光伏屋面在既有建筑改造中的應用及效益分析

郭錦平，李 超，殷義華

(1. 巨安儲能武漢科技有限責任公司，武漢 430223；2. 武漢市洪山統(tǒng)籌發(fā)展投資有限公司，武漢 430070；3. 武漢洪山中雄置地有限公司，武漢 430070)

0 引言

隨著中國碳達峰和碳中和政策的不斷推進，可再生能源的發(fā)展，特別是作為太陽能主要應用方式之一的光伏發(fā)電的發(fā)展被列為重點工作內(nèi)容[1]。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在《城市建設(shè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》(送審稿)中提出了光伏建筑一體化及既有建筑加裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)目標(截至本文刊發(fā)時間，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)展和改革委員會已于2022年6月出臺了正式的《關(guān)于印發(fā)城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達峰實施方案的通知》(建標[2022]53號))。

為探究光伏屋面在既有建筑改造中的實施路徑，本文以武漢市2022年的首批《城市更新項目》中某老舊小區(qū)既有建筑屋面的防水改造項目為例，對光伏屋面在既有建筑改造中的應用及其效益進行研究，對既有建筑屋面的防水層使用壽命及光伏屋面防水的可行性、經(jīng)濟性進行對比分析；并結(jié)合武漢地區(qū)的太陽輻射情況，估算建筑安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量及項目發(fā)電成本，分析光伏屋面帶來的經(jīng)濟效益和社會效益，為光伏屋面技術(shù)在城市更新中的應用提供實踐依據(jù)。

1 應用于建筑屋面的光伏組件

應用于建筑屋面的光伏組件主要由晶體硅光伏組件、薄膜光伏組件兩類組成。從經(jīng)濟性與光電轉(zhuǎn)換效率來看，晶體硅光伏組件占據(jù)絕對優(yōu)勢，因此本文選擇以晶體硅光伏組件來構(gòu)建光伏屋面。根據(jù)是否與建筑材料一體化，構(gòu)成光伏屋面的光伏組件可采用兩種形式，分別為光伏建筑一體化(BIPV)形式和已有建筑物附著安裝光伏組件(BAPV)形式[2]。

1.1 晶體硅BIPV組件

晶體硅BIPV組件由光伏組件生產(chǎn)廠商采用預制化方式生產(chǎn)，項目現(xiàn)場可直接使用。晶體硅BIPV組件的屋面外層與組件層為一體成型，其外形如圖1所示。中國國內(nèi)主流晶體硅BIPV組件生產(chǎn)廠商主要有隆基森特新能源有限公司、晶科能源控股有限公司等。

圖1 晶體硅BIPV組件的外形圖Fig. 1 Outline picture of crystalline silicon BIPV modules

晶體硅BIPV組件需要滿足板型、荷載、防火等級、抗風揭、可踩踏、高壽命等方面的要求，其具體性能應包括：

1)板型：晶體硅BIPV組件的屋面外層采用鍍鋅板型，根據(jù)GB 50896—2013《壓型金屬板工程應用技術(shù)規(guī)范》中的要求，屋面最外層彩鋼瓦厚度按0.6 mm考慮，檁條間距應不大于1.5 m，以確保屋面的使用安全。

2)荷載：建筑屋面增加的晶體硅BIPV組件荷載不應超過127.4 N/m2(不含最外層彩鋼瓦)。

3)防火等級：需為A級不燃材料，且具有國家級建筑材料燃燒(防火)測試與認證機構(gòu)的認證。

4)抗風揭：需滿足抗3300 Pa風揭，且具有國家級建筑材料燃燒(防火)測試與認證機構(gòu)的認證。

5)可踩踏：正面可承受8100 Pa的壓力。

6)高壽命：需保證25年的使用壽命。

1.2 晶體硅BAPV組件

晶體硅BAPV組件構(gòu)建的光伏建筑屋面由獨立的屋面層、組件層構(gòu)成，其中，組件層主要由防水金屬支架(W型導水槽)、晶體硅光伏組件、導水槽、屋檐溝(天溝)等部件組成。目前晶體硅BAPV組件主要應用于既有工商業(yè)廠房改造項目，國內(nèi)主流光伏組件生產(chǎn)廠商均能生產(chǎn)此類組件，其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 晶體硅BAPV組件安裝示意圖Fig. 2 Schematic diagram of installation of crystalline silicon BAPV modules

晶體硅BAPV組件需要滿足板型、荷載、防火等級、抗風揭、可踩踏、高壽命等方面的要求，其具體性能應包括：

1) 板型：屋面外層由原有建筑板型決定。

2) 荷載：建筑屋面增加的晶體硅BAPV組件荷載不應超過196 N/m2(不含最外層彩鋼瓦)。

3) 防火等級：需為A級不燃材料，但無需國家機構(gòu)的認證。

4) 抗風揭：現(xiàn)場驗收，無需國家機構(gòu)的認證。

5) 可踩踏：正面承受荷載不能超過8100 Pa。

6) 高壽命：受屋面使用年限制約，在晶體硅BAPV組件使用過程中會因為屋面使用年限的原因?qū)е鹿夥l(fā)電系統(tǒng)提前退役。

2 既有建筑光伏屋面的布置方式

根據(jù)既有建筑原有屋面的形式不同，光伏屋面的組件布置方式亦不相同，主要分為平屋面改坡屋面布置、瓦屋面掛鉤布置、彩鋼瓦附加布置等幾種方式。

2.1 平屋面改坡屋面布置方式

民居住宅、企事業(yè)單位、工廠建筑最常見的屋面形式之一就是水泥平屋面，在此類既有建筑的防水改造中，會大面積應用平屋面改坡屋面布置方式。該布置方式是利用防水金屬支架與BAPV組件將現(xiàn)有平屋面構(gòu)建成坡屋面，改造后屋面可分為單坡光伏屋面和雙坡光伏屋面。平屋面改坡屋面布置方式如圖3所示。

圖3 平屋面改坡屋面布置方式Fig. 3 Layout method of changing flat roof to sloping roof

平屋面改坡屋面布置方式一般采用在原有屋面植筋制作方形混凝土基礎(chǔ)或采用配重塊作為混凝土基礎(chǔ)，混凝土基礎(chǔ)底部、頂部采用防水材料做好防水補強，利用混凝土基礎(chǔ)加防水金屬支架提升屋面高度并改變角度，形成不同坡度的屋面。由于采用混凝土基礎(chǔ)加防水金屬支架的方式進行安裝，可將支架設(shè)計成各種安裝傾角，使坡屋面的光伏發(fā)電效率相對較好。將平屋面改造為光伏坡屋面后，會比原本平屋面增加約65～75 kg/m2的重量，因此這種布置方式對屋面及建筑結(jié)構(gòu)的承重要求較高，一般要求荷載不超過2.0 kN/m2。

2.2 瓦屋面掛鉤布置方式

農(nóng)村、歷史文化保護區(qū)、校區(qū)等建筑多采用瓦屋面，雖然瓦屋面采用的瓦的形式多樣，但改造為光伏屋面時的布置形式基本一致，既有建筑光伏屋面的布置形式一般為瓦屋面掛鉤布置方式，即采用不銹鋼掛鉤進行BAPV組件的安裝。瓦屋面掛鉤布置方式的安裝如圖4所示。

圖4 瓦屋面掛鉤布置方式的安裝Fig. 4 Installation of layout method of tile roofs and hooks

瓦屋面改造為光伏屋面時BAPV組件的安裝比較簡單，但受屋面朝向與屋面面積所限，通常瓦屋面的光伏裝機容量較小。

2.3 彩鋼瓦附加布置方式

工業(yè)廠房、倉庫、公共建筑等通常采用彩鋼瓦屋面，這些建筑改造為光伏屋面通常采用彩鋼瓦附加布置方式。彩鋼瓦光伏屋面的布置圖如圖5所示。

圖5 彩鋼瓦光伏屋面的布置圖Fig. 5 Layout plan of color steel tile PV roof

彩鋼瓦是用薄金屬板包裹泡沫板構(gòu)成，用傳統(tǒng)方法無法使防水金屬支架固定在彩鋼瓦上，需要用專用的“夾具”進行固定。使用夾具不會破壞屋面原有的結(jié)構(gòu)，不會導致屋面漏水或者屋面整體結(jié)構(gòu)損壞。根據(jù)規(guī)格不同，彩鋼瓦的結(jié)構(gòu)形式可分為角馳型、直立鎖邊型、梯形等。彩鋼瓦附加布置方式中，晶體硅BAPV組件與彩鋼瓦屋面緊貼并平行安裝。為了更好地排水，彩鋼瓦屋面會有一定的傾斜角度(<10°)，但10°左右的傾斜角度在中國大部分地區(qū)不是最佳光伏組件安裝傾角，因此該布置方式對光伏屋面的發(fā)電量有一定影響。

從承重角度考慮：若組件按照最佳光伏組件安裝傾角安裝，防水金屬支架的使用量不可避免的要增加，從而增加屋面重量。從安全角度考慮，若組件按照最佳光伏組件安裝傾角安裝，組件就不能與彩鋼瓦屋面平行，刮風時會產(chǎn)生額外風壓，形成安全隱患。綜合以上兩點，組件只能平鋪在彩鋼瓦屋面上。該布置方式下組件的安裝數(shù)量只與屋面面積和承重有關(guān)，因此沒有優(yōu)化的意義。

3 光伏屋面在既有建筑屋面防水改造中的應用

3.1 項目概況

通過實際改造案例，對光伏屋面在泰格公寓項目既有建筑屋面防水改造中的應用情況進行驗證。泰格公寓項目位于武漢市洪山區(qū)，于1998年建成交付，共8棟建筑，采用磚混結(jié)構(gòu)，樓高均為6層，屋面均采用混凝土屋面，屋面總面積為6373 m2。泰格公寓項目的總平面布置圖如圖6所示。

圖6 泰格公寓項目的總平面布置圖Fig. 6 General layout plan of Taige apartment project

由于泰格公寓項目的建成時間較早，其設(shè)計和建造標準較低，屋面防水層破損、缺失嚴重，主要原因是屋面防水卷材老化破裂，導致雨水沿破裂的縫隙滲漏進入室內(nèi)，浸泡墻體，對建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴重影響。泰格公寓項目的現(xiàn)狀如圖7所示。

圖7 泰格公寓項目的現(xiàn)狀Fig. 7 Current situation of Tiger apartment project

3.2 設(shè)計方案

泰格公寓項目中的4棟住宅均為平屋面，因此在本次防水改造設(shè)計中采用平屋面改坡屋面布置方式，將平屋面改造成光伏坡屋面，采用普適性較強的單坡光伏屋面，總共鋪設(shè)了561塊峰值功率為540 W的光伏組件(即BAPV組件)。為保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性，在進行改造之前，對泰格公寓開展了結(jié)構(gòu)的承載力、抗風壓、抗雪壓和抗震等級的評估。改造后的光伏坡屋面為鋼結(jié)構(gòu)，防水金屬支架傾斜角度不小于5°。將混凝土基礎(chǔ)澆筑在原屋面承重墻上作為防水金屬支架立柱的支撐，將防水金屬支架與混凝土基礎(chǔ)連接組成基礎(chǔ)框架，然后將BAPV組件固定在基礎(chǔ)框架上。在光伏坡屋面的檐口處預留通風間隙，使空氣在光伏坡屋面的后部空間流動，防止組件溫度過高引起的光伏坡屋面發(fā)電效率降低。混凝土基礎(chǔ)與原屋面承重墻的連接處的防水層應鋪設(shè)在原屋面表面上方、混凝土基礎(chǔ)下面，地腳螺栓周圍密封，并增加防水密封膠；也可以在混凝土基礎(chǔ)下添加額外的防水層。即使混凝土基礎(chǔ)頂部有滲漏，雨水也不會到達結(jié)構(gòu)層，從而保證了光伏坡屋面的整體防水性能。建成后的光伏坡屋面如圖8所示。

圖8 建成后的光伏坡屋面圖Fig. 8 Picture of completed PV sloping roof

3.3 光伏屋面的防水做法

平屋面、采鋼瓦屋面在增加安裝普通晶體硅光伏組件時，只專注于光伏發(fā)電本身，無需考慮屋面整體防水問題。而在城市更新中，解決既有建筑屋面防水層老化導致的滲漏問題是重要工作，光伏屋面的發(fā)電效益是其次。因此，如何在房屋老舊、結(jié)構(gòu)復雜、防水層老化的多重因素下，利用光伏屋面在解決屋面滲漏的同時兼顧發(fā)電效益成為本文研究的重點。

泰格公寓項目的主體結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，屋面類型為混凝土屋面，為保證建設(shè)光伏屋面后屋面不滲漏，決定采用平屋面改坡屋面的布置方式建設(shè)光伏屋面，在現(xiàn)有屋面上布置1層鋼架作為支架，在支架上安裝BAPV組件。

城市更新中既有建筑光伏屋面的布置圖如圖9所示。

圖9 城市更新中既有建筑光伏屋面的布置圖Fig. 9 Layout plan of PV roof for existing buildings in urban renewal

該項目采用平屋面改坡屋面布置方式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1)減小了原混凝土屋面的承載量，確保了屋面結(jié)構(gòu)的安全性；

2)有效保護了原混凝土屋面，從根本上解決了屋面漏水問題，節(jié)約了原屋面防水修補的時間及費用；

3)改造后的光伏屋面降低了原屋面的溫度，確保了建筑室內(nèi)的保溫節(jié)能效果，提高了建筑的節(jié)能性；

4)改造后的光伏屋面具備發(fā)電功能，可以源源不斷輸出清潔電力；

5)延長了原屋面的使用壽命，確保屋面可再使用至少25年。

3.4 光伏屋面的系統(tǒng)設(shè)計及發(fā)電量計算

光伏屋面的年發(fā)電量主要依據(jù)光伏組件裝機容量、光照條件、光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率等條件進行計算。

3.4.1 光伏組件類型及裝機容量

泰格公寓項目采用的是峰值功率為540 W的單面單晶硅光伏組件，光電轉(zhuǎn)換效率為21.5%，共561塊，規(guī)劃總裝機容量為302.94 kW。

3.4.2 發(fā)電量計算原則

按照GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中發(fā)電量的計算要求，計算泰格公寓項目光伏屋面發(fā)電量EJ，即：

式中：Ax為水平面總太陽輻照量，kWh/m2；Ppv為光伏組件裝機容量，kW；K1為綜合效率系數(shù)，是考慮了各種影響因素后的修正系數(shù)，主要受光伏組件類型、光伏組件表面污染、環(huán)境溫度等方面的影響；K2為標準條件下的太陽輻照度，kW/m2，取值為1。

3.4.3 水平面總太陽輻照量

采用Meteonorm氣象軟件進行分析后可知，泰格公寓項目位于武漢市，該場址區(qū)域太陽能資源的年太陽輻射量屬于“豐富”等級(C級)，太陽輻射量具有年內(nèi)分配較為均衡的特點，主要表現(xiàn)為春、夏季的太陽輻射強，秋、冬季的太陽輻射較弱[3]；該場址區(qū)域的太陽能資源穩(wěn)定度的等級為“穩(wěn)定”(B級)，多年平均水平面太陽輻照量約為1227.5 kWh/m2。

3.4.4 光伏屋面的綜合效率系數(shù)

影響光伏屋面發(fā)電量的關(guān)鍵因素是綜合效率系數(shù)，綜合效率系數(shù)的主要影響因素包括：陰影遮擋損失、灰塵遮擋損失、溫度引起的發(fā)電效率損失、光伏組串失配損失、逆變器的功率損耗、直流電纜功率損耗、交流電纜功率損耗、變壓器功率損耗、跟蹤系統(tǒng)的精度等[4]。根據(jù)綜合效率系數(shù)的影響因素對本項目進行分析，具體如表1所示。

表1 光伏屋面的綜合效率系數(shù)分析表Table 1 Analysis table of comprehensive efficiency coefficient for PV roof

3.4.5 光伏組件衰減率

光伏屋面發(fā)電量衰減的主要原因是光伏組件輸出功率的衰減，光伏組件在光照及常規(guī)大氣環(huán)境中長期使用后，其輸出功率會有所衰減。根據(jù)本項目所使用的光伏組件性能，其第1年的衰減率約為2%，系統(tǒng)運行期每年衰減率為0.5%[5]，到全生命周期的第25年年末，光伏組件累計衰減率約為14.5%。

3.4.6 光伏屋面的發(fā)電量測算

根據(jù)光伏組件輸出功率衰減的要求，計算泰格公寓項目光伏屋面25年全生命周期每年的發(fā)電量及總發(fā)電量，具體如表2所示。

表2 光伏屋面25年全生命周期內(nèi)的年發(fā)電量及總發(fā)電量Table 2 Annual and total power generation capacity of PV roof throughout 25 year life cycle

從表2可知：泰格公寓項目光伏屋面的25年全生命周期中，年均發(fā)電量約為29萬kWh，25年總發(fā)電量約為725萬kWh。

4 光伏屋面在既有建筑改造中的效益分析

泰格公寓項目的效益主要由屋面防水層更新的費用、光伏屋面發(fā)電帶來的直接經(jīng)濟效益，以及光伏屋面發(fā)電帶來的社會效益組成[6]。

4.1 光伏屋面發(fā)電的經(jīng)濟效益

4.1.1 防水層更新的費用分析

屋面防水層每12年需要進行更新，在建設(shè)光伏屋面后，原屋面防水層可以不再進行更新，由此節(jié)省的防水層更新費用成為光伏屋面的直接經(jīng)濟效益。按照2022年市場的防水層價格Dw對泰格公寓項目25年屋面防水層更新費用Cwu進行計算，其計算式為：

式中：Ar為原建筑屋面面積，m2，本項目取6373；Nu為光伏屋面25年全生命周期中原屋面應進行的防水層更新次數(shù)，次。

現(xiàn)有市場的防水層價格為230元/m2，將各參數(shù)值代入式(2)，可以得到泰格公寓項目25年防水層更新費用約為305.37萬元。

4.1.2 光伏屋面的建設(shè)費用分析

按照2022年市場BAPV總承包價格對泰格公寓項目光伏屋面的建設(shè)費用Cpv進行測算，其計算式為：

式中：Dpv為單瓦BAPV組件建設(shè)費用，元/W，本文取4.8；Dr為屋面排水及基礎(chǔ)費用，元/m2，本文取50。

將各參數(shù)值代入式(3)，可以得到泰格公寓項目光伏屋面的建設(shè)費用約為177.28萬元。

4.1.3 光伏屋面的發(fā)電效益分析

按照泰格公寓項目光伏屋面的發(fā)電量全額上網(wǎng)進行測算，其發(fā)電效益Rpv的計算式為：

式中：P25為光伏屋面25年全生命周期的總發(fā)電量，kWh；Pg為光伏屋面的上網(wǎng)電價，元/kWh，本文取0.4161。

將各參數(shù)值代入式(4)，可以得到泰格公寓項目光伏屋面的發(fā)電效益約為301.67萬元。

4.1.4 光伏屋面的運維費用分析

按照泰格公寓項目光伏屋面配置1人維護進行計算，年工資費用約為8萬元，25年總運維費用Po約為200萬元。

4.1.5 光伏屋面發(fā)電的經(jīng)濟效益計算

對上文分析得到的泰格公寓項目光伏屋面的各項費用進行匯總，可以計算得到25年全生命周期光伏屋面發(fā)電的總經(jīng)濟效益Bpv，其計算式為：

將各參數(shù)值代入式(5)，可以得到25年全生命周期泰格公寓項目光伏屋面發(fā)電的總經(jīng)濟效益約為229.76萬元，年均經(jīng)濟效益約為9.19萬元。

4.2 光伏屋面發(fā)電的社會效益

可再生能源是取之不盡、用之不竭的低碳、環(huán)保、可持續(xù)能源。大力發(fā)展可再生能源可減少對化石能源的依賴，達到減碳和保護環(huán)境的目的；同時可帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增加就業(yè)崗位，對環(huán)境和社會發(fā)展起到重要且積極的作用。

泰格公寓項目光伏屋面的年均發(fā)電量約為29萬kWh，解決了區(qū)域人員就業(yè)，同時年可節(jié)約標準煤約為78 t，年可減排CO2約206 t、SO2約0.1 t、NOx約0.09 t。

5 結(jié)論

本文以武漢市城市更新中某老舊小區(qū)既有建筑屋面的防水改造項目為例，對光伏屋面在既有建筑改造中的應用和效益情況進行了研究和分析，得出以下結(jié)論：

1)光伏屋面發(fā)電在提供清潔能源的同時，還可以從根本上解決城市更新過程中既有建筑屋面防水層老化帶來的滲漏問題。光伏屋面應用于既有建筑屋面防水改造，能有效延長既有建筑屋面防水層的使用壽命。

2)在考慮建設(shè)成本的條件下，光伏屋面應用于既有建筑改造中的經(jīng)濟效益明顯，25年全生命周期內(nèi)光伏屋面發(fā)電的總經(jīng)濟效益約為229.76萬元，為老舊小區(qū)注入了新的經(jīng)濟收入增長點，能更好的用于小區(qū)設(shè)施維護。

3)光伏屋面應用于既有建筑改造中的環(huán)境效益較好，可有效降低因使用煤炭帶來的環(huán)境污染，有效降低碳排放，為中國碳達峰和碳中和目標的推進提供了城市更新中綠色能源建設(shè)的技術(shù)路徑。

4)光伏屋面的建設(shè)帶動當?shù)鼐蜆I(yè)的能力較強，可有效提供就業(yè)崗位，為緩解社會就業(yè)壓力提供了一種新的方式。