綠色建筑中光伏建筑一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用探討

譚駿躍

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司）

1 引言

建筑行業(yè)的發(fā)展需要對(duì)大量的資源與能源利用，研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)建筑行業(yè)使用的能源在社會(huì)終端能耗占比達(dá)到46.7%，所以我國(guó)積極探索低能耗建筑，政府也在發(fā)展綠色建筑過程中制定了戰(zhàn)略目標(biāo)，完善了法律規(guī)范。關(guān)于綠色建筑設(shè)計(jì)當(dāng)前主要是采取太陽能光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)，光伏建筑一體化系統(tǒng)的研究也在增多，旨在滿足光伏發(fā)電需求與建筑的基本功能，以下展開相關(guān)分析。

2 設(shè)計(jì)一般規(guī)定和具體要求

2.1 一般規(guī)定

光電屋頂、光電采光頂、光電遮陽板、光電幕墻都是光伏建筑一體化系統(tǒng)的主要組成部分，并且每個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)都可以與建筑集成。光伏建筑一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)要分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確這一系統(tǒng)在建筑中的安裝位置，進(jìn)而保證光伏組件滿足建筑的使用需要，還可以達(dá)到節(jié)能要求，并且保證使用的安全性，避免出現(xiàn)電力系統(tǒng)導(dǎo)致的運(yùn)行安全問題。除此之外，結(jié)合我國(guó)相關(guān)規(guī)范要求，在開展光伏建筑一體化設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)綜合考慮太陽能、周邊電網(wǎng)設(shè)施等因素，并有效開展設(shè)計(jì)評(píng)估，要點(diǎn)如下：①系統(tǒng)的安裝不得低于建筑物自身或者周邊建筑日照標(biāo)準(zhǔn)；②避免周邊景觀與植被對(duì)光伏組件的采光遮擋；③避免對(duì)建筑與周邊建筑造成輻射污染[1]。

2.2 建筑專業(yè)設(shè)計(jì)要求

光伏組件的安裝一般要求建筑物冬季時(shí)全天的日照至少3小時(shí)，并且在安裝時(shí)采取安全防護(hù)措施，也需要考慮建筑的防水與排水需要。此外，在方案的設(shè)計(jì)中需要兼顧美觀性。一方面是建筑物產(chǎn)生的光影效果。當(dāng)在設(shè)計(jì)中采用普通光伏組件時(shí)，通常選用布紋鋼化玻璃，雖然其具有良好的使用性能，但會(huì)出現(xiàn)阻擋視線等問題。同時(shí)，光伏建筑屋頂對(duì)于光伏組件的安裝，也具有相對(duì)較高的要求，例如在電池板背面位置，應(yīng)當(dāng)采用光面超白鋼化玻璃，目的是在保障光伏系統(tǒng)以及建筑功能正常使用的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約[2]。

2.3 結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)要求

在專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中明確光伏建筑一體化系統(tǒng)類型，其根據(jù)光伏建筑一體化系統(tǒng)分為并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和獨(dú)立光伏系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)當(dāng)充分考慮是否帶有儲(chǔ)能裝置的情況，或者可按照系統(tǒng)裝機(jī)容量的大小進(jìn)行選擇，如可選小型、中型、大型等系統(tǒng)，不同類型的系統(tǒng)對(duì)光伏組件有不同的要求，影響主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件設(shè)計(jì)的選擇性。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2010）。

3 設(shè)計(jì)方案與原則

3.1 設(shè)計(jì)方案

在具體光伏建筑一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，相關(guān)人員為保障系統(tǒng)與建筑相適應(yīng)，且與外部環(huán)境相適應(yīng)，則需在設(shè)計(jì)初期，通過收集當(dāng)?shù)貧夂騾?shù)等數(shù)據(jù)，再對(duì)建筑的使用功能、系統(tǒng)運(yùn)行需求、電網(wǎng)條件等進(jìn)行綜合分析，以此實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案比選。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)建筑物時(shí)同步分析光伏組件的使用數(shù)量、安裝位置和傾角。采用一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)建筑物有很大影響，所以設(shè)計(jì)人員要協(xié)調(diào)有關(guān)要素，要點(diǎn)如下：①深入分析當(dāng)?shù)靥栞椛渲蹬c月平均溫度，根據(jù)收集的相關(guān)參數(shù)得到光伏板表面吸收的輻射量；②相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)以及電力負(fù)荷等進(jìn)行全面考察，準(zhǔn)確計(jì)算光伏組件安裝數(shù)量，合理確定光伏系統(tǒng)的型號(hào)、參數(shù)等，然后結(jié)合實(shí)際制定相應(yīng)的安裝方案，保障光伏系統(tǒng)最大安裝容量符合建筑功能需求；③針對(duì)光伏系統(tǒng)的直流匯線箱、逆變器等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

3.2 設(shè)計(jì)原則

在光伏系統(tǒng)中電氣設(shè)計(jì)是建筑重要環(huán)節(jié)，需要結(jié)合建筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定以及建筑電氣規(guī)范，深入分析建筑物功能結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)條件、負(fù)載特點(diǎn)，設(shè)計(jì)原則如下。①結(jié)合建筑實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)光伏組件的選用進(jìn)行科學(xué)分析，如按照建筑內(nèi)電氣系統(tǒng)的分布，合理優(yōu)化光伏組件的方向、布局、組合形式等，確保光伏發(fā)電效率得到進(jìn)一步提高。②準(zhǔn)確計(jì)算建筑內(nèi)的用電負(fù)荷情況，合理明確光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量，以符合建筑用電要求。③分析交流配電柜、光伏匯流箱、直流配電柜以及光伏系統(tǒng)防雷接地保護(hù)，也可以起到優(yōu)化設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)的效果。為了讓光伏建筑一體化系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員也要遵循有關(guān)原則，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備結(jié)合[4]。

4 光伏建筑一體化設(shè)計(jì)

1）光伏屋頂

光伏組件與屋面結(jié)合主要是將光伏組件設(shè)置在屋面和光電屋面，這種設(shè)計(jì)方案可以用于不同種類的屋面，比如為了固定光伏支架與光伏組件可以在斜屋頂上方安裝導(dǎo)流板，之后采用外掛瓦片屋頂?shù)姆椒?。光伏組件被直接用于光伏屋面，在設(shè)計(jì)建筑時(shí)要保證設(shè)置的傾角合理，以此減少光伏組件表面的積雪和積水，并且提升設(shè)計(jì)效果的美觀性[5]。

2）光伏組件結(jié)合建筑立面

這一結(jié)合形式與光伏組件和建筑立面充分結(jié)合，讓建筑外立面更加節(jié)約電能，具體包括以下類型。①垂直光伏幕墻。將垂直光伏幕墻獨(dú)立設(shè)置在承重結(jié)構(gòu)，并且垂直光伏幕墻承擔(dān)全部荷載，將其設(shè)置在建筑表皮可以設(shè)計(jì)成不同造型，當(dāng)前在展館、寫字樓等建筑立面中較多的使用。垂直光伏幕墻應(yīng)用質(zhì)量與氣候環(huán)境設(shè)計(jì)有關(guān)，可以保證高溫時(shí)段發(fā)揮煙囪效應(yīng)，減少室內(nèi)的太陽輻射，而低溫時(shí)段，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)可提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫能力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。②結(jié)構(gòu)式光伏幕墻。這是建筑立面的主要部分，其組成部分包括光伏組件、玻璃。結(jié)構(gòu)式光伏幕墻和建筑立面分離，可以選擇不同類型并且透光效果好的光伏組件，進(jìn)而滿足發(fā)電需求，呈現(xiàn)較好的視線。③傾斜式光伏幕墻。建筑受周圍環(huán)境影響較大，為了讓光伏幕墻吸收更多的太陽輻射，可以將建筑立面設(shè)計(jì)為鋸齒狀，并且在鋸齒立面視線以上部分設(shè)置光伏組件，避免遮擋視線[6]。

5 光伏建筑一體化系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

廣東省某市的住宅小區(qū)為綠色建筑項(xiàng)目，根據(jù)自然環(huán)境、技術(shù)實(shí)力、合同規(guī)定應(yīng)用光伏建筑一體化系統(tǒng)。建筑電氣設(shè)計(jì)中明確整體思路、系統(tǒng)原理，實(shí)施中嚴(yán)格遵守技術(shù)要求，并且確定了主要設(shè)備和安裝位置。該項(xiàng)目配套了會(huì)所設(shè)施，其中會(huì)所建筑面積5450㎡，建筑高度15.7m，包括地上3 層、地下室2層。建筑包括辦公區(qū)、模型展示區(qū)、娛樂室和游泳池。該會(huì)所設(shè)計(jì)達(dá)到了國(guó)家綠色建筑的技術(shù)規(guī)定，并且會(huì)所配備了一臺(tái)500kVA 的變壓器。基于綠色建筑節(jié)能環(huán)保要求，本項(xiàng)目光伏發(fā)電量達(dá)到了建筑用電量的2%，同時(shí)結(jié)合成本控制要求，進(jìn)而設(shè)定太陽能光伏發(fā)電量為5kW。

5.1 光伏建筑一體化系統(tǒng)

本項(xiàng)目所在地年均溫度為24.3℃，年均太陽輻射量為1437kW·h/a 時(shí)。設(shè)計(jì)人員在方案設(shè)計(jì)過程中選用單晶硅光伏太陽能電池組件，長(zhǎng)1680mm、寬1150mm、高60mm，每塊單晶硅組件功率236W，太陽能電池峰值功率達(dá)到5640W，組件使用壽命為25a左右，采用高防護(hù)等級(jí)組件。結(jié)合本次案例實(shí)際，對(duì)單晶硅光伏組件共計(jì)安裝24塊，電池板安裝布置總面積為48㎡，系統(tǒng)光伏組件選擇可透光型光伏建筑一體化雙玻組件。在設(shè)計(jì)朝向時(shí)分析了當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，確定傾角朝向?yàn)槟掀珫|30°，本系統(tǒng)設(shè)置于建筑屋頂，位于室外泳池以及休閑涼亭附近，為設(shè)計(jì)出美觀的建筑，采用平鋪安裝方式，有助于提升涼亭建筑的采光效果。同時(shí)對(duì)該系統(tǒng)的構(gòu)成，則分為多個(gè)部分，如光伏組件、交流配電箱、監(jiān)控系統(tǒng)、直流匯線箱等，主要安裝目的是滿足值班室的照明需求[7]。

5.2 并網(wǎng)逆變器的技術(shù)要點(diǎn)

在光伏建筑一體化系統(tǒng)運(yùn)行中離不開并網(wǎng)逆變器，本項(xiàng)目光伏系統(tǒng)采用低壓并網(wǎng)技術(shù)，光伏陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器，進(jìn)而得到交流電。之后交流電傳輸?shù)街蛋嗍覂?nèi)的公共照明配電箱。技術(shù)要點(diǎn)如下：首先，由于同期控逆變器內(nèi)置了電網(wǎng)保護(hù)裝置，并且通過實(shí)時(shí)采集相位信號(hào)和外部電網(wǎng)電壓，在閉環(huán)控制條件下系統(tǒng)開始輸出電壓，讓相位同步外部電網(wǎng)；其次，隨著外部電網(wǎng)停止輸電供電也停止，恢復(fù)電網(wǎng)供電時(shí)，持續(xù)檢測(cè)電網(wǎng)信號(hào)，再運(yùn)行逆變器，一般2s～90s 即可重新運(yùn)行；其三，為保證轉(zhuǎn)換效率，選擇最大功率跟蹤技術(shù)，當(dāng)日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度波動(dòng)，光伏電池輸出電流和電壓出現(xiàn)非線性關(guān)系變化，導(dǎo)致輸出功率隨之改變，這一階段逆變器開始調(diào)節(jié)光伏組件的發(fā)電電流與電壓，在最大功率輸出工況下支持整個(gè)光伏系統(tǒng)[8]。

5.3 防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)

防雷設(shè)計(jì)中主要選擇防直擊雷和防感應(yīng)雷，光伏組件的金屬支架與避雷帶連接，防雷引下線與其他金屬構(gòu)件連接。此外，防感應(yīng)雷設(shè)計(jì)中，直流匯線箱和交流配電柜部位設(shè)置防雷保護(hù)裝置。

5.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逆變器在光伏建筑一體化系統(tǒng)運(yùn)行中具有不可替代的作用，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以自動(dòng)采集日照、溫度等參數(shù)，還能對(duì)控制器和風(fēng)力傳感器中的數(shù)據(jù)加以采集，之后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行情況。如果自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行效率不高或者出現(xiàn)故障，維護(hù)人員得到信號(hào)提示，集中管理每個(gè)逆變器，高質(zhì)量開展系統(tǒng)維護(hù)工作。本項(xiàng)目將大屏幕顯示器安裝在會(huì)所大門入口，傳輸光伏建筑一體化系統(tǒng)發(fā)電信息，包括直流電和交流的電壓、直流電和交流的電流、實(shí)時(shí)發(fā)電量、歷史發(fā)電量，最后根據(jù)發(fā)電量評(píng)估節(jié)能效果，業(yè)主方分析光伏建筑一體化系統(tǒng)運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益[9]。

6 結(jié)語

綜上所述，光伏建筑一體化促進(jìn)光伏與建筑結(jié)合，需要設(shè)計(jì)中把握技術(shù)難點(diǎn)，需要對(duì)建筑材料、建筑設(shè)計(jì)與建筑施工等方面進(jìn)行深入分析。光伏建筑一體化系統(tǒng)在達(dá)到建筑節(jié)能目標(biāo)的同時(shí)，考慮了建筑美學(xué)，我國(guó)也在大力扶持光伏產(chǎn)業(yè)，所以光伏建筑一體化系統(tǒng)將在城市得到更大規(guī)模的應(yīng)用。