光伏建筑一體化體育館的新功能研究

張鑫

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，大跨度空間結(jié)構(gòu)比如網(wǎng)架、拱桁架等已被廣泛應(yīng)用于各大體育館、車站等公共建筑，同時(shí)，太陽能作為綠色新能源也獲得了極大發(fā)展和廣泛應(yīng)用。由此可見，將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)將會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。以大跨度拱桁架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將其與光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，并進(jìn)行了建筑設(shè)計(jì)和性能研究，得到一些有益結(jié)論：由于大跨度空間結(jié)構(gòu)的外表面積較大，使光伏發(fā)電技術(shù)有著較高的利用率；光伏與建筑的一體化可使建筑具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：光伏建筑一體化；鋼拱桁架；體育館；大跨度空間結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.066

城市大型公共建筑大多采用大跨度空間結(jié)構(gòu)形式，屬于建筑能源消耗的高密度領(lǐng)域。同時(shí)，公共建筑面積巨大的空間結(jié)構(gòu)的屋頂和立面也非常適合作為太陽能利用載體。如果將光伏發(fā)電技術(shù)與大跨度建筑相結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)較高的應(yīng)用價(jià)值。本文將著重探討光伏建筑一體化的應(yīng)用，以城市中較常見的體育館建筑為切入點(diǎn)，研究并設(shè)計(jì)適合光伏利用的大跨度體育館建筑。

1 建筑光伏一體化的基本原理

太陽能光伏利用是太陽能開發(fā)利用中最重要的應(yīng)用方式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕；容易安裝、運(yùn)輸，建設(shè)周期短；維護(hù)簡單、使用方便；清潔、安全、無噪聲；可靠性高、壽命長、應(yīng)用范圍廣。但因太陽能的利用涉及多專業(yè)的綜合，太陽能與建筑一體化仍處于起步階段，特別是在大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用很少。我國太陽能利用技術(shù)發(fā)展迅速，在一些大型公共建筑中應(yīng)用了光伏發(fā)電技術(shù)。2008年，奧運(yùn)會(huì)場館之一的國家體育館100 kWp并網(wǎng)光伏建成，如圖1所示?！肮夥ㄖ惑w化（Building-integrated Photovoltaic）”概念在1991年正式提出。光伏發(fā)電技術(shù)與建筑一體化是將太陽能光電效應(yīng)發(fā)電技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)結(jié)合在一起的綜合體系。BIPV設(shè)計(jì)是綜合各方面因素的過程，需考慮太陽能在建筑上應(yīng)用時(shí)對(duì)建筑物造成的影響，還需考慮太陽能利用的系統(tǒng)選擇、太陽能產(chǎn)品與建筑形體的有機(jī)結(jié)合、與工程和電路設(shè)計(jì)方面的結(jié)合。BIPV有諸多優(yōu)點(diǎn)，它能有效利用建筑結(jié)構(gòu)表面，無需占用土地；原地發(fā)電、就地使用和節(jié)省送電，可降低建筑自身全部或大部分的用電投資；供電可靠性高，對(duì)公共電網(wǎng)起到了一定的調(diào)峰作用。

2 BIPV和大跨度結(jié)構(gòu)體系的研究

鋼拱桁架大跨度空間結(jié)構(gòu)具有安全、經(jīng)濟(jì)和適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，且其造型美觀、受力合理、用鋼量少、能覆蓋較大的空間，是目前大型公共建筑中常用的結(jié)構(gòu)體系之一。為了使光伏屋頂在有限的建筑面積內(nèi)輸出更多的電能，采用曲面屋頂能使整個(gè)光伏屋頂?shù)奶栞椛淠芪樟窟_(dá)到最大。拱形屋面的弧度不但有利于電池板太陽能的吸收，還有利于雨水對(duì)電池板的沖刷，從而提高電池板表面的清潔度。

一般而言，光伏電池板安裝設(shè)計(jì)時(shí)的水平傾角度為當(dāng)?shù)鼐暥取?5°。傾斜15°的差異大約使總效率降低了5%，這樣可使電池板在建筑上的布置更加靈活。以太原市為例，其緯度為37.78°，最佳傾角為緯度+5°，即42.78°。光伏板裝設(shè)時(shí)的水平傾角度是當(dāng)?shù)鼐暥取?5°，因此，太原市安裝傾角在22.78°～52.78°是合適的。

3 BIPV體育館設(shè)計(jì)

本體育館設(shè)計(jì)方案為中型體育館，位于太原市某高校內(nèi)。建筑外形簡潔，主入口設(shè)置在體育館的北立面，東、西立面設(shè)置出、入口。屋面和南、北立面采用整體鋼拱桁架結(jié)構(gòu)，建筑高度由北向南逐漸降低，形成一定的坡度，結(jié)構(gòu)傾角利于太陽能收集和排水。采用光伏弧形屋面，屋面中間部分采用透光電池板，東、西立面采用光電幕墻，圖2為西立面透視圖。體育館建筑面積為 6 000 m2，固定座位4 000個(gè)，平面為75 m×57 m，場地尺寸為30 m×45 m。附屬用房包括場館運(yùn)營管理用房、機(jī)房、地下儲(chǔ)藏室和光伏發(fā)電控制室。

圖1 國家體育館光伏系統(tǒng)安裝 圖2 方案示意圖

本體育館屋面與南立面為一整體，具有較好的電池板工作條件，更適合大面積布置太陽能電池板。中間比賽場地正上方區(qū)域設(shè)采光頂，使用隱框雙面玻璃光伏組件，夾層為非晶硅光伏電池，既能遮擋陽光直射，又能吸收部分太陽能用于發(fā)電。其他區(qū)域不考慮透光設(shè)計(jì)，布置發(fā)電效率較高的單晶硅太陽能電池板。

體育館東、西立面采用垂直光伏幕墻，一方面，它是建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，需要達(dá)到建筑美學(xué)的要求，并有遮風(fēng)、擋雨和抵抗地震的能力；另一方面，由于它具有發(fā)電功能，需要保證在經(jīng)歷各種復(fù)雜氣候環(huán)境時(shí)仍能正常工作。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可以用透明、半透明與普通透明玻璃結(jié)合使用，創(chuàng)造出不同的建筑立面和室內(nèi)光影效果。屋頂和墻面的光電板直接吸收太陽能，可降低空調(diào)負(fù)荷、改善室內(nèi)環(huán)境。

太原市全年每平方米太陽能總輻射能約為5 000 MJ，屋面共安裝太陽能電池板約為3 900 m2，屋面光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為362 200 kW·h，東、西立面光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為54 900 kW·h，體育館整體光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為417 100 kW·h。按最大功率275 kW考慮，光伏發(fā)電量可為體育館提供1 516 h的電力供應(yīng)。如果按并網(wǎng)光伏系統(tǒng)考慮，則在蓄電池充電充滿的情況下，多余電力會(huì)并入電網(wǎng)。

4 結(jié)論

建筑能耗是能源消費(fèi)構(gòu)成的重要組成部分，而太陽能作為

一種清潔能源在建筑節(jié)能中的充分利用有著重要的意義。大跨度空間結(jié)構(gòu)的外表面積較大，周圍開闊，無其他建筑遮擋，更適合太陽能在建筑中的應(yīng)用。鋼拱桁架結(jié)構(gòu)是大跨度空間結(jié)構(gòu)中比較常用的形式，其拱形屋面有利于太陽能的吸收。BIPV體育館建筑具有良好的經(jīng)濟(jì)性和復(fù)合型功能，該設(shè)計(jì)理念適合在未來城市建設(shè)中廣泛使用。

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〔編輯：張思楠〕