高达90%，人均居住面积达30平方米，最大程度地保障了新加坡国民的“居所有居”。新加坡被认为是世界上解决住房问题最好的国家之一。
HDB组屋由政府统一规划设计，数量规模大，覆蓋面积广，且同批次的房屋建筑设施条件差异性小，为规模性发展屋顶光伏奠定了基础条件（图1）。
图1 新加坡杜生庄组屋的总平面图及标准层平面图
1. HDB组屋实施绿色转型
自1960年代以来，新加坡HDB组屋建设历经五个不同的发展阶段。第一阶段 (1960-1970) ：快速发展阶段，缓解中低等收入群体房荒问题；第二阶段 (1970-1980)：系统发展、大量建设阶段，将供应范围扩展到中等收入群体；第三阶段 (1980-1990) ：改革发展、提升品质阶段，开始提供多样化及有特色的组屋区和服务设施；第四阶段 (1990-2000) ：个性发展、更新改造阶段，打造高品质的居住环境和个性化组团；第五阶段（21世纪以来）科学发展、内涵提升阶段，面对新世纪诸多挑战和居民多元化需求，融入更多新的建设理念和技术。
进入新世纪以来，HDB组屋进入低碳绿色转型的新阶段，发展屋顶光伏成为降低城市建筑碳排放、促进能源绿色转型的重要途径。在当前全球控制温室气体排放应对气候变化的背景下，HDB组屋进入绿色转型阶段。在保障性住房中应用绿色建筑技术，不仅能提高中低收入群体的居住品质，更能为绿色建筑推广提供规模化的支撑。自2005年推行绿色建筑标志计划以来，新加坡的公共组屋建设已经向节能、低碳、环保的可持续建筑转变，大批绿色组屋不断涌现。相关举措包括：配备使用水回收装置，如屋顶雨水储存系统和洗手间节水马桶；推广节能产品设计和应用，如在组屋公共区域安装“智慧节能电灯”、外窗安装遮阳板，实施屋顶绿化等等。其中，有一项重要的措施就是加强对太阳能的充分利用，利用组屋屋顶安装光伏发电板，将产生的电能用于夜间楼道、停车场等公共区域的照明，余电还可接入电网供市民生活所用。
2. 新加坡的光伏激励政策
新加坡化石能源匮乏，严重依赖进口，因城市快速发展需要，近年来能源消费总量仍呈不断增长趋势，2018年，一次能源消费量达到8760万吨油当量。在一次能源消费结构中，石油占比最大，高达86.6%（图2）。从电力装机结构看，新加坡发电以火力发电为主，光伏发电仍处于起步阶段。截至2018年年底，火力发电机组装机占总装机容量的98.85%；光伏装机容量为156.7兆瓦，占比仅有1.15%。从发电量看，2018年新加坡发电量为52.9太瓦时，光伏发电量为0.3太瓦时，仅占总发电量的0.54%。凭借新加坡较为丰富的太阳能光照资源，大力发展光伏发电成为新加坡能源绿色转型的一种必然需要。
图2 新加坡2010-2018年一次能源消费结构
从发展新能源的政策支持方面看，新加坡经济发展局在2006年就制定了发展太阳能产业的决定，并后续发布了一系列扶持光伏产业发展的财税政策。在光伏装机方面，2011年新加坡经济发展局清洁能源办公室公布了太阳能装机补贴计划，对新建商业或工业用建筑的太阳能光伏装机进行补贴，补贴项目的最小装机容量要求为50kW。已有建筑也可申请，针对具体情况单个审批。补贴额度为项目建设成本的30%，单个项目补贴额上限为100万新元。此外，新加坡还先后推出了约1100万新元的太阳能光伏浮岛、预计投资1330万新元的蔡厝港自来水厂和登格蓄水池实施两项太阳能试点项目等。在光伏研究方面，自2007年以来新加坡不断增加对新能源技术的研发投资。在2007—2010年期间，新加坡约投入7亿新元用于相关研发和培训工作。2010年9月，新加坡政府又推出了10亿新元的国家创新挑战项目，主要用于在清洁能源、能源安全、交通、环境持续发展等领域的研发。光伏产业的税收优惠。在光伏产业税收优惠方面，尽管新加坡目前没有专门针对光伏产业的税收优惠政策。但目前新加坡的公司所得税税率是17%，这相对于大多数国家而言都是非常优惠的；并且没有资本利得税；对具有新技术开发性质的产业给予5~15年的免税期；出口产品的生产可以享受最高达所获利润90%的免税待遇等。
在宏观政策方面，新加坡政府在2014年提出了《永续新加坡发展蓝图》，其中提到，2020年光伏装机将达到350MWp。在2019年制订了《新加坡可持续能源供给2030计划》，提出到2030年将光伏装机容量从2020年的350MWp提高到至少2000MWp。届时，光伏电量将满足约35万户家庭的常年用电需求。可见新加坡未来几年的光伏发展空间非常可观，政策或将持续推动能源的清洁化、低碳化。
3. HDB组屋屋顶光伏项目的发展
(1) 屋顶光伏的特点
屋顶光伏，又称太阳能屋顶，是在房屋顶部装设太阳能发电装置，利用太阳能光电技术在城乡建筑领域进行发电，以达到节能减排目标。屋顶光伏发电装置可以在电网中断期间为自身提供电力，并提高电力系统的恢复能力，从而为住宅和商业建筑带来价值。从光伏屋顶扩展到外墙、天窗、阳台遮阳板等的应用，也是未来光伏发电服务绿色建筑的主要方向。近年来，光伏建筑一体化（Building Integrated PV，BIPV）系统逐步被引入绿色建筑中。BIPV 技术主要是以光伏组件作为发电器件，并将其集成到建筑上，以达到为建筑供电的目的。BIPV具有如下几个优点：1) 可以充分利用屋顶或幕墙进行设备安装，并且不用额外配套其他基础设施，空间利用合理；2) 可以提高建筑利用率，达到节能的目的；3) 可以达到原地用电及原地放电的目的，在一定距离内，可节约将电力输送至电网的成本；4) 光伏阵列不仅可以提供充足的电力，还可以减轻室内冷负荷；5) 光伏阵列的安装可以改善建筑物的外观；6) 控制系统较为集中，电力控制、维护及其他操作系统都可以集中在一个建筑物内；7)光伏发电系统是一个清洁环保的系统，无噪音、污染物及燃料排放，可极大地提高楼盘的综合质量
(2)“太阳能新星”计划
“太阳能新星”（SolarNova）计划是由新加坡HDB和经济发展局于2014年共同协调发起的屋顶光伏发展计划。该计划旨在通过集合各政府部门的需求，在政府建筑和空间推广太阳能的使用，并吸引私人开发商和行业参与者共同创建解决方案，以最大程度地在私人工业和商业建筑物的屋顶上部署太阳能。该项目将太阳能生产的电能可用于建筑公共设施如电梯、水泵、走廊照明等方面，预计每年可减少13.25万吨的碳排放。太阳能新星计划是新加坡为实现2020年国家太阳能装机容量达到350MWp目标的重要项目，其中组屋屋顶光伏实现的装机容量要达到220MWp。目前这一目标已完成，HDB在2020年制定了新的目标，宣布未来将统一规划所有组屋屋顶太阳能开发，在2030年前完成540MW的装机量，届时每年将能生产648 GWh的绿色电能。
HDB组屋屋顶光伏项目由HDB主导，由新加坡经济发展局配合推进政策，建屋局协调发布标准化合同，与当地市政局合作，发布招标信息，大型开发商负责光伏系统的融资、设计、安装和运行维护，并最终完工项目并网发电（图3）。
图3 HDB主导下的屋顶光伏项目实施主体关系
(3) 组屋屋顶光伏发展现状
HDB组屋屋顶光建设通过市场招标进行，自2015年发布第一次招标项目，到2021年3月HDB发布最新的一次光伏组件招标项目，目前已举行过六次大型招标（图4）。计划在5885个组屋屋顶上安装光伏电板，总装机量超过330MW，其发电规模相当于为82500套四居室组屋供电，大力推动了新加坡清洁能源、城市低碳化建设。截至2020年12月，已在2470个组屋楼上完成了太阳能电池板安装（图5）
图4 HDB组屋屋顶光伏六次招标安装楼宇数量和装机容量
图6 HDB组屋屋顶光伏
二. 新加坡发展HDB组屋屋顶光伏的经验借鉴
1. 统一规划布局，提升项目安全效率
相比常规光伏电站开发，HDB组屋屋顶光伏项目由政府统一规划招标监管，对电站质量和安全性要求更高，对供应商的企业规模、设计能力和产能也有更高的门槛，从而可以保证屋顶光伏设施安装与运营的安全性。其次，组屋由HDB统一规划布局和设计建造，同一批次的组屋在建筑整体与局部设计尤其是屋顶空间条件上较为一致，有助于分批次、成规模地开展光伏项目的招标建设。2017年，新加坡HDB表示，在之后的新组屋建设项目中，在设计阶段就会为日后安装太阳能板做好楼顶空间和电缆规划，这意味着新组屋未来能更迅速地安装太阳能板，减少安装工程对居民的影响。据光伏安装企业反映，为现有组屋增加太阳能板需重新调整组屋的电缆，受屋顶设计和使用现状限制，部分楼顶安装太阳能板的空间有限，一般需要约40天的时间才能完成安装工作。新组屋从设计和兴建阶段就为未来安装太阳能板做好规划，能把之后的太阳能安装程序缩短至大约25天。这将减少安装太阳能板所需的人力成本，也能提高生产效率。
2. 结合屋顶空间现状，推进设施安装标准化
屋顶空间设计决定了屋顶空间与日照、环境的融合程度，也将影响屋顶光伏设施的固定方式、安装面积和运行维护的方便程度。早期修建的组屋屋顶情况一般较为复杂，多有大量空调外机等障碍物，同时，政府要求施工不得损坏建筑屋顶，而且必须留有通道以供检修，这为光伏支架的安装方案设计带来了挑战。在屋顶光伏发电设施的所有组成部分中，组件、逆变器等趋近于标准化生产，而安装支架需要根据不同屋顶具体情况和勘探数据设计，结合组件、逆变器需求，针对性地提供定制化解决方案。在HDB组屋屋顶光伏建设过程中，基于成规模的屋顶光伏项目经验，有助于形成设计难点数据库，根据屋顶情况运用可组装式的标准化设计模块，推动设施部件的标准化生产和程序式安装运行维护，大大提高了效率和降低了运营的成本。
3. 应用新技术方案，助推城市数字化转型
自2005年推行绿色建筑标志计划以来，新加坡的公共组屋建设已经向节能、低碳、环保的可持续建筑转变。除了屋顶绿化、节能设施等传统常规绿色建筑技术应用，新加坡也不断将新技术、新材料和新设计方案融入到屋顶光伏的建设中。包括新的光伏支架设计方案、使用发电效率提升的新型太阳能光伏板等。在2021年HDB发布的第六次屋顶光伏项目招标中，明确提出要在以后的屋顶光伏项目中安装智能电表。通过安装智能电表一方面能够帮助HDB和市政局监控和分析每栋楼宇的能源消耗情况，追踪楼内个别区块的能源需求和供应情况，收集的数据有助于市政局优化公共服务的维护周期，并检测设备故障等异常情况；另一方面也有助于用户监控家中的能源消耗，通过手机app了解用电习惯，并可参加节能挑战活动，从而提升能源使用效率和增强居民的绿色节能意识。智能电表的安装被认为是新加坡建设数字智能建筑的举措之一。
4. 完善配套政策体系 培育公众绿色意识
为支持光伏发电产业发展，新加坡发布了包括《新加坡可持续能源供给2030计划》、《太阳能装机补贴计划》等一系列补贴、税收优惠政策，并尤其重视光伏领域的技术研发，通过政府投资、设立专项奖学金等支持技术研发和人才培养。同时还制定实施了“绿色标识激励计划”、“设计原型绿色标识激励计划”、“既有建筑绿色标识激励计划”等激励措施，在新加坡组屋建设中植入绿色建筑理念。另外，新加坡通过教育和科普活动加强能源绿色转型的宣传引导，培育公众的绿色节能意识。如根据新加坡《2030年绿色计划》中的国家可持续发展议程，新加坡教育部携手学校与教育机构共同推广可持续发展的生活方式，从增加可持续性的教育理念到增强学校基础设施的可持续性功能，从鼓励学生养成日常可持续性的生活习惯到增加对环保志愿者工作的认识与参与，协助青少年建立起绿色可持续发展理念，以激发人们形成可持续生活方式等等。
三、 结语
当前，我国正大力加强保障性住房建设力度。党的十八大以来，我国已累计建设各类保障性住房和棚改安置住房8000多万套，惠及2亿多住房困难群体，有效改善了城镇户籍困难群众住房条件。“十四五”期间，我国将以发展保障性租赁住房为重点，进一步完善住房保障体系，增加保障性住房的供给，努力实现全体人民住有所居。这在众多地方城市“十四五”发展规划中均有体现，如2021年8月上海市发布的《上海市住房发展“十四五”规划》明确，形成供应租赁住房超过42万套（间、宿舍床位），占住房供应总套数的40%；广州提出，到2025年全面完成66万套保障性住房建设筹集任务；广西提出力争“十四五”期间新建保障性安居工程39.42万套。可以预见，由政府统一规划、组织筹建和供应的保障性住房将在我国未来大城市住房供应体系中占据重要地位。
中国的光伏发电潜力巨大，理论上可开发的潜在光能储量是141万亿度，2020年中国一年发电量是7.2万亿度，仅为光能储量的1/20，考虑到光能利用率相对比较低，以10%的比例保守估算国内光伏发电总量可达14万亿度，已为当前中国总用电量的两倍。在2021年10月24日发布的《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中，第（十九）节“加快优化建筑用能结构”明确提出“开展建筑屋顶光伏行动”作为深化可再生能源建筑应用的重要举措，体现了国家对发展屋顶光伏的重视。
借鉴新加坡发展组屋屋顶光伏案例，有必要对我国城市住房，尤其是由政府统一规划布局的保障性住房上发展屋顶光伏的问题开展前置性研究。以提前布局设计，制定相应的实施路线图，有助于在最大程度上统一标准、集约资源和提升建设屋顶光伏的效率，实现解决城市住房困难、节能减排和人居环境改善等多方面的综合效益。
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