引言
爲應對全球氣候變暖以及嚴峻的能源與環境問題，世界各國均把開發利用可再生能源作爲保障能源安全、減少碳排放和實現可持續發展的共同出路。其中，太陽能資源分布廣泛、利用其發電不需燃料且發電過程清潔無汙染，被衆多國家作爲重點發展的可再生能源方向之一。近年來以光伏集中電站、分布式光伏發電、光伏建築一體化、太陽能熱發電等形式的太陽能發電在全球範圍內得以迅速發展，並被認爲是未來世界能源的主體。根據歐盟委員會聯合研究中心（European Commission’s Joint Research Centre）預測，到21世紀末，可再生能源在能源結構中占到80%以上，其中太陽能發電將占到60%以上。
新加坡是世界著名的城市國家，有花園城市之稱，是亞洲重要的金融、服務和航運中心之一。作爲一個典型的城市島國，新加坡國土面積僅722.5平方公裏，不及上海市崇明島，石油、天然氣、煤炭等資源匮乏，化石能源嚴重依賴進口。新世紀以來，新加坡日漸注重能源與城市的協同發展，在能效提升和促進可再生能源發展等方面成效顯著，高效安全、綠色環保的發展理念深深植入新加坡的城市建設和能源規劃中，能源驅動城市升級變革的作用愈加突出。新加坡地處熱帶陽光帶，有垂直日照強度大等資源優勢，年平均太陽能輻照度爲1580千瓦時/平方米/年，太陽能發電成爲新加坡發展可再生能源的重點方向。但作爲一個島嶼型國家，土地面積有限，在發展大面積集中式光伏電站方面並不占優勢。爲推動城市能源綠色轉型升級，新加坡近年來靈活利用國土空間，大力發展水面浮力光伏發電、屋頂光伏發電、異地光伏發電等太陽能發電産業，成爲高密度城市地區開展太陽能資源開發利用的優秀典型。
新加坡近年來大力發展HDB政府組屋屋頂光伏發電項目。該項目是新加坡政府將城市規劃與能源規劃相協調，通過技術及設計創新破解城市可用土地不足困局，提升城市空間混合使用多重效益，推動城市建築節能減排和綠色轉型的優秀案例。本文主要介紹HDB組屋屋頂光伏的發展背景、發展現狀和主要經驗，以期爲國內城市綠色轉型和城市新能源産業發展，制定和完善相關政策，推廣先進技術經驗，實現城市碳中和與社會經濟環境的高質量協調發展提供借鑒。
一、HDB組屋屋頂光伏發展的背景條件
爲解決城市住房緊張問題，新加坡于1960年成立新加坡建屋發展局（Housing and Development Board，簡稱HDB），專門負責保障性住房的總體規劃、設計、建造和經營管理，在全國推出“居者有其屋”計劃，建立和發展了獨特的以政府保障性住房爲主導的住房體系。
HDB組屋即是由新加坡建屋發展局負責建造和供應的保障性住房，簡稱HDB組屋。新加坡符合條件的公民均可申請HDB組屋，根據公民申請者的收入水平、家庭成員數量、不動産擁有情況等，HDB制定了“租購結合”、“先供應租賃、再鼓勵自購”、“分級租金”等分階段、分重點的系列政策，極大地保障了住房弱勢群體的住房供應，迅速滿足了大量的居住需求.。根據HDB 2019/2020年度報告統計數字，截止到2020年末，HDB組屋建設已覆蓋新加坡全境23市鎮和3大分區，建造供應的組屋超過100萬套，爲超過80%的新加坡人口提供了住房，居民住房自有率高達90%，人均居住面積達30平方米，最大程度地保障了新加坡國民的“居所有居”。新加坡被認爲是世界上解決住房問題最好的國家之一。
HDB組屋由政府統一規劃設計，數量規模大，覆蓋面積廣，且同批次的房屋建築設施條件差異性小，爲規模性發展屋頂光伏奠定了基礎條件（圖1）。
圖1 新加坡杜生莊組屋的總平面圖及標准層平面圖
1. HDB組屋實施綠色轉型
自1960年代以來，新加坡HDB組屋建設曆經五個不同的發展階段。第一階段 (1960-1970) ：快速發展階段，緩解中低等收入群體房荒問題；第二階段 (1970-1980)：系統發展、大量建設階段，將供應範圍擴展到中等收入群體；第三階段 (1980-1990) ：改革發展、提升品質階段，開始提供多樣化及有特色的組屋區和服務設施；第四階段 (1990-2000) ：個性發展、更新改造階段，打造高品質的居住環境和個性化組團；第五階段（21世紀以來）科學發展、內涵提升階段，面對新世紀諸多挑戰和居民多元化需求，融入更多新的建設理念和技術。
進入新世紀以來，HDB組屋進入低碳綠色轉型的新階段，發展屋頂光伏成爲降低城市建築碳排放、促進能源綠色轉型的重要途徑。在當前全球控制溫室氣體排放應對氣候變化的背景下，HDB組屋進入綠色轉型階段。在保障性住房中應用綠色建築技術，不僅能提高中低收入群體的居住品質，更能爲綠色建築推廣提供規模化的支撐。自2005年推行綠色建築標志計劃以來，新加坡的公共組屋建設已經向節能、低碳、環保的可持續建築轉變，大批綠色組屋不斷湧現。相關舉措包括：配備使用水回收裝置，如屋頂雨水儲存系統和洗手間節水馬桶；推廣節能産品設計和應用，如在組屋公共區域安裝“智慧節能電燈”、外窗安裝遮陽板，實施屋頂綠化等等。其中，有一項重要的措施就是加強對太陽能的充分利用，利用組屋屋頂安裝光伏發電板，將産生的電能用于夜間樓道、停車場等公共區域的照明，余電還可接入電網供市民生活所用。
2. 新加坡的光伏激勵政策
新加坡化石能源匮乏，嚴重依賴進口，因城市快速發展需要，近年來能源消費總量仍呈不斷增長趨勢，2018年，一次能源消費量達到8760萬噸油當量。在一次能源消費結構中，石油占比最大，高達86.6%（圖2）。從電力裝機結構看，新加坡發電以火力發電爲主，光伏發電仍處于起步階段。截至2018年年底，火力發電機組裝機占總裝機容量的98.85%；光伏裝機容量爲156.7兆瓦，占比僅有1.15%。從發電量看，2018年新加坡發電量爲52.9太瓦時，光伏發電量爲0.3太瓦時，僅占總發電量的0.54%。憑借新加坡較爲豐富的太陽能光照資源，大力發展光伏發電成爲新加坡能源綠色轉型的一種必然需要。
圖2 新加坡2010-2018年一次能源消費結構
從發展新能源的政策支持方面看，新加坡經濟發展局在2006年就制定了發展太陽能産業的決定，並後續發布了一系列扶持光伏産業發展的財稅政策。在光伏裝機方面，2011年新加坡經濟發展局清潔能源辦公室公布了太陽能裝機補貼計劃，對新建商業或工業用建築的太陽能光伏裝機進行補貼，補貼項目的最小裝機容量要求爲50kW。已有建築也可申請，針對具體情況單個審批。補貼額度爲項目建設成本的30%，單個項目補貼額上限爲100萬新元。此外，新加坡還先後推出了約1100萬新元的太陽能光伏浮島、預計投資1330萬新元的蔡厝港自來水廠和登格蓄水池實施兩項太陽能試點項目等。在光伏研究方面，自2007年以來新加坡不斷增加對新能源技術的研發投資。在2007—2010年期間，新加坡約投入7億新元用于相關研發和培訓工作。2010年9月，新加坡政府又推出了10億新元的國家創新挑戰項目，主要用于在清潔能源、能源安全、交通、環境持續發展等領域的研發。光伏産業的稅收優惠。在光伏産業稅收優惠方面，盡管新加坡目前沒有專門針對光伏産業的稅收優惠政策。但目前新加坡的公司所得稅稅率是17%，這相對于大多數國家而言都是非常優惠的；並且沒有資本利得稅；對具有新技術開發性質的産業給予5~15年的免稅期；出口産品的生産可以享受最高達所獲利潤90%的免稅待遇等。
在宏觀政策方面，新加坡政府在2014年提出了《永續新加坡發展藍圖》，其中提到，2020年光伏裝機將達到350MWp。在2019年制訂了《新加坡可持續能源供給2030計劃》，提出到2030年將光伏裝機容量從2020年的350MWp提高到至少2000MWp。屆時，光伏電量將滿足約35萬戶家庭的常年用電需求。可見新加坡未來幾年的光伏發展空間非常可觀，政策或將持續推動能源的清潔化、低碳化。
3. HDB組屋屋頂光伏項目的發展
(1) 屋頂光伏的特點
屋頂光伏，又稱太陽能屋頂，是在房屋頂部裝設太陽能發電裝置，利用太陽能光電技術在城鄉建築領域進行發電，以達到節能減排目標。屋頂光伏發電裝置可以在電網中斷期間爲自身提供電力，並提高電力系統的恢複能力，從而爲住宅和商業建築帶來價值。從光伏屋頂擴展到外牆、天窗、陽台遮陽板等的應用，也是未來光伏發電服務綠色建築的主要方向。近年來，光伏建築一體化（Building Integrated PV，BIPV）系統逐步被引入綠色建築中。BIPV 技術主要是以光伏組件作爲發電器件，並將其集成到建築上，以達到爲建築供電的目的。BIPV具有如下幾個優點：1) 可以充分利用屋頂或幕牆進行設備安裝，並且不用額外配套其他基礎設施，空間利用合理；2) 可以提高建築利用率，達到節能的目的；3) 可以達到原地用電及原地放電的目的，在一定距離內，可節約將電力輸送至電網的成本；4) 光伏陣列不僅可以提供充足的電力，還可以減輕室內冷負荷；5) 光伏陣列的安裝可以改善建築物的外觀；6) 控制系統較爲集中，電力控制、維護及其他操作系統都可以集中在一個建築物內；7)光伏發電系統是一個清潔環保的系統，無噪音、汙染物及燃料排放，可極大地提高樓盤的綜合質量
(2)“太陽能新星”計劃
“太陽能新星”（SolarNova）計劃是由新加坡HDB和經濟發展局于2014年共同協調發起的屋頂光伏發展計劃。該計劃旨在通過集合各政府部門的需求，在政府建築和空間推廣太陽能的使用，並吸引私人開發商和行業參與者共同創建解決方案，以最大程度地在私人工業和商業建築物的屋頂上部署太陽能。該項目將太陽能生産的電能可用于建築公共設施如電梯、水泵、走廊照明等方面，預計每年可減少13.25萬噸的碳排放。太陽能新星計劃是新加坡爲實現2020年國家太陽能裝機容量達到350MWp目標的重要項目，其中組屋屋頂光伏實現的裝機容量要達到220MWp。目前這一目標已完成，HDB在2020年制定了新的目標，宣布未來將統一規劃所有組屋屋頂太陽能開發，在2030年前完成540MW的裝機量，屆時每年將能生産648 GWh的綠色電能。
HDB組屋屋頂光伏項目由HDB主導，由新加坡經濟發展局配合推進政策，建屋局協調發布標准化合同，與當地市政局合作，發布招標信息，大型開發商負責光伏系統的融資、設計、安裝和運行維護，並最終完工項目並網發電（圖3）。
圖3 HDB主導下的屋頂光伏項目實施主體關系
(3) 組屋屋頂光伏發展現狀
HDB組屋屋頂光建設通過市場招標進行，自2015年發布第一次招標項目，到2021年3月HDB發布最新的一次光伏組件招標項目，目前已舉行過六次大型招標（圖4）。計劃在5885個組屋屋頂上安裝光伏電板，總裝機量超過330MW，其發電規模相當于爲82500套四居室組屋供電，大力推動了新加坡清潔能源、城市低碳化建設。截至2020年12月，已在2470個組屋樓上完成了太陽能電池板安裝（圖5）
圖4 HDB組屋屋頂光伏六次招標安裝樓宇數量和裝機容量
圖6 HDB組屋屋頂光伏
二. 新加坡發展HDB組屋屋頂光伏的經驗借鑒
1. 統一規劃布局，提升項目安全效率
相比常規光伏電站開發，HDB組屋屋頂光伏項目由政府統一規劃招標監管，對電站質量和安全性要求更高，對供應商的企業規模、設計能力和産能也有更高的門檻，從而可以保證屋頂光伏設施安裝與運營的安全性。其次，組屋由HDB統一規劃布局和設計建造，同一批次的組屋在建築整體與局部設計尤其是屋頂空間條件上較爲一致，有助于分批次、成規模地開展光伏項目的招標建設。2017年，新加坡HDB表示，在之後的新組屋建設項目中，在設計階段就會爲日後安裝太陽能板做好樓頂空間和電纜規劃，這意味著新組屋未來能更迅速地安裝太陽能板，減少安裝工程對居民的影響。據光伏安裝企業反映，爲現有組屋增加太陽能板需重新調整組屋的電纜，受屋頂設計和使用現狀限制，部分樓頂安裝太陽能板的空間有限，一般需要約40天的時間才能完成安裝工作。新組屋從設計和興建階段就爲未來安裝太陽能板做好規劃，能把之後的太陽能安裝程序縮短至大約25天。這將減少安裝太陽能板所需的人力成本，也能提高生産效率。
2. 結合屋頂空間現狀，推進設施安裝標准化
屋頂空間設計決定了屋頂空間與日照、環境的融合程度，也將影響屋頂光伏設施的固定方式、安裝面積和運行維護的方便程度。早期修建的組屋屋頂情況一般較爲複雜，多有大量空調外機等障礙物，同時，政府要求施工不得損壞建築屋頂，而且必須留有通道以供檢修，這爲光伏支架的安裝方案設計帶來了挑戰。在屋頂光伏發電設施的所有組成部分中，組件、逆變器等趨近于標准化生産，而安裝支架需要根據不同屋頂具體情況和勘探數據設計，結合組件、逆變器需求，針對性地提供定制化解決方案。在HDB組屋屋頂光伏建設過程中，基于成規模的屋頂光伏項目經驗，有助于形成設計難點數據庫，根據屋頂情況運用可組裝式的標准化設計模塊，推動設施部件的標准化生産和程序式安裝運行維護，大大提高了效率和降低了運營的成本。
3. 應用新技術方案，助推城市數字化轉型
自2005年推行綠色建築標志計劃以來，新加坡的公共組屋建設已經向節能、低碳、環保的可持續建築轉變。除了屋頂綠化、節能設施等傳統常規綠色建築技術應用，新加坡也不斷將新技術、新材料和新設計方案融入到屋頂光伏的建設中。包括新的光伏支架設計方案、使用發電效率提升的新型太陽能光伏板等。在2021年HDB發布的第六次屋頂光伏項目招標中，明確提出要在以後的屋頂光伏項目中安裝智能電表。通過安裝智能電表一方面能夠幫助HDB和市政局監控和分析每棟樓宇的能源消耗情況，追蹤樓內個別區塊的能源需求和供應情況，收集的數據有助于市政局優化公共服務的維護周期，並檢測設備故障等異常情況；另一方面也有助于用戶監控家中的能源消耗，通過手機app了解用電習慣，並可參加節能挑戰活動，從而提升能源使用效率和增強居民的綠色節能意識。智能電表的安裝被認爲是新加坡建設數字智能建築的舉措之一。
4. 完善配套政策體系 培育公衆綠色意識
爲支持光伏發電産業發展，新加坡發布了包括《新加坡可持續能源供給2030計劃》、《太陽能裝機補貼計劃》等一系列補貼、稅收優惠政策，並尤其重視光伏領域的技術研發，通過政府投資、設立專項獎學金等支持技術研發和人才培養。同時還制定實施了“綠色標識激勵計劃”、“設計原型綠色標識激勵計劃”、“既有建築綠色標識激勵計劃”等激勵措施，在新加坡組屋建設中植入綠色建築理念。另外，新加坡通過教育和科普活動加強能源綠色轉型的宣傳引導，培育公衆的綠色節能意識。如根據新加坡《2030年綠色計劃》中的國家可持續發展議程，新加坡教育部攜手學校與教育機構共同推廣可持續發展的生活方式，從增加可持續性的教育理念到增強學校基礎設施的可持續性功能，從鼓勵學生養成日常可持續性的生活習慣到增加對環保志願者工作的認識與參與，協助青少年建立起綠色可持續發展理念，以激發人們形成可持續生活方式等等。
三、 結語
當前，我國正大力加強保障性住房建設力度。黨的十八大以來，我國已累計建設各類保障性住房和棚改安置住房8000多萬套，惠及2億多住房困難群體，有效改善了城鎮戶籍困難群衆住房條件。“十四五”期間，我國將以發展保障性租賃住房爲重點，進一步完善住房保障體系，增加保障性住房的供給，努力實現全體人民住有所居。這在衆多地方城市“十四五”發展規劃中均有體現，如2021年8月上海市發布的《上海市住房發展“十四五”規劃》明確，形成供應租賃住房超過42萬套（間、宿舍床位），占住房供應總套數的40%；廣州提出，到2025年全面完成66萬套保障性住房建設籌集任務；廣西提出力爭“十四五”期間新建保障性安居工程39.42萬套。可以預見，由政府統一規劃、組織籌建和供應的保障性住房將在我國未來大城市住房供應體系中占據重要地位。
中國的光伏發電潛力巨大，理論上可開發的潛在光能儲量是141萬億度，2020年中國一年發電量是7.2萬億度，僅爲光能儲量的1/20，考慮到光能利用率相對比較低，以10%的比例保守估算國內光伏發電總量可達14萬億度，已爲當前中國總用電量的兩倍。在2021年10月24日發布的《中共中央 國務院關于完整准確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中，第（十九）節“加快優化建築用能結構”明確提出“開展建築屋頂光伏行動”作爲深化可再生能源建築應用的重要舉措，體現了國家對發展屋頂光伏的重視。
借鑒新加坡發展組屋屋頂光伏案例，有必要對我國城市住房，尤其是由政府統一規劃布局的保障性住房上發展屋頂光伏的問題開展前置性研究。以提前布局設計，制定相應的實施路線圖，有助于在最大程度上統一標准、集約資源和提升建設屋頂光伏的效率，實現解決城市住房困難、節能減排和人居環境改善等多方面的綜合效益。
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