已成型屋頂光伏發(fā)電裝置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研制

王子健 張亞萍 汪 洋

（天津津能濱海新能源有限公司 天津 300384）

引言

太陽能作為一種可以廣泛使用的清潔能源具有綠色、無污染、可再生等特點，光伏發(fā)電直接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁且环N越來越廣泛的太陽能利用方式。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)目前多應(yīng)用于城市中，且可以不單獨占用土地，結(jié)合城市建筑進(jìn)行安裝，如屋頂、建筑的立面上都可以。目前是國家大力支持的光伏電站建設(shè)方式。

在屋頂建設(shè)光伏電站需要考慮原有建筑屋面的結(jié)構(gòu)及屋頂?shù)脑O(shè)計承重和防水方式，目前用于進(jìn)行光伏電站建設(shè)的屋頂情況多種多樣，既包括承重較好的可上人屋面，也包括承重較差的不可上人屋面[1]，對于已成型的不可上人屋面，SBS防水卷材屋頂。其屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計安裝是在房屋設(shè)計、施工已完成的情況下開展的，因此光伏系統(tǒng)設(shè)計施工必須滿足房屋防水要求及承載力要求，同時保證光伏自身結(jié)構(gòu)安全[2]。

1 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的提出

1.1 常見的混凝土屋面光伏方陣安裝方式

目前常規(guī)的光伏電站混凝土建筑屋面安裝方法有化學(xué)錨栓錨固法和屋頂配重法兩種[3]。

（1）采用化學(xué)錨栓生根的方式進(jìn)行固定。

利用化學(xué)錨栓，直接將太陽能電池板組件支架固定到屋面，利用防水卷材，包裹太陽能支架固定架進(jìn)行防水，這種方式固定效果好，經(jīng)連接與建筑物為一體，無需配重，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，成本較低。如下圖所示：

圖1 地錨方式安裝光伏方陣示意圖

（2）采用混凝土塊配重來固定

利用配重塊，直接將光伏組件系統(tǒng)壓在屋頂。其優(yōu)點是固定穩(wěn)固，操作簡便，不破壞原有防水層，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，成本較高。

圖2 配重方式安裝光伏方陣示意圖

1.2 常規(guī)安裝方式在SBS屋面安裝光伏方陣存在技術(shù)問題

對于屋面防水施工已經(jīng)完工的建筑，因化學(xué)錨栓的基礎(chǔ)形式需破壞屋面現(xiàn)有防水層，支架固定完畢后，需做防水修補。由于屋面防水上卷部位與太陽能固定架不易貼合，接口易開裂且開口向上，容易漏水。接口節(jié)點耐久性差，存在漏水隱患。無法滿足對屋面防水型的要求。

使用配重的方式進(jìn)行光伏系統(tǒng)的安裝。因房屋自身的承載能力有限，故應(yīng)盡可能的減少屋面負(fù)載。由于需保證風(fēng)壓條件下不整體位移，故要求混凝土配重塊體積大，荷載大，超出屋面設(shè)計承載力上限，易致使屋面保溫層的凹陷，結(jié)構(gòu)板開裂，漏水，且施工需吊裝預(yù)制塊或大量現(xiàn)澆砼，工程量大，安全隱患多。

鑒于以上兩種情況我們需要設(shè)計一種光伏系統(tǒng)與屋面的結(jié)合方式使其同時滿足以下兩個條件：

（1）保證屋面不被破壞原有建筑物防水層

（2）保證光伏系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)安全。

常規(guī)的光伏系統(tǒng)安裝方式無法同時滿足以上兩個條件。

1.3 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)安裝方式

本文通過分析項目現(xiàn)場建筑實際條件，經(jīng)過理論測算，分析常規(guī)電站建設(shè)方式存在的問題，提出了解決對策。通過設(shè)計一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了本在保證屋面不被破壞原有建筑物防水層的同時保證了光伏系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)安全。為今后其他類似工程的設(shè)計和建設(shè)提供了借鑒。其具體結(jié)構(gòu)方式如下：

將光伏組件金屬構(gòu)架以網(wǎng)狀的形式連接成整體，兩側(cè)利用伸出鋼梁做頂撐，與砼女兒墻固定，防止風(fēng)壓位移，豎向承載力通過直接放置在防水層上的支墩傳遞。其優(yōu)點為不破壞已施工完成的防水層，荷載小，整體性好，抗風(fēng)壓位移效果好。具體如下圖所示：

圖3 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)光伏方陣示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 此種結(jié)構(gòu)能夠完全保證防水的安全性

防水方面我們采用如下圖的固定結(jié)構(gòu)，完全不用破壞原有屋頂?shù)姆浪畬?，最大限度的保證了防水的安全性。

圖4 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與女兒墻連接方式示意圖

此種方式固定梁兩端錨固與方陣所在建筑女兒墻防水卷材泛起邊緣上方。在防水層上方設(shè)置保護(hù)墊，將方陣內(nèi)部支架支撐的水泥基礎(chǔ)支墩直接放置于保護(hù)墊上。使得整個光伏系統(tǒng)安裝過程中對于原有屋面的防水結(jié)構(gòu)沒有任何破壞，不存在化學(xué)錨栓安裝方式需要重新進(jìn)行防水修補的施工，減少了施工量和施工難度，同時我們對此種結(jié)構(gòu)所引入的荷載進(jìn)行核算如下表：

立柱：通過化學(xué)錨栓植于水泥基礎(chǔ)上，每根長度為350mm，重 0.875kg。

支撐梁：安裝角度為30°，為電池組件提供支撐，每根長度為700mm，重1.75kg。

安裝梁：與支撐梁連接，方向與支撐梁垂直，采用6m/根的角鋼，角鋼之間通過連接片打孔螺栓連接，角鋼的線密度按2.5kg/m計算（40mm*40mm*4mm）。

固定梁：兩端錨固于女兒墻上起到固定方陣的作用。采用6m/根的角鋼，角鋼之間通過連接片打孔螺栓連接，角鋼的線密度按2.5kg/m計算（40mm*40mm*4mm）。水泥基礎(chǔ):尺寸 200mm*200mm*500mm，重 36kg。

表1 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固定光伏電站單位平米引入荷載表

采用較小的水泥基礎(chǔ)最大限度了避免了由于光伏系統(tǒng)本身自重對防水層和保溫層的擠壓。避免了防水隱患。

我們對安裝后的屋面進(jìn)行了24小時整體封水試驗，未發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

2.1.2 保證了光伏系統(tǒng)所在建筑的結(jié)構(gòu)安裝

建設(shè)屋頂光伏電站的首要原則就是需要滿足原有建筑屋頂?shù)妮d荷能力，否則將存在結(jié)構(gòu)安全隱患。我們對該項目建設(shè)使用的三個建筑屋頂?shù)暮奢d能力與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、化學(xué)錨栓及配重方式引入的屋面荷載進(jìn)行對比結(jié)果如下表：

表1 不同方式固定光伏電站單位平米引入荷載對比表

從此表中我們可以看到化學(xué)錨栓法和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)能夠滿足建筑的荷載。因此只有網(wǎng)路結(jié)構(gòu)能夠同時保證建筑的防水完整性和結(jié)構(gòu)安全性，為最佳的方案。

2.2 創(chuàng)新點

（1）使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)最大限度的減少防水隱患；

（2）網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)將安裝光伏電站引入的荷載降低到了建筑安全的范圍內(nèi)。

3 應(yīng)用推廣情況及前景

3.1 推廣應(yīng)用情況

該項目已成功應(yīng)用于天津陳塘莊熱電廠煤改氣搬遷工程光伏電站項目。達(dá)到了預(yù)期的保證防水安裝和建筑結(jié)構(gòu)安全的效果。

3.2 推廣前景

隨著國內(nèi)外光伏電站建筑結(jié)合應(yīng)用項目的推廣和應(yīng)用，屋頂將逐漸成為城市利用太陽能發(fā)電的建筑主要場所。并逐漸成為一種奇缺的行業(yè)資源。本項目的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的太陽能光伏系統(tǒng)安裝方式為在已建成屋頂建設(shè)太陽能電站提供了一種切實可行的途徑。有利于光伏系統(tǒng)在不可上人屋面的推廣和應(yīng)用。因此，本項目的應(yīng)用推廣前景十分廣闊。

結(jié)語

本文介紹了一種在已成型屋頂安裝光伏發(fā)電裝置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在保證屋面防水完成的情況下，保證了項目所在建筑的結(jié)構(gòu)安全性。減少了防水破損后的漏水隱患，減少了修護(hù)防水的施工量。安裝防水修護(hù)成本35元/平米計算，這種安裝方式安裝屋頂電站可大大節(jié)約防水投入。同時減少了配重方式所需的大量的水泥混凝土成本。對于同類型屋面開展光伏發(fā)電項目建設(shè)具有良好的參考價值。

[1]GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范[S].中華人民共和國建設(shè)部,2012.

[2]章海燦，楊松等.分布式光伏電站的屋面選擇與支架結(jié)構(gòu)方案研究[J].太陽能,2016(3）:60-63.

[3]祁建洲.混凝土平屋面光伏組件支架的連接設(shè)計[J].門窗,2012(5):219-220.

[4]GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S].中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會,2003.

[5]DGJ32J87-2009.太陽能光伏與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].江蘇科技出版社，2009.

[6]龍慧．屋頂分布式光伏發(fā)電支架結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2015（34）:6-8.