光伏在綠色建筑規(guī)劃設計階段的實踐探索

摘要：近年來，隨著新建建筑中綠色建筑比重要求越來越高，建筑綠色規(guī)劃設計量大幅增加。光伏發(fā)電系統(tǒng)因技術(shù)成熟可靠，施工交接面簡單，管理成本低，度電成本大幅下降，在可再生能源利用領(lǐng)域優(yōu)勢明顯，因而得到了廣泛應用。在規(guī)劃設計實踐中，通過與建筑各專業(yè)溝通交流，加上實際項目的操作和實施反饋，發(fā)現(xiàn)有一些共性的問題和經(jīng)驗值得考量?，F(xiàn)以XX星級酒店的BIPV光伏項目為實例，探討光伏在綠色建筑規(guī)劃設計階段出現(xiàn)的相關(guān)問題及解決辦法。

關(guān)鍵詞：綠色建筑;光伏技術(shù);離并網(wǎng);建筑友好;經(jīng)濟性

0? ? 引言

光伏發(fā)電受惠于國家政策的大力支持和行業(yè)技術(shù)的不斷進步，應用技術(shù)已經(jīng)非常成熟。光伏發(fā)電的能量來自太陽能，其將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可以說有陽光、有用電的地方就可以應用光伏技術(shù)，因此建筑應用光伏技術(shù)順理成章。未來，建筑將從單一的能源消費者逐漸變?yōu)榧茉瓷a(chǎn)者和能源消費者于一體，在綠色電力替代、綠色建筑甚至零碳建筑不斷推進的背景下，建筑+光伏將扮演愈來愈重要的角色。規(guī)劃設計階段是降低成本、保障建筑結(jié)構(gòu)和建筑美觀最有效的階段，在規(guī)劃階段系統(tǒng)考慮光伏設計具有重要意義。

1? ? 光伏技術(shù)在綠色建筑中的應用

在綠色建筑范疇內(nèi)，光伏發(fā)電技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)是否并入配電網(wǎng)，主要分為并網(wǎng)光伏系統(tǒng)、離網(wǎng)光伏系統(tǒng)以及離并網(wǎng)混合系統(tǒng)。其中，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)根據(jù)是否倒送電網(wǎng)又細分為自發(fā)自用、余電上網(wǎng)型和并網(wǎng)不上網(wǎng)型兩類，以下逐一展開來說。

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)一般由太陽能光伏組件、并網(wǎng)型逆變器、并網(wǎng)防雷箱（柜）、支架系統(tǒng)、平臺監(jiān)控系統(tǒng)等組成。并網(wǎng)逆變器是將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同電壓、同相位的交流電。并網(wǎng)不上網(wǎng)系統(tǒng)就是并網(wǎng)用戶側(cè)配電網(wǎng)絡，但通過技術(shù)手段使其多余電量不倒送至主網(wǎng)。該類系統(tǒng)造價低、技術(shù)成熟、維護簡單，特別適用于電網(wǎng)穩(wěn)定、用電量大的常規(guī)用戶。

離網(wǎng)光伏系統(tǒng)一般由太陽能光伏組件、太陽能控制器、蓄電池單元、離網(wǎng)型逆變器、離網(wǎng)配電箱（柜）、支架系統(tǒng)、平臺監(jiān)控系統(tǒng)等組成。離網(wǎng)系統(tǒng)脫離主網(wǎng)運行，蓄電池的增加導致系統(tǒng)成本大幅增加，運維中蓄電池替換成本高昂，逆變器的不平衡帶載能力要求高，系統(tǒng)效率低;但是其不依托于電網(wǎng)的情況，特別適用于電力缺乏或電力不穩(wěn)定的用戶。

離并網(wǎng)系統(tǒng)一般由太陽能光伏組件、雙向儲能變流器、蓄電池及管理單元、離并網(wǎng)配電箱（柜）、快速開關(guān)柜（無縫切換時需要）、支架系統(tǒng)、平臺監(jiān)控系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)既可并網(wǎng)運行也可在一定條件離網(wǎng)運行，功能上看是離網(wǎng)和并網(wǎng)的綜合集成，應用復雜，成本高，運行中對維護人員要求高，相對更適用于電網(wǎng)安全要求較高的場合。

通過以上分析可知，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)因為設備安裝環(huán)境要求低、系統(tǒng)成本低、經(jīng)濟性好，技術(shù)成熟、無易損件、維護成本低等特點，在綠色建筑項目中無疑是最主要的應用形式。

當然，光伏除實現(xiàn)可再生能源利用外，還兼具夏季遮陽、冬季保溫的作用。對于建筑物，根據(jù)研究人員分析，這些組件使到達屋頂?shù)臒崃繙p少了約38%，屋頂安裝光伏前后夏季溫差達到5～7 ℃，間接減少了3%～12%的能耗。

2? ? 上海XX酒店綠建項目實踐

上海XX酒店項目規(guī)劃設計為2級別綠色建筑。節(jié)能設計方案經(jīng)過充分討論，考慮到本項目附近有分布式能源站項目，部分熱水和冷能需求可以滿足要求。在可再生能源利用方面，須使用光伏發(fā)電獲得不低于8分的分數(shù)，根據(jù)上海綠色建筑評定標準，經(jīng)測算光伏安裝容量不低于240 kWp。容量確定后，規(guī)劃設計階段各專業(yè)需有效溝通并給出光伏在酒店綠色建筑應用的技術(shù)方案，這本質(zhì)上是圍繞如何做到光伏對建筑友好來展開的。

2.1? ? 規(guī)劃階段

規(guī)劃階段主要就以下問題給出方案：光伏參與綠色建筑的應用訴求及容量需求;建筑與光伏采取的結(jié)合方式——BIPV/BAPV;光伏項目是否經(jīng)過審批;既有或潛在遮擋因素對光伏的影響;光伏采用何種電池技術(shù);光伏消納方式等。

規(guī)劃階段重點針對節(jié)能設計過程中綠色建筑評定時對對應項目的得分來確定光伏發(fā)電的安裝容量。根據(jù)要求，由可再生能源提供的電量比例3%≤Re≤4%。根據(jù)估算，項目竣工投入使用后，每年可消耗電量約750萬kWh，按照光伏年平均利用小時數(shù)1 095 h計算，光伏安裝容量不低于242 kWp，系統(tǒng)效率82%，考慮到光伏的衰減因素，壽命周期內(nèi)，每年可發(fā)電23.87萬kWh，Re≈3.2%，滿足要求。光伏與建筑屋頂保持扇形排列，為BIPV項目。周圍無既有高大建筑物，也沒有建設高樓、塔狀物等對光伏發(fā)電有嚴重影響的規(guī)劃。目前，晶硅電池技術(shù)獲得了更好的應用，占有率優(yōu)勢極大，發(fā)電技術(shù)采用轉(zhuǎn)化效率適度超前的高效單晶半片技術(shù)，以抵消建設周期內(nèi)光伏效率不斷提高的影響。

2.2? ? 電氣專業(yè)

電氣專業(yè)主要包含以下幾個問題：電網(wǎng)電壓等級;并網(wǎng)點選擇以及并網(wǎng)箱（柜）的位置設置;屋頂電纜敷設;防雷接地。

根據(jù)光伏安裝容量240 kWp及設備安全配置，可視光伏發(fā)電項目為“負”負載，采用低壓側(cè)380 V并網(wǎng)。并網(wǎng)點位置是需要特別說明的，它極大地影響著電纜的成本和線損的控制。在以往的經(jīng)驗中，很多設計院將并網(wǎng)點設置在總配電室，對于樓層比較高的安裝項目，這樣做將產(chǎn)生較大的電纜成本和線損。光伏在建筑類項目設置的初衷，除滿足綠色建筑要求外，主要是將太陽能光伏所發(fā)的電自行消納。從邏輯來看，光伏作為電源放在總配電室無可厚非，但其技術(shù)實現(xiàn)并不受并網(wǎng)點的位置限制，從成本和線損考慮，在滿足電氣規(guī)范的基礎上并網(wǎng)點的位置是可以選擇的。上海XX酒店項目最后將并網(wǎng)點放在了屋頂設備配電間，經(jīng)核算電纜容量也可以達到要求，且減少了2/3以上的交流電纜成本，線損減少1%以上，施工過程交接面也更簡單，施工速度更快更可控，系統(tǒng)成本降低，一舉多得。

2.3? ? 建筑專業(yè)

建筑專業(yè)主要包含以下幾個問題：可用面積與光伏板實際面積的匹配;女兒墻、排氣管、建筑美學要求;室外屋頂設備對光伏遮擋的影響;設備布置位置影響;排氣/水/汽對產(chǎn)品的影響;管道預留或預埋;防水問題。

每個項目屋頂上的應用需求都比較多而雜，比如屋頂設備機房、女兒墻、排風/水設施、中央空調(diào)外機、新風外機、屋頂造型、廣告牌、接閃器或其他功能等，因此留給可再生能源利用的空間可能很緊張。該項目就出現(xiàn)了受設備層排煙孔、設備預留吊裝安裝空間影響，屋頂可用面積非常有限的情況。解決辦法：放棄按照最佳傾角進行敷設;使用更高效率的組件進行布置安裝;在光伏組件平鋪才能滿足要求與犧牲一定量的發(fā)電量之間做出平衡;在設備層基礎上增大格柵的結(jié)構(gòu)標高來創(chuàng)造新的安裝空間;維護通道在可控范圍內(nèi)適當減小。

管道預留部分包括電纜在配電間穿墻或穿屋頂時穿線孔的預留。該酒店項目因屋頂層有強電間，需要預留好到配電間的鍍鋅鋼管穿線管。

屋頂防水層的保護及維護。防水問題一直是建筑項目的難題之一，其一旦出現(xiàn)責任也很難界定，新建建筑項目在規(guī)劃階段要想好這個問題。與結(jié)構(gòu)層預埋可能會帶來預埋件探出基礎部分的防水問題，預制式基礎可能在后期維護中帶來較大的工作量，互有利弊。強烈建議：在未來綠色建筑的可再生能源利用中，規(guī)劃階段有所傾斜地將設備基礎及本體相對集中安裝于屋頂北側(cè)，以便為光伏發(fā)電、太陽能熱水等可再生能源利用或新增留出空間;同時，屋頂上各種設備包括光伏發(fā)電和其他基礎統(tǒng)一規(guī)劃布置，以便更加充分地利用屋頂資源。

2.4? ? 結(jié)構(gòu)專業(yè)

結(jié)構(gòu)專業(yè)主要包含以下問題：不同支撐結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)承重訴求。

采用屋頂結(jié)構(gòu)層預埋現(xiàn)澆的基礎和后期預制的基礎（承載式基礎）產(chǎn)生的載荷差異巨大，特別是在沿海多強風區(qū)域更為明顯。后者相比前者，光伏安裝區(qū)域每平米增加20～50 kg/m2的載荷，后者需要向結(jié)構(gòu)工程師確認是否滿足設計要求。

光伏自身結(jié)構(gòu)部分由專業(yè)負責，要特別注意在運行中防腐措施的巡視、補足或加強。結(jié)構(gòu)件建議采用304不銹鋼，達克羅和鍍鋅螺栓需要嚴把質(zhì)量關(guān)。

考慮到以上幾點，上海XX酒店項目敷設防水層后，采用獨立條形基礎布置，考慮到抗震等因素，各獨立基礎再通過連接件進行固定，固定件采用不銹鋼連接件。

2.5? ? 給排水專業(yè)

對給排水專業(yè)來講，屋頂?shù)挠晁?、冷凝水等排水設施需要與光伏的基礎布置相匹配。

屋頂光伏的設備基礎在布置時需要規(guī)避排水溝槽如天溝，防水坡的交界處是需要注意的地方，要防止產(chǎn)生不必要的受力形變造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等情況。在上海XX酒店項目中，基礎通過適當?shù)钠揭票ＷC不影響雨水排水功能。

2.6? ? 機電專業(yè)

機電專業(yè)主要包含光伏監(jiān)控系統(tǒng)及BA監(jiān)控系統(tǒng)的接口預留兩部分。

上海XX酒店項目光伏監(jiān)控系統(tǒng)采用云平臺，支持手機App和電腦終端在可上網(wǎng)環(huán)境下隨時調(diào)看。平臺通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能更高水平地監(jiān)測光伏運行狀態(tài)并給出基于專家算法的維護結(jié)論，大大降低了維護成本，減輕了對運行人員的技術(shù)要求。智能表計和并網(wǎng)逆變器均支持BA系統(tǒng)的通信擴展要求。

2.7? ? 其他要求

除以上各專業(yè)的要求以外，對于業(yè)主對系統(tǒng)成本、品牌訴求、施工節(jié)點要求、施工進度要求、施工過程交叉、運維便利性和可得性等方面都需要做詳細的溝通和研判。

系統(tǒng)成本可以通過更加優(yōu)化的布局、多個專業(yè)的平衡或博弈以及施工界面的合理控制來降低。在上海XX酒店項目中，通過多次協(xié)調(diào)和溝通，通過對電池板的布局、并網(wǎng)點的選擇進行調(diào)整，原光伏基礎的鋼板取消，改為格柵方案，由最擅長的土建專業(yè)來完成基礎的制作和養(yǎng)護，設備層格柵的標高起高等措施降低了28%以上的成本，取得了很好的效果。

3? ? 結(jié)語

本文基于上海XX酒店項目的操作實例，對光伏在綠色建筑規(guī)化設計階段可能遇到的問題進行了分析和說明，為綠色建筑光伏應用做到建筑友好、經(jīng)濟性優(yōu)、維護智能給出了參考方向。光伏技術(shù)仍在不斷進步中，系統(tǒng)成本仍然有一定的下降空間，在規(guī)劃設計階段就進行充分的溝通和優(yōu)化，光伏應用在未來的綠色建筑甚至綠色建筑的“高階”——超低碳排放建筑、“零能耗建筑”中必將扮演更重要的角色。

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收稿日期：2020-04-21

作者簡介：楊曉光（1987—），男，山東東營人，工程師，研究方向：新能源發(fā)電、微電網(wǎng)以及綜合能源服務。