寒區(qū)屋頂太陽(yáng)能設(shè)備調(diào)查與集成設(shè)計(jì)分析

劉芳芳，展長(zhǎng)虹，康　健，2，武　岳

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，150001哈爾濱; 2.謝菲爾德大學(xué) 建筑學(xué)院，S10 2TN謝菲爾德；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090哈爾濱)

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寒區(qū)屋頂太陽(yáng)能設(shè)備調(diào)查與集成設(shè)計(jì)分析

劉芳芳1，展長(zhǎng)虹1，康健1，2，武岳3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，150001哈爾濱; 2.謝菲爾德大學(xué) 建筑學(xué)院，S10 2TN謝菲爾德；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090哈爾濱)

摘要:為確定影響寒區(qū)太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素,利用問卷調(diào)查法對(duì)哈爾濱30多個(gè)小區(qū)80位太陽(yáng)能設(shè)備用戶進(jìn)行實(shí)地訪談，統(tǒng)計(jì)了被訪者對(duì)屋頂太陽(yáng)能設(shè)備能效、運(yùn)行情況、設(shè)備成本、耗電量、屋頂結(jié)構(gòu)損壞、視覺污染度、安裝方便性、易跌落度和防凍性9項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià).認(rèn)為成本較高的占70%，存在視覺污染的占82.5%，設(shè)備防凍性差的占66.25%.這3項(xiàng)是當(dāng)前影響寒區(qū)太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用最迫切的關(guān)鍵因素(>50%).針對(duì)上述問題，分析了屋頂集成設(shè)計(jì)需解決的主要技術(shù)問題和應(yīng)對(duì)措施，并指出需借用多目標(biāo)函數(shù)法進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)達(dá)到多目標(biāo)優(yōu)化，從建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)工程和工業(yè)設(shè)計(jì)等跨學(xué)科領(lǐng)域聯(lián)合進(jìn)行太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞:建筑屋頂；太陽(yáng)能技術(shù)；寒區(qū)；可持續(xù)發(fā)展；集成設(shè)計(jì)

《國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃(2014—2020年)》提出2020年太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1×1011W，太陽(yáng)能熱利用安裝面積達(dá)到8×108m2[1].比“十二五”規(guī)劃的2015年太陽(yáng)能發(fā)電2.1×1010W，太陽(yáng)能熱利用面積4×108m2[2]，分別提高了約4倍和1倍.太陽(yáng)能與建筑結(jié)合是中國(guó)能源可持續(xù)和低碳發(fā)展的重要、快速和根本途徑[3].山東、北京、上海等地[4]已開始強(qiáng)制推行在新建12層以下的居住和公共建筑中實(shí)行太陽(yáng)能熱水系統(tǒng).歐盟委員會(huì)策劃的BIPV—CIS調(diào)查，咨詢了來(lái)自7個(gè)國(guó)家的光伏建筑一體化的84位建筑師和工程師，2/3的人認(rèn)為責(zé)任和外觀很重要，29%的人認(rèn)為光伏建筑一體化沒有遵守建筑物外觀建設(shè)規(guī)定[5].工程后期樓頂上各種型號(hào)熱水器雜亂擺放所造成的建筑構(gòu)造、視覺污染及管道損壞一定程度上構(gòu)成了太陽(yáng)能技術(shù)推廣的瓶頸.尤其在寒區(qū)(嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)的簡(jiǎn)稱[6])氣候條件下，設(shè)備的防凍性成為值得關(guān)注的課題.本文以哈爾濱市作為寒區(qū)典型城市代表進(jìn)行屋頂太陽(yáng)能設(shè)備應(yīng)用問題調(diào)研，通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析確定了現(xiàn)存主要問題，并針對(duì)問題提出了太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì)需解決的主要技術(shù)問題和應(yīng)對(duì)措施，旨在為改進(jìn)寒區(qū)太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

1屋頂太陽(yáng)能設(shè)備現(xiàn)存問題調(diào)研

在寒區(qū)范圍內(nèi)，建筑熱工設(shè)計(jì)有冬季保溫要求，水管要加強(qiáng)防凍保護(hù)[7].本文通過(guò)走訪哈爾濱市30多個(gè)小區(qū)的80位太陽(yáng)能設(shè)備用戶，調(diào)查問卷針對(duì)屋頂太陽(yáng)能設(shè)備的能效、運(yùn)行情況、設(shè)備成本、耗電量、屋頂結(jié)構(gòu)損壞、視覺污染度、安裝方便性、易跌落度和防凍性9項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，見表1.從左側(cè)的能效統(tǒng)計(jì)到右側(cè)的防凍性統(tǒng)計(jì)均采用百分比的形式，便于對(duì)比發(fā)現(xiàn)單項(xiàng)指標(biāo)打分占總?cè)巳旱臄?shù)量比例.以太陽(yáng)能設(shè)備能效評(píng)價(jià)為例，評(píng)價(jià)值為3指的是能效最高，評(píng)價(jià)值為-3指能效最差，以此類推.

1.1能效問題

評(píng)價(jià)值(1~3)的數(shù)值合計(jì)為73.75%，即73.75%的人對(duì)目前設(shè)備能效的態(tài)度是正向評(píng)價(jià)，僅有12.5%是負(fù)向評(píng)價(jià).

表1　調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)表　%

1.2運(yùn)行情況

評(píng)價(jià)值(1~3)的數(shù)值合計(jì)為62.5%的人對(duì)目前設(shè)備運(yùn)行情況的態(tài)度是正向評(píng)價(jià).

1.3設(shè)備成本

評(píng)價(jià)值(1~3)的數(shù)值合計(jì)為70%的人對(duì)目前設(shè)備成本的態(tài)度是傾向于高.

1.4耗電量

評(píng)價(jià)值(1~3)的數(shù)值合計(jì)為10%的人認(rèn)為耗電量高.可見耗電量指標(biāo)人們的滿意度較高.

1.5屋頂結(jié)構(gòu)破壞

評(píng)價(jià)值(1~3)的數(shù)值合計(jì)為45%的人認(rèn)為存在屋頂結(jié)構(gòu)的損壞現(xiàn)象.

1.6視覺污染度

視覺污染的評(píng)價(jià)值(1~3)合計(jì)為82.5%，應(yīng)進(jìn)行視覺污染的防控設(shè)計(jì).

1.7安裝方便性

安裝方便性正向評(píng)價(jià)值(1~3)合計(jì)13.75%，26.25%是負(fù)向評(píng)價(jià)，60%的人持中立態(tài)度.安裝通常都是工人負(fù)責(zé)，檢修難是業(yè)主普遍反映的問題之一，由于之前沒有考慮到用戶對(duì)太陽(yáng)能設(shè)備的需求，未能合理設(shè)計(jì)屋頂空間，導(dǎo)致設(shè)備的檢修費(fèi)用高、難度大.

1.8設(shè)備跌落問題

對(duì)設(shè)備的易跌落性持擔(dān)憂態(tài)度的評(píng)價(jià)值(1~3)合計(jì)46.25%，極端天氣設(shè)備的跌落會(huì)加重人們對(duì)人身和車輛的安全擔(dān)憂，設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行風(fēng)雪等極端寒地氣候條件下的防跌落實(shí)驗(yàn).

1.9防凍性問題

防凍性的負(fù)向評(píng)價(jià)分別為31.25%、22.5%和12.5%，總計(jì)66.25%的人認(rèn)為防凍性差.

統(tǒng)計(jì)結(jié)果歸納如下:12.5%的人認(rèn)為能效差；22.5%的人對(duì)運(yùn)行情況是負(fù)向評(píng)價(jià)；70%的人認(rèn)為成本較高；10%的人認(rèn)為耗電量高；45%的人認(rèn)為有屋頂結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象；認(rèn)為存在視覺污染的評(píng)價(jià)為82.5%；安裝方便性負(fù)向評(píng)價(jià)為26.25%；對(duì)設(shè)備易跌落性持擔(dān)憂態(tài)度為46.25%；66.25%的人認(rèn)為設(shè)備防凍性差.

2屋頂太陽(yáng)能設(shè)備現(xiàn)存問題分析

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的柱狀統(tǒng)計(jì)圖1 所示，能效和運(yùn)行情況評(píng)價(jià)均為正向評(píng)價(jià)，但也反應(yīng)出設(shè)備成本較高，且存在屋頂結(jié)構(gòu)損壞、視覺污染度高、設(shè)備跌落和防凍性差等問題.評(píng)價(jià)值為-3，且占評(píng)價(jià)人數(shù)最多的是防凍性問題.關(guān)于防凍技術(shù)，目前已出現(xiàn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)有電伴熱帶防凍技術(shù)和防凍液的應(yīng)用等[8].成本和視覺污染度評(píng)價(jià)值為1~3的人數(shù)合計(jì)均超過(guò)了55人(總數(shù)80人).上述反映出的突出問題除了成本、防凍性外，屋頂結(jié)構(gòu)損壞、視覺污染問題屬于建筑及土木工程領(lǐng)域內(nèi)較難量化研究的內(nèi)容，該內(nèi)容將在下文重點(diǎn)論述.建筑及土木工程領(lǐng)域涉及的3個(gè)要素包括太陽(yáng)能設(shè)備能效、屋頂結(jié)構(gòu)和屋頂視覺景觀.

2.1太陽(yáng)能設(shè)備能效

1984年，“磁控濺射漸變鋁—氮/鋁太陽(yáng)選擇性吸收涂層”技術(shù)研制成功，催生了中國(guó)太陽(yáng)能熱利用的產(chǎn)業(yè)化[9].文獻(xiàn)[10]提出的混合Photovoltaic-thermal(PVT)收集器技術(shù)，采用Water-type混合收集器與多晶光伏模塊Flat-box的鋁合金熱吸收器的測(cè)試結(jié)果每天熱效率在40%左右，節(jié)能效率高于傳統(tǒng)系統(tǒng).文獻(xiàn)[11]認(rèn)為國(guó)外機(jī)構(gòu)在華太陽(yáng)能專利主要集中在光伏領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)主要集中在太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域.無(wú)論是光伏、光熱或混合PVT收集技術(shù)，選擇能效高的太陽(yáng)能技術(shù)始終是太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì)的前提條件之一.

圖1　問題調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.2屋頂結(jié)構(gòu)

屋頂是房屋最上層的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，要求構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)注意解決防水、保溫、隔熱以及隔聲、防火等問題，保證屋頂構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和整體空間的穩(wěn)定性.防止結(jié)構(gòu)變形引起的防水層開裂.以坡屋面和鋼結(jié)構(gòu)屋面結(jié)構(gòu)為例，坡屋面防水透汽膜能使保溫層的水汽迅速排出.鋼結(jié)構(gòu)屋面中，阻隔膜鋪設(shè)在下層彩鋼板和保溫棉中間，防水透汽膜鋪設(shè)在上層彩鋼板和保溫層中間，有效防止外部的氣相水和液相水進(jìn)入圍護(hù)結(jié)構(gòu).因此，屋面的太陽(yáng)能設(shè)備安裝的前提之一是要保證屋頂構(gòu)件的防水層不開裂.

2.3屋頂視覺景觀

由歐盟資助的研究項(xiàng)目PVACCEPT在光伏領(lǐng)域?qū)ｉT為舊的文物保護(hù)對(duì)象發(fā)展創(chuàng)新性新產(chǎn)品[12].此項(xiàng)目明確了視覺設(shè)計(jì)是使得光伏技術(shù)被人們所接受的重要因素.文獻(xiàn)[13]針對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)不和諧安裝造成的建筑“毀容”，提出太陽(yáng)能要與建筑融合必須走太陽(yáng)能裝置構(gòu)件化道路.中國(guó)企業(yè)漢能采用的銅銦鎵硒(CIGS)組件最高轉(zhuǎn)化率達(dá)21%；砷化鎵(GaAs)組件最高轉(zhuǎn)化率達(dá)30.8%.圖2為柔性薄膜屋頂組件[14].柔性薄膜技術(shù)更適用于屋頂曲面創(chuàng)作，建筑應(yīng)用前景更為廣闊.

圖2　柔性薄膜屋頂組件[14]

3太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì)

在建筑及土木工程領(lǐng)域內(nèi)，太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì)涉及的3個(gè)基本問題是能效和結(jié)構(gòu)的技術(shù)耦合、視覺和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)整合、視覺和能效的協(xié)同模擬.

3.1能效和結(jié)構(gòu)的技術(shù)耦合

能效與結(jié)構(gòu)的矛盾，即集成設(shè)計(jì)技術(shù)路線：1)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能設(shè)備對(duì)管道和屋頂結(jié)構(gòu)的損毀方式；2)進(jìn)行太陽(yáng)能設(shè)備分類能效測(cè)試和數(shù)據(jù)采集；3)進(jìn)行屋面防水、隔熱和保溫?cái)?shù)據(jù)采集與技術(shù)模擬；4)利用Building Information Modeling(BIM)的多專業(yè)協(xié)同參數(shù)化設(shè)計(jì)功能和PKPM系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行能效與屋面結(jié)構(gòu)技術(shù)耦合，對(duì)集成設(shè)計(jì)模型(信息載體)進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬、碰撞檢查和管線優(yōu)化.

3.2視覺和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)整合

如何在保證屋面結(jié)構(gòu)基本功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)視覺形式多元化？以太陽(yáng)能光電利用為例，太陽(yáng)能光電板屋頂結(jié)構(gòu)分解圖(圖3)呈現(xiàn)了屋頂主要構(gòu)件間的基本關(guān)系：柱和樓板支承屋面鋼桁架，屋面鋼桁架支承下層功能性屋面，下層功能性屋面支承上層屋面太陽(yáng)能電池組件.通過(guò)改變上層屋面太陽(yáng)能電池組件的形狀(A)、屋面角度(B)、屋面弧度(C)、復(fù)合形態(tài)和復(fù)合肌理(D)和更多組合(E)等手段，使得屋面視覺景觀形態(tài)多元化.但是，無(wú)論上層屋面形式如何變化，下層功能性屋面始終保持不變，因?yàn)橐獫M足屋頂?shù)姆浪⒈?、隔熱及隔聲、防火等要求，?shí)現(xiàn)屋面基本功能完整.

圖3　太陽(yáng)能光電板屋頂結(jié)構(gòu)分解示意

3.3視覺和能效的協(xié)同模擬

研究表明太陽(yáng)能集熱器的傾斜角度對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱性能有較大影響.以北京為例，5°~45°傾斜角的集熱器具有較好的集熱性能，60°~90°傾斜角的則逐漸減少，90°到達(dá)最低[15].文獻(xiàn)[16]借用地理模型信息系統(tǒng)對(duì)城市形式對(duì)總能耗影響計(jì)算進(jìn)行了模擬.文獻(xiàn)[17]用ENERGYPLUS等軟件對(duì)多戶住宅與住區(qū)間密度陰影進(jìn)行了模擬.文獻(xiàn)[18]提出了建筑設(shè)計(jì)對(duì)太陽(yáng)能集熱效率影響巨大.由此可見，設(shè)備傾斜角、街區(qū)結(jié)構(gòu)、城市密度和建筑形態(tài)等均是集成設(shè)計(jì)要考慮的要素.

上述集成設(shè)計(jì)不能兼顧諸如設(shè)備成本、防凍性等建筑相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域之外的問題，更完善的設(shè)計(jì)需要跨學(xué)科領(lǐng)域聯(lián)合進(jìn)行太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì)研究[19].據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)太陽(yáng)能技術(shù)專利的合作申請(qǐng)量不足，“產(chǎn)、學(xué)、研”三者結(jié)合創(chuàng)新體系尚未成熟，也較缺乏相應(yīng)跨機(jī)構(gòu)的技術(shù)聯(lián)系[11].寒區(qū)太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì)需要建筑師、工程師和太陽(yáng)能設(shè)備師多專業(yè)人員從建筑設(shè)計(jì)、工程技術(shù)和工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行合作研究(圖4).

圖4　跨學(xué)科研究?jī)?nèi)容及關(guān)系示意

1)建筑設(shè)計(jì)：要滿足屋頂太陽(yáng)能組件在形狀、角度和弧度等表現(xiàn)方式上的創(chuàng)新.集成化過(guò)程是太陽(yáng)能工業(yè)產(chǎn)品和建筑構(gòu)件之間功能和形式的博弈.

2)工程技術(shù)：要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能設(shè)備屋頂?shù)募稍O(shè)計(jì)，需要工程專業(yè)的技術(shù)支持.即必須防雨水侵蝕，同時(shí)滿足屋面防潮、保溫、隔熱、隔聲、防火等需求.

3)工業(yè)設(shè)計(jì)：太陽(yáng)能設(shè)備要滿足防凍、防跌落和雷電等安全指標(biāo)和型材標(biāo)準(zhǔn)、耐腐蝕性、設(shè)備能效、便于拆卸、管線隱藏等要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì).

4結(jié)論

1)50%以上的受訪者對(duì)成本、視覺污染和防凍性有負(fù)面評(píng)價(jià)(3項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別為70%、82.5%和66.25%)，這是目前影響寒區(qū)太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用最迫切的關(guān)鍵因素.

2)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的固化模式導(dǎo)致單一產(chǎn)品應(yīng)用到建筑中會(huì)出現(xiàn)混亂局面，缺少跨學(xué)科合作研究；企業(yè)和建筑相關(guān)部門不是利益共同體，缺少互惠利益的驅(qū)動(dòng)機(jī)制和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈配置；缺乏寒區(qū)太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的量化評(píng)測(cè)體系.

3)太陽(yáng)能屋頂集成設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及工業(yè)設(shè)計(jì)、工程技術(shù)和建筑設(shè)計(jì)3個(gè)領(lǐng)域的多目標(biāo)、多變量和多約束的優(yōu)化問題.需首先對(duì)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)變量進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，獲取成本、屋頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)、寒區(qū)太陽(yáng)能建筑屋頂材料類型、寒區(qū)氣候?qū)е碌哪芎膿p失等測(cè)試數(shù)據(jù)，然后，進(jìn)行多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化.

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(編輯趙麗瑩)

Integrated design of the solar roofs in cold regions based on a questionnaire survey on problems in current devices

LIU Fangfang1, ZHAN Changhong1, KANG Jian1,2, WU Yue3

(1.School of Architecture, Harbin Institute of Technology,150001 Harbin, China;2.School of Architecture, University of Sheffield, Western Bank, S10 2TN Sheffield, United Kingdom;3.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin, China)

Abstract:This study aims to determine the key factors that influence the application of roof-mounted solar energy harvesting systems in cold regions. Based on a questionnaire survey involving 9 indexes including energy efficiency, performance, cost, power consumption, damage of roof structure, visual pollution, ease of installation, proneness of falling and anti-freezing from 80 interviewees in more than 30 solar equipment communities in Harbin, a city in the cold regions of China, it has been revealed that the high cost (70%), visual pollution (82.5%) and poor anti-freezing (66.25%) are major concerns to residents. As such, the above three emergent problems (>50%) were highly desired to be overcome for the application of solar equipment in cold regions. After exploring the main technical problems and their potential solutions, it is proposed that, in order to rationalize the design of the solar roofs, it would be of necessity to design the roof by optimizing factors through a multi-objective function approach. This integrated design would refer to technology of multi-disciplines involving architectonics, structural engineering, industrial design, et al.

Keywords:building roof；solar energy technology；cold region；sustainable development；integrated design

中圖分類號(hào):TU201.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)02-0163-04

通信作者:劉芳芳，liufangfang@hit.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介:劉芳芳(1982―)，女，博士，講師；

基金項(xiàng)目:中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014M561354)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(HIT.NSRIF.201655).

收稿日期:2015 -05-05.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.028

展長(zhǎng)虹(1973―)，男，教授，博士生導(dǎo)師；

康健(1964―)，男，教授，博士生導(dǎo)師；

武岳(1972―)，男，教授，博士生導(dǎo)師.