夏熱冬暖地區(qū)光伏建筑一體化的新實踐

劉玉鳳 余國保 王曉丹 羅多 陳征

一、概述

1991年，光伏建筑一體化（Building-integrated Photovoltaics，BIPV）的概念被正式提出。簡單地講，BIPV就是將光伏組件或材料作為建筑物的一部分，同時發(fā)揮其發(fā)電功能[1]。BIPV的出現(xiàn)，實現(xiàn)了光伏發(fā)電由邊遠(yuǎn)地區(qū)和特殊應(yīng)用向城市過渡，由集中電站向分布式供電模式過渡，該技術(shù)可進(jìn)一步結(jié)合發(fā)電側(cè)運(yùn)行優(yōu)化和用戶側(cè)需求預(yù)測管理技術(shù)，可以預(yù)見BIPV必將成為最具前景的建筑節(jié)能技術(shù)之一。

BIPV的優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)明顯：①使用清潔能源，減少燃煤發(fā)電的使用量，減輕了環(huán)境污染；②發(fā)電就地使用，減少發(fā)輸配電過程的損耗；③具有保溫隔熱及采光通風(fēng)功能，可降低空調(diào)和采暖負(fù)荷；④充當(dāng)建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了外裝材料，也節(jié)省了寶貴的城市用地資源[2]。

我國在2006年6月實施的《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2006）中也明確提出：將可再生能源發(fā)電作為綠色建筑評價的最優(yōu)選項；2014年《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》發(fā)布后，各地區(qū)積極制定配套政策和實施方案，有力推動了分布式光伏發(fā)電的多種方式利用，截至2013年底，我國分布式光伏發(fā)電累計總裝機(jī)容量突破300萬kW[3，4]，光伏產(chǎn)品與建筑集成到一起，統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計和施工，在滿足建筑功能的同時，又可產(chǎn)能，是一種先進(jìn)的綠色建筑技術(shù)。目前，光伏建筑一體化的常見應(yīng)用形式有：光伏幕墻、光伏采光頂、光伏欄桿、光伏百葉以及光伏小品。光伏百葉在建筑的應(yīng)用實例較少，大面積應(yīng)用的情況更是屈指可數(shù)。

二、實踐案例

佛山市順德區(qū)第一人民醫(yī)院易地新建項目光伏發(fā)電工程，是一個光伏建筑一體化應(yīng)用的典型案例，該項目在立面大面積使用光伏百葉的元素，并且在建筑群屋面的花架安裝了光伏系統(tǒng)，在不改變建筑外觀的前提下，既為建筑供能，又成為夏熱冬暖地區(qū)建筑必不可少的遮陽構(gòu)件。

該項目位于廣東省佛山市順德區(qū)（地區(qū)環(huán)境溫度：年平均溫度22℃，最高氣溫39.3℃，最低氣溫達(dá)4.1℃；日照時間：年均日照1 489.2h，全年平均輻射量5 361.1MJ/m2），在順德

第一人民醫(yī)院的立面和屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)（其中立面面積10 360m2），共安裝光伏百葉9 807塊，光伏組件2 464塊，總功率1 013.6kW。

該項目光伏系統(tǒng)的安裝區(qū)域分為屋面花架和立面2個部分。其中，屋面花架分別有1#、5#、6#、7#樓，立面分別有1#、2#、3#、5#、6#、7#樓。該案例中，建筑設(shè)計和防雷措施見下分析。

1.建筑設(shè)計

（1）屋面花架光伏系統(tǒng)

屋面花架作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分，其作用主要是裝飾，少部分可以遮陽，這在建筑設(shè)計中是一個非常常見的元素。然而，這類飄板、格柵、花架等，往往是不具備遮陽、導(dǎo)光、導(dǎo)風(fēng)、載物、輔助綠化等功能作用的裝飾構(gòu)件。在花架安裝光伏系統(tǒng)，特別是已建建筑，是改變花架使用功能的重要手段，使其既保持觀賞性、遮陽，還可以發(fā)電，為建筑產(chǎn)能。以順德第一人民醫(yī)院為例：

①安裝區(qū)域

該系統(tǒng)安裝于順德第一人民醫(yī)院1#、5#、6#、7#樓的花架上。該醫(yī)院建筑群設(shè)計的花架凸出于建筑，只具框架不具有功能，安裝光伏系統(tǒng)以后，不會改變現(xiàn)有建筑造型和外觀，不僅使其成為建筑的遮陽構(gòu)件，而且還可以發(fā)電。

②結(jié)構(gòu)安裝

光伏系統(tǒng)利用花架梁為主體梁，Z型鋼為次橫梁，通過后置連接埋板固定次橫梁于花架梁上，形成光伏系統(tǒng)龍骨結(jié)構(gòu)，支撐上部光伏組件。光伏組件通過不銹鋼螺栓與次橫梁有效連接。經(jīng)計算，符合建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范。安裝節(jié)點(diǎn)詳見圖1。

（2）立面百葉光伏系統(tǒng)

光伏幕墻、光伏百葉是光伏系統(tǒng)在立面運(yùn)用的主要形式。相比于幕墻，百葉有其獨(dú)有的特點(diǎn)：可根據(jù)不同地區(qū)太陽高度角以最佳傾角安裝、通風(fēng)、遮陽、可以安裝在普通幕墻外起到裝飾建筑的效果。以順德第一人民醫(yī)院為例，介紹光伏百葉在建筑的運(yùn)用。

①建筑設(shè)計

順德第一人民醫(yī)院建筑群的設(shè)計是在玻璃幕墻外安裝光伏百葉。此種設(shè)計決定了光伏百葉分格必須服從于玻璃幕墻的分格。而因建筑造型或使用功能的原因，玻璃幕墻的分格有多種尺寸，使得光伏百葉組件的尺寸多達(dá)15種。整個建筑群共安裝光伏百葉組件1 369塊，總功率1 013.6kW。

經(jīng)過陰影分析和計算，確定光伏百葉的最小間距為650mm，傾角為15°，見圖2所示。

②結(jié)構(gòu)安裝

光伏百葉的立柱必須與建筑玻璃幕墻的豎向分格縫對齊，在層間與建筑結(jié)構(gòu)連接，在能滿足結(jié)構(gòu)安全的同時，使整個系統(tǒng)與建筑形成有機(jī)整體。

光伏百葉因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不可能使用幕墻框架結(jié)構(gòu)來安裝。通常玻璃百葉的安裝，歸納起來通常為2種形式，一是點(diǎn)玻式，二是夾板式。點(diǎn)玻百葉安裝方便、形式美觀，適應(yīng)絕大部分安裝環(huán)境，但是價格昂貴。夾板式則需要在合適的安裝環(huán)境下使用，才能達(dá)到形式美觀、安裝方便的效果，但其價格相比點(diǎn)玻式便宜不少。該項目使用了夾板安裝技術(shù)，安裝節(jié)點(diǎn)見圖3。

2.防雷措施

光伏系統(tǒng)安裝在建筑的外圍，特別是屋頂，位置高金屬結(jié)構(gòu)多，很容易遭受雷電襲擊。為避免昂貴的光伏組件和逆變器受到損傷，系統(tǒng)的防雷很有必要。光伏系統(tǒng)飛防雷可分為2個部分：第一，外部選用熱鍍鋅圓鋼與主體結(jié)構(gòu)的防雷體系可靠連通，連接的長度不小于120mm。這種防雷思路，主要是依托建筑主體的防雷體系，將遭受的雷電轉(zhuǎn)嫁給建筑主體，依靠建筑本體的防雷體系消除雷擊的危害。要特別注意的是，如果選用避雷針或其他高于光伏組件的防雷方式，應(yīng)避免在組件表面產(chǎn)生投影，影響光伏發(fā)電的效率。第二，安裝浪涌保護(hù)器。在逆變器的每路直流輸入端、防雷匯流箱、并網(wǎng)接入控制柜等進(jìn)行一級防雷保護(hù)，安裝防雷保護(hù)器，設(shè)計防雷模塊，安裝防雷過電壓浪涌保護(hù)器，減少電涌和雷電過電壓對設(shè)備造成損壞。屋面防雷節(jié)點(diǎn)見圖4，立面防雷節(jié)點(diǎn)見圖5。

三、設(shè)計執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

該項目所用的光伏組件及幕墻玻璃需滿足各自相應(yīng)產(chǎn)品和工程（包括光伏組件、建筑安全玻璃等）的測試標(biāo)準(zhǔn)，光伏系統(tǒng)設(shè)計主要參考《順德區(qū)建筑太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則》2010（試行）、《順德區(qū)建筑太陽能光伏系統(tǒng)規(guī)劃與建筑設(shè)計導(dǎo)則》2010（試行）、《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJ 203-2010）、《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB 50797-2012）、《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》（GB/T 19939-2005）和《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GBZ 19964-2005）等標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計依據(jù)，嚴(yán)格按照其規(guī)定的強(qiáng)制性條文執(zhí)行。該項目為在既有建筑物上增設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)過對其建筑物結(jié)構(gòu)和電氣的安全復(fù)核，滿足建筑結(jié)構(gòu)及電氣的安全性要求，參見相關(guān)文件。

另外對于建筑節(jié)能和采光的要求，BIPV建筑的設(shè)計必須滿足《公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189）對于節(jié)能和傳熱系數(shù)的規(guī)定；BIPV工程的設(shè)計必須滿足《公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189）對于遮陽的規(guī)定和《建筑物采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50033-2014）對于采光的規(guī)定。

四、結(jié)語

BIPV系統(tǒng)具有良好的社會效益，可節(jié)省燃油標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放和因火力發(fā)電產(chǎn)生的粉塵，節(jié)約凈水。經(jīng)計算，順德第一人民醫(yī)院光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量1 132 000kWh，可省燃油295t或節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤407.5t，這也意味著少排放1 128t的二氧化碳及13.3t的二氧化硫，同時減少因火力發(fā)電產(chǎn)生的308t粉塵，節(jié)約4 528t凈水。

光伏組件作為屋面花架和光伏百葉，可以成為夏熱冬暖地區(qū)建筑的一個觀賞點(diǎn)和具有遮陽功能的構(gòu)件，同時，光伏發(fā)電是一種可再生清潔能源，光伏建筑一體化是值得大力推廣的綠色建筑技術(shù)，廣泛適合于醫(yī)院、體育館、酒店及火車站臺等公共建筑。BIPV光伏工程在其產(chǎn)品和工程設(shè)計過程中，須執(zhí)行嚴(yán)格的建筑和電氣安全標(biāo)準(zhǔn)，還需滿足建筑節(jié)能和采光規(guī)范要求，因此同步規(guī)劃、同步設(shè)計、同步施工和同步驗收、運(yùn)營，有利于BIPV工程的施工質(zhì)量和高品質(zhì)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧鑫.建筑用光伏的設(shè)計與優(yōu)化方法研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

[2] 靳靜，顧承紅，艾芊，等.城市光伏建筑一體化[J].建筑節(jié)能，2007（8）：47-50.

[3] 國家能源局.2013年光伏發(fā)電統(tǒng)計數(shù)據(jù)[EB/OL].（2014-04-28） [2014-12-06].http：//www.nea.gov.cn/2014-04/28/c_133296165.htm.

[4] 興業(yè)太陽能刷新自己所創(chuàng)全球最大屋頂光伏電站紀(jì)錄[EB/OL].（2014-11-06）[2014-12-06].http：//xtlxsh.com/zxdt/ view/2/4305.htm