夏热冬暖地区光伏建筑一体化的新实践

2015-04-23刘玉凤余国保王晓丹罗多陈征

新材料产业 2015年4期

刘玉凤余国保王晓丹罗多陈征

一、概述

1991年，光伏建筑一体化（Building-integrated Photovoltaics，BIPV）的概念被正式提出。简单地讲，BIPV就是将光伏组件或材料作为建筑物的一部分，同时发挥其发电功能[1]。BIPV的出现，实现了光伏发电由边远地区和特殊应用向城市过渡，由集中电站向分布式供电模式过渡，该技术可进一步结合发电侧运行优化和用户侧需求预测管理技术，可以预见BIPV必将成为最具前景的建筑节能技术之一。

BIPV的优点相当明显：①使用清洁能源，减少燃煤发电的使用量，减轻了环境污染；②发电就地使用，减少发输配电过程的损耗；③具有保温隔热及采光通风功能，可降低空调和采暖负荷；④充当建筑物的外围护结构，节约了外装材料，也节省了宝贵的城市用地资源[2]。

我国在2006年6月实施的《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2006）中也明确提出：将可再生能源发电作为绿色建筑评价的最优选项；2014年《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》发布后，各地区积极制定配套政策和实施方案，有力推动了分布式光伏发电的多种方式利用，截至2013年底，我国分布式光伏发电累计总装机容量突破300万kW[3，4]，光伏产品与建筑集成到一起，统一规划、设计和施工，在满足建筑功能的同时，又可产能，是一种先进的绿色建筑技术。目前，光伏建筑一体化的常见应用形式有：光伏幕墙、光伏采光顶、光伏栏杆、光伏百叶以及光伏小品。光伏百叶在建筑的应用实例较少，大面积应用的情况更是屈指可数。

二、实践案例

佛山市顺德区第一人民医院易地新建项目光伏发电工程，是一个光伏建筑一体化应用的典型案例，该项目在立面大面积使用光伏百叶的元素，并且在建筑群屋面的花架安装了光伏系统，在不改变建筑外观的前提下，既为建筑供能，又成为夏热冬暖地区建筑必不可少的遮阳构件。

该项目位于广东省佛山市顺德区（地区环境温度：年平均温度22℃，最高气温39.3℃，最低气温达4.1℃；日照时间：年均日照1 489.2h，全年平均辐射量5 361.1MJ/m2），在顺德

第一人民医院的立面和屋顶安装光伏发电系统（其中立面面积10 360m2），共安装光伏百叶9 807块，光伏组件2 464块，总功率1 013.6kW。

该项目光伏系统的安装区域分为屋面花架和立面2个部分。其中，屋面花架分别有1#、5#、6#、7#楼，立面分别有1#、2#、3#、5#、6#、7#楼。该案例中，建筑设计和防雷措施见下分析。

1.建筑设计

（1）屋面花架光伏系统

屋面花架作为建筑结构的一部分，其作用主要是装饰，少部分可以遮阳，这在建筑设计中是一个非常常见的元素。然而，这类飘板、格栅、花架等，往往是不具备遮阳、导光、导风、载物、辅助绿化等功能作用的装饰构件。在花架安装光伏系统，特别是已建建筑，是改变花架使用功能的重要手段，使其既保持观赏性、遮阳，还可以发电，为建筑产能。以顺德第一人民医院为例：

①安装区域

该系统安装于顺德第一人民医院1#、5#、6#、7#楼的花架上。该医院建筑群设计的花架凸出于建筑，只具框架不具有功能，安装光伏系统以后，不会改变现有建筑造型和外观，不仅使其成为建筑的遮阳构件，而且还可以发电。

②结构安装

光伏系统利用花架梁为主体梁，Z型钢为次横梁，通过后置连接埋板固定次横梁于花架梁上，形成光伏系统龙骨结构，支撑上部光伏组件。光伏组件通过不锈钢螺栓与次横梁有效连接。经计算，符合建筑结构相关规范。安装节点详见图1。

（2）立面百叶光伏系统

光伏幕墙、光伏百叶是光伏系统在立面运用的主要形式。相比于幕墙，百叶有其独有的特点：可根据不同地区太阳高度角以最佳倾角安装、通风、遮阳、可以安装在普通幕墙外起到装饰建筑的效果。以顺德第一人民医院为例，介绍光伏百叶在建筑的运用。

①建筑设计

顺德第一人民医院建筑群的设计是在玻璃幕墙外安装光伏百叶。此种设计决定了光伏百叶分格必须服从于玻璃幕墙的分格。而因建筑造型或使用功能的原因，玻璃幕墙的分格有多种尺寸，使得光伏百叶组件的尺寸多达15种。整个建筑群共安装光伏百叶组件1 369块，总功率1 013.6kW。

经过阴影分析和计算，确定光伏百叶的最小间距为650mm，倾角为15°，见图2所示。

②结构安装

光伏百叶的立柱必须与建筑玻璃幕墙的竖向分格缝对齐，在层间与建筑结构连接，在能满足结构安全的同时，使整个系统与建筑形成有机整体。

光伏百叶因其结构特点，不可能使用幕墙框架结构来安装。通常玻璃百叶的安装，归纳起来通常为2种形式，一是点玻式，二是夹板式。点玻百叶安装方便、形式美观，适应绝大部分安装环境，但是价格昂贵。夹板式则需要在合适的安装环境下使用，才能达到形式美观、安装方便的效果，但其价格相比點玻式便宜不少。该项目使用了夹板安装技术，安装节点见图3。

2.防雷措施

光伏系统安装在建筑的外围，特别是屋顶，位置高金属结构多，很容易遭受雷电袭击。为避免昂贵的光伏组件和逆变器受到损伤，系统的防雷很有必要。光伏系统飞防雷可分为2个部分：第一，外部选用热镀锌圆钢与主体结构的防雷体系可靠连通，连接的长度不小于120mm。这种防雷思路，主要是依托建筑主体的防雷体系，将遭受的雷电转嫁给建筑主体，依靠建筑本体的防雷体系消除雷击的危害。要特别注意的是，如果选用避雷针或其他高于光伏组件的防雷方式，应避免在组件表面产生投影，影响光伏发电的效率。第二，安装浪涌保护器。在逆变器的每路直流输入端、防雷汇流箱、并网接入控制柜等进行一级防雷保护，安装防雷保护器，设计防雷模块，安装防雷过电压浪涌保护器，减少电涌和雷电过电压对设备造成损坏。屋面防雷节点见图4，立面防雷节点见图5。

三、设计执行的行业标准和规范

该项目所用的光伏组件及幕墙玻璃需满足各自相应产品和工程（包括光伏组件、建筑安全玻璃等）的测试标准，光伏系统设计主要参考《顺德区建筑太阳能光伏系统设计导则》2010（试行）、《顺德区建筑太阳能光伏系统规划与建筑设计导则》2010（试行）、《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》（JGJ 203-2010）、《光伏发电站设计规范》（GB 50797-2012）、《光伏系统并网技术要求》（GB/T 19939-2005）和《光伏发电站接入电力系统技术规范》（GBZ 19964-2005）等标准为设计依据，严格按照其规定的强制性条文执行。该项目为在既有建筑物上增设光伏发电系统，经过对其建筑物结构和电气的安全复核，满足建筑结构及电气的安全性要求，参见相关文件。

另外对于建筑节能和采光的要求，BIPV建筑的设计必须满足《公共建筑节能标准》（GB 50189）对于节能和传热系数的规定；BIPV工程的设计必须满足《公共建筑节能标准》（GB 50189）对于遮阳的规定和《建筑物采光设计标准》（GB/T 50033-2014）对于采光的规定。

四、结语

BIPV系统具有良好的社会效益，可节省燃油标准煤，减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放和因火力发电产生的粉尘，节约净水。经计算，顺德第一人民医院光伏系统的年发电量1 132 000kWh，可省燃油295t或节省标准煤407.5t，这也意味着少排放1 128t的二氧化碳及13.3t的二氧化硫，同时减少因火力发电产生的308t粉尘，节约4 528t净水。

光伏组件作为屋面花架和光伏百叶，可以成为夏热冬暖地区建筑的一个观赏点和具有遮阳功能的构件，同时，光伏发电是一种可再生清洁能源，光伏建筑一体化是值得大力推广的绿色建筑技术，广泛适合于医院、体育馆、酒店及火车站台等公共建筑。BIPV光伏工程在其产品和工程设计过程中，须执行严格的建筑和电气安全标准，还需满足建筑节能和采光规范要求，因此同步规划、同步设计、同步施工和同步验收、运营，有利于BIPV工程的施工质量和高品质运行。