基于ECOTECT軟件應(yīng)用的建筑光伏一體化設(shè)計

向 陽，喻 凱

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

基于ECOTECT軟件應(yīng)用的建筑光伏一體化設(shè)計

向 陽，喻 凱

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

在實際的建筑光伏一體化設(shè)計中，引入國際先進(jìn)的ECOTECT可持續(xù)建筑設(shè)計及分析工具。以青海省魯能共和20 MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電項目管理區(qū)內(nèi)監(jiān)控樓BIPV屋頂方案設(shè)計為例進(jìn)行探討研究，著重對太陽輻射、朝向位置、采光系數(shù)等影響因素進(jìn)行分析，并將其進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化，進(jìn)而為建筑光伏一體化設(shè)計提供相應(yīng)的參數(shù)依據(jù)。關(guān)鍵詞：ECOTECT;光伏建筑一體化;建筑設(shè)計;光伏設(shè)計

0 前 言

建筑光伏一體化(Building Integrated Photovoltaie,簡稱BIPV)指將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成或結(jié)合到建筑上的技術(shù)。將太陽能光伏發(fā)電作為建筑有機組成部分，納入建設(shè)工程基本建設(shè)程序，同步設(shè)計、同步施工、與建設(shè)工程同時投入使用、同步后期管理，既能滿足光伏發(fā)電功能，又能與建筑物有益結(jié)合[1-3]。

本文以青海省魯能共和20 MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電項目管理區(qū)內(nèi)監(jiān)控樓BIPV屋頂設(shè)計為例，運用英國Square One公司開發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計軟件ECOTECT為研究工具，從區(qū)域氣候入手，精確地對影響B(tài)IPV屋頂設(shè)計的因素進(jìn)行定量分析和統(tǒng)籌優(yōu)化，進(jìn)而為建筑光伏一體化設(shè)計提供相應(yīng)參數(shù)依據(jù)[4]。

1 項目背景

1.1 光資源概況

項目所在地為青海省海南州藏族自治區(qū)共和縣，安裝地點為北緯36.27°，東經(jīng)100.62°，本工程基本光資源數(shù)據(jù)采用距離本工程場址區(qū)最近的共和氣象站(N 36°16′)的數(shù)據(jù)資料，并以1983—2012年近30 a的太陽輻射資料進(jìn)行分析。

由表1是共和氣象站太陽總輻射量和日照時數(shù)匯總表，可以看出1983—2012年間共和縣太陽輻射分布年際變化基本穩(wěn)定，其數(shù)值穩(wěn)定在6 280～6 710 MJ/m2之間，30 a平均太陽總輻射量為6 552.25 MJ/m2，近10 a間的年平均太陽總輻射量為6 590.32 MJ/m2，年平均日照時數(shù)在2 719 h以上，年平均日照百分率在55%～80%之間。

表1 共和氣象站太陽總輻射量和日照時數(shù)匯總表

表1中的數(shù)據(jù)足以說明，項目區(qū)域內(nèi)太陽能資源豐富，太陽輻射強度大，光照時間長，適宜安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)[5]。

1.2 氣候特征

本文利用Ecotect Analysis 2011軟件(2009 Autodesk, Inc，U.S.A)附屬開發(fā)的Weather Tool軟件,從區(qū)域氣候入手，統(tǒng)計分析共和縣 (東經(jīng)100.62°,北緯36.27°)30 a來氣候大致變化情況[7]。

圖1為共和縣年均逐日、逐月太陽輻射強度和溫度，7月份太陽直接輻射強度約為800 W/m2，是全年的最高值，太陽間接輻射強度約為100 W/m2，是全年的最低值；其中3、4、8、9和10月這幾個月的太陽間接輻射強度大致相同，為230 W/m2左右。全年2月、12月日溫差變化較大,最大日溫差可達(dá)20 ℃左右； 6月日溫差變化最小,在12～20 ℃的范圍里波動。以上數(shù)據(jù)說明，項目地光照時間長，太陽輻射強，氣候溫涼寒冷。

共和縣平均每周溫度日變化，氣候以溫涼寒冷為主，年平均氣溫在4 ℃左右。一年中溫度是以早晚低，中午高的“凸字”形變化的；1月份平均氣溫為-6.9 ℃，為全年最低；7、8月平均氣溫約為16.9 ℃，為全年最高。以上數(shù)據(jù)說明，項目地氣溫年變化量較小、日變化量較大。

共和縣平均每周濕度日變化，一年中濕度是以早晚高，中午低的“凹字”形變化的。在40～44周期間還出現(xiàn)最低濕度值；在24～36周的6～8點期間出現(xiàn)了規(guī)則性的淺色“凸起”段，表示降雨主要集中在6月初—9月底這段時間。以上數(shù)據(jù)說明，項目地大氣稀薄，干旱少雨，春季干旱多風(fēng)，夏季短促涼爽，秋季陰濕多雨，冬季漫長干燥。

1.3 陰影分析

青海省魯能共和20MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電項目的定位是集光伏電站、光伏微網(wǎng)控制、建筑光伏一體化等可再生能源的應(yīng)用展示[8]。

圖2為管理區(qū)總平面布置圖，管理區(qū)總占地面積為12 152.78 m2，總建筑面積3 137.86 m2；其中監(jiān)控樓建筑高度4.5 m，為地上一層，建筑面積2 274.04 m2；配電室587.10 m2，地上一層；消防水泵房包括地上一層和地下一層，建筑面積73.44 m2；車庫203.28 m2，地上一層。

監(jiān)控樓BIPV屋頂在每年冬至日(12月22日)9:00-15:00這個有效發(fā)電時間段內(nèi)不受場地周邊建筑物的陰影遮擋，系統(tǒng)可以進(jìn)行有效的發(fā)電。

圖1 共和縣年均逐日、逐月太陽輻射強度和溫度圖

圖2 管理區(qū)總平面布置圖

2 建筑設(shè)計

2.1 屋面采光頂

管理區(qū)監(jiān)控樓的BIPV屋頂是其生態(tài)節(jié)能設(shè)計的最大亮點，也是本次BIPV設(shè)計的集中體現(xiàn)。采光頂面積達(dá)2 274.04 m2,占監(jiān)控樓屋面面積的70%以上，在整個管理區(qū)中呈現(xiàn)出最為突出的肌理特征。采光頂將光伏電池組件與透明玻璃采用菱形穿插錯落有序的方式有機地結(jié)合在一起，并且為了突出業(yè)主方魯能集團的企業(yè)形象，特別將他們的企業(yè)logo作為設(shè)計的最大亮點置于屋頂中心位置，不僅增加了屋面的韻律感與靈活性，而且形成了良好的光影效果。這種“化零為整”的設(shè)計手法改變了傳統(tǒng)大空間建筑屋面呆板的形象[9]。

光伏電池組件總安裝面積達(dá)1 800 m2左右，總裝機容量為59.25 kWp，主要安裝多晶硅和雙玻薄膜電池組件。BIPV屋頂?shù)闹行奈恢貌捎猛腹饴瘦^高的雙玻薄膜電池組件主要是解決中庭的采光問題，其余部分采用多晶硅電池組件則是為了保證較高的發(fā)電量。

2.2 室內(nèi)中庭布局

2.2.1 室內(nèi)光環(huán)境

(1) 最佳朝向

圖3為綠化最佳朝向分析。由于項目地太陽輻射強，氣候溫涼寒冷，受冬冷夏熱天氣的影響因素較大，運用ECOTECT模擬出中庭空間綠化設(shè)計的“最佳朝向”以期構(gòu)建出良好舒適的室內(nèi)環(huán)境。場地的最佳朝向為南偏東17.5°，最差朝向為北偏東72.5°。由此可以考慮，通過在中庭的東南向布置綠植來改善太陽輻射對建筑室內(nèi)環(huán)境的影響，同時利用建筑小品來創(chuàng)造舒適的休閑環(huán)境。

(2) 光合有效輻射PAR變化

圖4為中庭日平均PAR分布情況，通過Ecotect中的“Sky Factor & Photosynthetically Active Radiation (光合有效輻射PAR的變化)”模擬中庭內(nèi)植物受到光合作用的情況[10]。中庭中心位置顏色由淺至深，表示光環(huán)境由強至弱，模擬出中庭內(nèi)植物每日平均受到PAR值的范圍為0.4～2.1 MJ/(m2·d)，平均值為1.22 MJ/(m2·d)。

將中庭內(nèi)的植物布置在光合有效輻射攝入量較高的區(qū)域，這樣就可以在寒冷季節(jié)增加中庭室內(nèi)的輻射量，提高溫度；炎熱季節(jié)減少輻射量，降低溫度。因此，適宜合理的利用光合有效輻射PAR值就能夠充分實現(xiàn)對光照等自然資源的利用，改善環(huán)境的質(zhì)量，提高生態(tài)性。

(3) 日照時數(shù)

日照時數(shù)是表明場地接受太陽光直接照射的時間，是衡量當(dāng)?shù)夭晒鈼l件的一個重要指標(biāo)，更是植物正常生長的一個重要光環(huán)境指標(biāo)。本指標(biāo)主要考察全年平均日照時數(shù)對中庭室內(nèi)環(huán)境的影響[11]。

圖3 綠化最佳朝向分析圖

圖4 中庭日平均PAR分布情況圖

圖5 中庭全年平均日照時數(shù)圖

圖5為中庭全年平均日照時數(shù)，顏色越深表示日照時間越短，顏色越淺表示日照時間越長。中庭內(nèi)平均日照小時數(shù)為1.17 h，通過日照時數(shù)模擬可以看出圖中淺色的區(qū)域多圍繞于中庭中心位置周邊，這表示中庭室內(nèi)整體采光環(huán)境良好，有效的利用了光資源。

2.2.3 空間布局

通過第2.2.1節(jié)室內(nèi)光環(huán)境的分析及模擬，中庭的空間布局形成“兩軸、一心、三區(qū)”的規(guī)劃結(jié)構(gòu)形式。兩軸:連接中庭兩端對外次入口的縱軸以及貫穿對外主入口、小噴泉、木亭為對景元素的橫軸；一心：縱、橫兩軸的交匯點；三區(qū):員工健身區(qū)、景觀綠化區(qū)、休閑活動區(qū)。監(jiān)控樓中庭空間布局見圖6。這樣的中庭空間設(shè)計不僅巧妙地利用光照優(yōu)勢為室內(nèi)提供良好的環(huán)境質(zhì)量，而且與監(jiān)控樓外嚴(yán)肅、規(guī)整的光伏陣列區(qū)形成強烈的反差，別有洞天。

圖6 監(jiān)控樓中庭空間布置圖

3 光伏設(shè)計

監(jiān)控樓的BIPV屋頂采用了多晶硅和雙玻薄膜光伏電池組件相結(jié)合的布置方式。BIPV屋頂就是通過利用太陽輻射資源有效地改善建筑能量消耗和室內(nèi)環(huán)境變化，從而實現(xiàn)建筑光伏一體化的有機統(tǒng)一[12]。

3.1 太陽能在光伏屋頂?shù)睦?/p>

通過ECOTECT軟件中的“Insolation Levels(入射輻射分析)”對監(jiān)控樓BIPV屋頂進(jìn)行太陽輻射模擬，旨在計算出太陽輻射對它的利用程度[13]。

經(jīng)計算，BIPV屋頂在冬至日(12月22日)9:00-15:00累積輻射量超過每小時7.2 MJ /m2。這就意味著太陽輻射能被光伏電池組件所大量吸收，并且可以充分利用太陽能來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)行發(fā)電。

3.2 室內(nèi)采光分析

監(jiān)控樓的BIPV屋頂采用平鋪式多晶硅和雙玻薄膜光伏電池組件相結(jié)合的安裝方式，光伏電池組件的平均光電轉(zhuǎn)換率為15%、界面折射率為1.75、透光率為10%～15%，能夠有效減少室內(nèi)空間受到陽光的直射。

圖7為監(jiān)控樓中庭(光伏系統(tǒng))采光分析，利用ECOTECT軟件“Lighting Leves(采光和照明分析)”對室內(nèi)空間進(jìn)行采光分析。可以看出，室內(nèi)空間的平均采光系數(shù)為21.82%，這說明監(jiān)控樓中庭室內(nèi)并沒有因為屋面設(shè)置光伏電池組件而對室內(nèi)光環(huán)境造成太大的遮擋影響，仍然得到了良好的光照條件。

圖7 監(jiān)控樓中庭(光伏系統(tǒng))室內(nèi)采光分析圖

圖8 監(jiān)控樓中庭(全玻璃)室內(nèi)采光分析圖

反之，圖8為監(jiān)控樓中庭(全玻璃)室內(nèi)采光分析，如果BIPV屋頂純粹采用常規(guī)的有機玻璃進(jìn)行布置，強烈的太陽直射雖然極大地提高了室內(nèi)的光照條件(平均采光系數(shù)為45.57%)，然而如此高的采光系數(shù)卻為使用者帶來了不便，必須增設(shè)遮陽系統(tǒng)來抵御強烈的光照。這樣不僅增加了設(shè)計成本，也不利于建筑美學(xué)的要求。

綜上所述，本文以ECOTECT軟件為研究工具，從項目地的區(qū)域氣候入手，精確定量的分析BIPV屋頂設(shè)計的影響因素，適宜的將建筑的美學(xué)性與光伏的技術(shù)性完美的結(jié)合在一起。

4 結(jié) 語

隨著現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步，大力發(fā)展分布式光伏是中國新能源領(lǐng)域的重要組成部分，其中與建筑相結(jié)合的BIPV設(shè)計為光伏發(fā)電提供了更廣闊的發(fā)展空間[16]。運用ECOTECT軟件的模擬可以在滿足不損害和影響建筑美觀的基礎(chǔ)上，保證結(jié)構(gòu)安全的可靠性，符合建筑營造的標(biāo)準(zhǔn)，在功能和壽命均不受影響的前提下，把傳統(tǒng)的耗能建筑構(gòu)件(屋頂、墻面、遮陽系統(tǒng)等)轉(zhuǎn)換為能夠吸收太陽能并轉(zhuǎn)化為電能的建筑構(gòu)件，以節(jié)約建筑用能，做出更加符合實際情況的可行性方案。將建筑光伏一體化的建筑美學(xué)性以及光伏技術(shù)性有機結(jié)合。

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BIPV Design Based on ECOTECT Application

XIANG Yang, YU Kai

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

In BIPV design, the advanced ECOTECT sustainable architectural design and analyzing tools are introduced. With the design of BIPV roof of the control building in 20 MWp grid-connected PV power plant in Qinghai Province as example, factors such as the solar radiation, direction and solar collection coefficient, etc are analyzed and further optimized generally so as to provide BIPV design with parameter reference.Key words: ECOTECT; BIPV; architectural design; PV design

1006—2610(2016)06—0101—05

2016-05-05

向陽(1989- )，女，陜西省西安市人，助理工程師，主要從事土建設(shè)計工作.

TU18;TM615

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.026