西北地區(qū)既有建筑太陽(yáng)能建筑一體化

董小麗　侯文虎　蔡肖　張慢

摘 要：太陽(yáng)能建筑一體化目前正積極地推廣應(yīng)用，在具體的實(shí)施過(guò)程中，架設(shè)方式成為爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。文章通過(guò)結(jié)構(gòu)安全性、抗震安全性、太陽(yáng)輻射面積等因素的考慮，對(duì)太陽(yáng)能方陣的架設(shè)方式進(jìn)行了詳細(xì)的類(lèi)比分析，得出架設(shè)方式是最適合西北地區(qū)的的方式。

關(guān)鍵詞：既有建筑；西北地區(qū)；太陽(yáng)能建筑一體化；屋頂架設(shè)方式；墻面壁掛方式

太陽(yáng)能是永不枯竭的綠色能源，是21世紀(jì)最具開(kāi)發(fā)潛力、最清潔環(huán)保的能源之一。我們知道，在所有的能源消耗中，建筑物的建設(shè)與運(yùn)行大約占了其中的50%。因此，如何開(kāi)發(fā)環(huán)保節(jié)能建筑成為各國(guó)科學(xué)家共同研究的課題。毫無(wú)疑問(wèn)，若能將太陽(yáng)能與建筑結(jié)合起來(lái)，將是降低建筑能耗的最佳途徑。因此，太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能光伏板的建材化生產(chǎn)，建筑一體化太陽(yáng)能光熱、光伏系統(tǒng)的應(yīng)用是未來(lái)節(jié)能建筑的發(fā)展方向。

1 太陽(yáng)能建筑一體化的基本形式

1.1 太陽(yáng)能光熱一體化

太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)與建筑一體化概括起來(lái)講，就是將太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)通過(guò)巧妙高效的利用空間，與建筑充分結(jié)合并實(shí)現(xiàn)整體外觀(guān)的和諧統(tǒng)一，綜合使用材料，降低了總造價(jià)，減輕建筑荷載，使太陽(yáng)能與建筑一體化>太陽(yáng)能+建筑。太陽(yáng)能光熱一體化形式非常多，除了最基本的太陽(yáng)能熱水器，還有熱水供暖、制冷等多種功能。

經(jīng)過(guò)一體化設(shè)計(jì)和統(tǒng)一安裝的太陽(yáng)能系統(tǒng)，在外觀(guān)上可達(dá)到和諧統(tǒng)一，特別是在集合住宅這類(lèi)多用戶(hù)使用的建筑中，改變使用者各自為政的局面，易于形成良好的建筑藝術(shù)形象。

1.2 太陽(yáng)能光伏一體化

太陽(yáng)能光伏建筑一體化通常用BIPV表示，（Building Integrated Photovoltaic）。簡(jiǎn)單地講就是將太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)品安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來(lái)提供電力，其不但具有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能，同時(shí)又能產(chǎn)生電能供建筑使用。太陽(yáng)能光伏建筑一體化≠太陽(yáng)能光伏+建筑。所謂太陽(yáng)能光伏建筑一體化不是簡(jiǎn)單的“相加”，而是根據(jù)節(jié)能、環(huán)保、安全、美觀(guān)和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的總體要求，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為建筑的一種體系進(jìn)入建筑領(lǐng)域，納入建設(shè)工程基本建設(shè)程序，同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收，與建設(shè)工程同時(shí)投入使用，同步后期管理，使其成為建筑有機(jī)組成部分的一種理念、一種設(shè)計(jì)、一種工程的總稱(chēng)。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在建筑中的應(yīng)用由于成本較高，在西方國(guó)家已經(jīng)成趨勢(shì)性發(fā)展，而發(fā)展中國(guó)家的普及率較低。

2 太陽(yáng)能建筑一體化的架設(shè)方式

太陽(yáng)能建筑一體化用到的太陽(yáng)能熱水真空管、太陽(yáng)能集熱器和光伏板一般采用屋面型、墻面型和陽(yáng)臺(tái)型這三種結(jié)合方式。其中的屋面型和墻面型逐漸被廣泛使用。

墻面或陽(yáng)臺(tái)安裝太陽(yáng)能系統(tǒng)，也是建筑一體化的發(fā)展趨勢(shì)，而對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，墻面和陽(yáng)臺(tái)的安裝可以減小管路的長(zhǎng)度。對(duì)于高層住宅是其它安裝方式不能替代的，這也更加符合一體化設(shè)計(jì)的思想。由于與用水端沒(méi)有足夠的高差，所以在墻面或陽(yáng)臺(tái)安裝的系統(tǒng)必須采用頂水式管路。而且同坡屋頂一樣，應(yīng)盡量選擇集熱器與儲(chǔ)水箱分離的系統(tǒng)，可以減小墜落傷人的概率。根據(jù)使用情況的不同，構(gòu)件連接可以分為固定式和活動(dòng)式兩種情況。

3 選擇屋頂架設(shè)方式的合理性

太陽(yáng)能建筑一體化一般分為屋頂架設(shè)方式、墻面壁掛型及陽(yáng)臺(tái)型，這些架設(shè)方式在太陽(yáng)能建筑一體化中已有廣泛應(yīng)用。屋頂架設(shè)方式技術(shù)已經(jīng)非常成熟，壁掛型和陽(yáng)臺(tái)型和建筑有更好的結(jié)合，更能體現(xiàn)建筑一體化。對(duì)西北地區(qū)來(lái)說(shuō)，日照足、風(fēng)沙大，地震頻發(fā)，考慮到既有建筑的結(jié)構(gòu)安全等因素，我們認(rèn)為在西北地區(qū)既有建筑應(yīng)用太陽(yáng)能建筑一體化時(shí)，太陽(yáng)能組件應(yīng)該采用屋頂架設(shè)方式更安全可靠。因?yàn)槲蓓敿茉O(shè)方式有以下優(yōu)勢(shì)：

3.1 太陽(yáng)日照量相對(duì)較大

西北地區(qū)，日照豐富，多數(shù)市、縣都屬于太陽(yáng)能資源很豐富地區(qū)。所以，用有限的太陽(yáng)能組件高效的將太陽(yáng)能資源轉(zhuǎn)化為熱能、光能，為我們的居住環(huán)境提供方便和舒適感。太陽(yáng)能組件架設(shè)方式的選取尤為重要。

傾斜角是太陽(yáng)電池方陣平面與水平地面的夾角，并希望此夾角是太陽(yáng)能方陣一年中得熱量或發(fā)電量最大的最佳傾斜角度。對(duì)于正南（方位角為0°度），傾斜角從水平（傾斜角為0°度）開(kāi)始逐漸向最佳的傾斜角過(guò)渡時(shí)，其日射量不斷增加直到最大值，然后再增加傾斜角其日射量不斷減少。特別是在傾斜角大于50°～60°以后，日射量急劇下降，直至到最后的垂直放置時(shí)，得熱量或發(fā)電量下降到最小。

對(duì)同一棟建筑來(lái)說(shuō)，墻面壁掛型的集熱器或光伏板緊貼墻面，沒(méi)有傾角，而屋頂架設(shè)方式有傾角設(shè)計(jì)，相對(duì)比較，墻面壁掛型日照量較少，所以對(duì)光熱系統(tǒng)或者光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，得熱量或發(fā)電量都會(huì)相對(duì)較低，造成不能最大限度的利用太陽(yáng)輻射（如圖1）。

圖1 屋面架設(shè)式和墻面壁掛式與太陽(yáng)的夾角對(duì)比

從上圖可以看出，屋頂架設(shè)有最佳傾角設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，而墻面壁掛式基本上不能調(diào)節(jié)。例如同樣面積大小的太陽(yáng)能集熱器，分別采用屋頂架設(shè)和墻面壁掛式，同一天的得熱量屋頂架設(shè)方式的明顯較大。

3.2 均勻建筑物荷載

對(duì)新建建筑來(lái)說(shuō)，做太陽(yáng)能建筑一體化時(shí)，在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)考慮了它對(duì)建筑物的荷載。根據(jù)架設(shè)方式的不同，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行了計(jì)算。但對(duì)既有建筑來(lái)說(shuō)，在最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮到太陽(yáng)能系統(tǒng)的荷載，若在節(jié)能改造時(shí)直接采用墻面壁掛型很可能導(dǎo)致建筑物的荷載不均勻，向一面傾斜，對(duì)建筑物自身的安全性帶來(lái)隱患。尤其對(duì)光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光伏板和基座的重量比較重，對(duì)建筑物造成荷載不均勻會(huì)表現(xiàn)的更為明顯。若采用屋頂架設(shè)的方式就不存在該類(lèi)問(wèn)題。在項(xiàng)目實(shí)施前，對(duì)既有建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性論證，在滿(mǎn)足建筑物荷載的前提下，采用屋頂架設(shè)方式。同時(shí)還可對(duì)太陽(yáng)能方陣的最佳傾角進(jìn)行微調(diào)，以分散屋頂?shù)某惺芰?，進(jìn)一步保證既有建筑的結(jié)構(gòu)安全性。

所以，從結(jié)構(gòu)安全性的角度來(lái)所，既有建筑應(yīng)用太陽(yáng)能建筑一體化時(shí)，建議采用屋頂架設(shè)的安裝方法。