太阳能建筑适配性设计

赵 晖, 郭格静

(长春工程学院 建筑与设计学院, 吉林 长春 130012)



太阳能建筑适配性设计

赵 晖, 郭格静

(长春工程学院 建筑与设计学院, 吉林 长春 130012)

通过多晶硅太阳能电池板与住宅屋顶适配性设计分析，提出了针对严寒地区该试点工程的适配优选方案，通过数据分析对比，对试点工程预计的经济效益和环境效益做出评估。

光伏技术; 太阳能建筑; 适配性

0 引 言

太阳能光伏发电是21世纪科技发展的前沿，世界各国政府都大力支持太阳能产业。对我国来说，可持续能源的利用已经是能源发展的趋势，太阳能技术与能源大户----建筑的结合意义更为重大。太阳能建筑的发展不但可以降低建筑能耗中释放的二氧化碳量，对保护大气环境意义重大，而且还可以降低对常规石油、煤炭等能源的消耗，缓解甚至彻底解决能源危机的威胁。与此同时，我国对太阳能新能源的扶持政策也在不断更新和完善，光伏技术建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic， BIPV)在中国将有令世界瞩目的发展前景。

光伏技术建筑一体化在建筑上安装光伏系统，经过专业人员设计实现二者有机的结合[1]，同时也是世界光伏发电最重要的应用领域，是可再生能源法的重要组成部分，PV专家需和建筑专家紧密合作，有机结合，促进光伏建筑一体化的发展。

吉林省目前的太阳能光伏发电项目的总装机容量20 万kW，到2020年，太阳能发电装机总量争取达到100 万kW。总体来看，吉林省的太阳能光伏与建筑的结合有很大的发展空间和市场潜力。

1 适配性设计分析

1.1 适配性设计原则

1.1.1 功能性原则

功能性应包含太阳能光伏系统本身的功能和建筑本身的设计技术，不仅在建筑表面上有美的形式，还要保证结构安全，实施的可行性[2]。

1.1.2 美观性原则

从美观性来讲，太阳能发电板需要经过合理的设计，才不会成为建筑上多余的附属物，才不会破坏建筑的造型。分体式的热水系统与建筑结合程度较好，可以将太阳能发电板作为建筑表面的构件，事先将水箱、辅助加热器等放置在住宅闷顶内，融入到建筑中。

1.1.3 适宜性原则

进行热水系统与建筑一体化设计时需要确定热水供应系统的选择，要综合占用空间与建筑的结合性，笔者为此坡屋顶建筑选择了集中-分户式相结合的太阳能热水系统，集中式只需整体安装统一的太阳能光伏板和储热水箱，维修管理由相关技术人员和物业部门实行，采用分户计量的热水方式，使住户购买、安装、维修维护方便、降低运行费用和热水成本，同时经济上也得到了实惠，因此，在技术上应该根据适宜性原则，综合长春地理位置，综合小区现状，选择适宜严寒地区居住建筑的技术[3]。

1.1.4 安全性原则

太阳能发电板在安装布置时应与建筑中有一定刚度的实体结构连接,要牢固，还需考虑自身重量给屋面带来的荷载，保证屋面的防水保温等性能，维修保养人员的安全保障，要设计必要的安保措施，将作业时的困难和隐患降到最低 。

1.2 项目调研

研究期间对吉林省长春市当地的太阳能光伏发电项目做了调研，该项目位于长春市朝阳区修正路与震宇街交汇南200 m，地理位置为北纬43.825°，东经125.295°，项目设计单位是中电电气光伏电站事业部，该太阳能光伏发电项目的发电系统采用用户并网发电系统技术方案，该项目的总装机容量为52.25 kW，太阳能电池板顺支架平面安装。光伏发电站的优点是无污染、建设周期短、维护简单、能源质量高、稳定性好、使用寿命长和不受太阳能资源分布地域性的限制。

该项目屋顶总计有200块太阳能电池板，板与板间隔20 mm，经板底接线盒串连共同发电，其中单晶硅太阳能电池板共计90块，每块单晶硅太阳能电池板功率为275 W，型号为275W-60M,多晶硅太阳能电池板共计110块，每块多晶硅太阳能电池板功率为250 W,型号为250W-60P,经技术人员日平均发电量1 kW·h(即1°电)，国家补助为0.14 元/(kW·h)，并网卖电价格为0.88 元/(kW·h)，按市场价格每4元/W的价格，每块板价格约为1 000元，太阳能电池板标准发电条件为25 ℃，可承受的最低温度为-50 ℃，屋顶每天的总发电量最大为350 kW·h，年平均每天的总发电量为200 kW·h，屋顶系统运行第1年各月总发电量统计见表1。

表1 第1年各月实际发电量统计表

2 关键技术设计方案

2.1 拟应用项目概况

2.1.1 场地分析

本次试点工程所在气候分区为严寒C区，其六联排别墅具体位置距离飞跃路上的倚澜观邸的主入口较近，为长春海外学人创业园----倚澜观邸(二期)C区项目总平面图，如图1所示。

图1 总平面图

图中，整个基地形状呈三角形，东北边和东南边为城市主干道，交通便利，基地内所有建筑都统一朝向，规划整齐有序，西边水景为景观带，图中标注区域内别墅即为本次B区试点工程“长春海外学人创业园住宅”，其基地西北方向是天然湿地公园，氧气清新，大片水域能够调节微气候；东边为保留绿地和大片白桦林，有效隔绝飞跃路十字环岛上汽车尾气带来的污浊空气；南边为倚澜观邸B区其它联排别墅，日照采光经“SUN日照分析软件”分析，获得日照房间的日照时间均满足大寒日满窗日照实数至少2 h以上的要求，楼间距采光满足要求。

2.1.2 建筑设计

本试点工程地处严寒C区，建筑体形系数为0.39，并且严格按照居住建筑标准节能65%设计，所有外露混凝土构件均外包40厚EPS保温板，保证外保温完整闭合，耗热量指标为19.87 W/ m2,耗煤量指标为15.80 kg/m2。外墙窗比为南：0.30，北：0.26，东：0.04，西：0.08，窗传热系数为2.20 W/(m2·K)，屋顶传热系数为0.35 W/(m2·K)，节能墙体传热系数为0.36 W/(m2·K)，挑空楼板传热系数为0.35 W/(m2·K)，控温地下室外墙导热阻2.39 m2·K/W。建筑外门窗气密性为6级，水密性为3级，抗风压性能为3级，传热系数等级为6级，隔音性能为3级。效果图如图2所示。

2.1.3 日照分析

拟建住宅主日照面上的卧室、起居室(厅)均满足大寒日不低于2 h的日照标准；现状住宅主日照面上的卧室、起居室(厅)有30个窗户拟建前不满足大寒日2 h日照标准，拟建后日照时数没有变化；其它的卧室、起居室(厅)均满足大寒日不低于2 h的日照标准；拟建建筑客体范围内规划建筑主日照面上的卧室、起居室(厅)沿线均满足大寒日不低于2 h的日照标准。

试点工程具体标准及依据如下：

国家有关标准规范：根据国家有关标准规范《住宅设计规范》GB 50096-1999(2003年版)中规定：每户住宅至少有一个卧室能获得日照，当一户住宅中总卧室数量超过4 h，其中宜有两个获得日照，其住宅建筑日照标准见表2。

图2 效果图

表2 住宅建筑日照标准

吉林长春是Ⅰ类气候区，因此获得日照的房间的日照时间应满足大寒日满窗日照时数至少2 h以上的要求。

住宅建筑窗户有效日照计算标准：一般窗户以外墙和窗台相交线为计算基准线；异形窗户、凸窗和飘窗以外墙与窗洞口的相交线为计算基准线。两侧均无隔板遮挡,也未封闭的凸阳台，以居室窗户的外墙与窗台相交线为计算基准线；建筑工程建造时设计封闭的阳台，以封窗的阳台栏杆为计算基准线；阳台被住户自行封闭的，计算点仍为外墙与原窗台相交线；两侧或一侧有外墙的凸阳台、凹阳台以及半凹半凸阳台，以阳台栏杆与外墙相交线为计算基准线；形式复杂的窗或阳台按上述要求较难确定计算基准线时，取窗户或阳台日照较好的基准线为计算基准线。

2.2 太阳能电池板倾角的选择

在光伏建筑一体化系统的设计中，文中采用固定式安装太阳能光伏系统，对于固定式安装的太阳能系统，方位角与倾斜角都尤为重要，较小的太阳能电池板倾角有助于夏天的能源利用，较大的太阳能电池板倾角则有助于冬天的太阳照射，太阳能电池板安装的倾角会影响太阳辐射量的接受量、发电效率、太阳能光伏发电板阵列安装密度和有效的发电面积，太阳能光伏电池在太阳光入射角为90°时，发电效率最大[2]。北半球的建筑3月份至9月份的倾角应与当地纬度保持一致，5月份的倾角应与当地纬度少10°，12月份的倾角应与当地纬度多10°，这种情况下可以获得全年最大的发电效率。综上所述，依照长春北纬43.9°地理位置的现状，屋顶坡度的倾角范围应为34°～54°之间，设计师综合建筑美观与排水，最终设计该试点工程住宅屋顶太阳能电池板的倾角为34.9°，符合太阳能光伏电池接收太阳辐射能的倾角条件[4]。

试点工程太阳能电池板的安装倾角为34.9°的情况下，其表面的灰尘会容易在下雨和下雪的时候被雨水和雪水带走，从而减小太阳能电池板的清洗次数，同时雨水和雪在有角度的板面不易存留，防止增加板面及屋面荷载以及长期大量的积水在玻璃上留下印记，进而影响太阳能电池板的外观和性能。

2.3 适配性细部构造节点设计

住宅屋顶是太阳能光伏电池最佳的安装位置，本住宅采用独立太阳能光伏屋顶，其太阳能光伏系统与屋顶相对分离，光伏电池板在屋顶形成独立的光伏阵列，阵列只需考虑与建筑屋面造型的适配性、对发电的要求、对保温、对防雨雪的功能[5]。其中,多晶硅太阳能光伏电池与屋顶的结合是1+1>2的关系，有利于屋面的通风和保温作用，笔者将光伏电池巧妙地与住宅坡屋顶有机结合，使光伏电池部件融入建筑中，使其太阳能系统成为住宅不可分割的一部分，不影响住宅的美观、防水和保温效果，光伏电池与住宅的结合使两者都更加具有魅力。光伏电池组件的比例和尺度与住宅屋顶整体比例和尺度吻合，进而保证光伏电池规格符合建筑模数化要求，细化光伏构建与建筑结合的构造。与独立的别墅比较，六联排别墅有较大的体量，同时就会产生较大的外表面积，加上其是由类似的单元组成，容易形成韵律，具有条理性、重复性和连续性，特别是与光伏电池结合后与周围建筑材质的对比，在质感上的变化能表现出很强的节奏感，可以形成很有韵律感的连续第五立面，文中结合试点工程屋面南向的多变造型以及厂家可以提供制作多边异形多晶硅太阳能电池板的条件，屋面多晶硅太阳能电池板板重共78 kg,屋面主要分为3种形状的多晶硅太阳能电池板，规格分别为2 380 mm×990 mm×40 mm的方形多晶硅太阳能电池板，规格为斜边3 366 mm×直角边2 320 mm×直角边2 380 mm×厚度40 mm的直角三角形多晶硅太阳能电池板和规格为1 770 mm×3 345 mm×40 mm的平行四边形多晶硅太阳能电池板。分别如图3和图4所示。

图3 屋顶电池板布置图

3 应用技术效益评估

3.1 经济效益评估

试点工程屋顶安装总装机容量共计为15 kW，根据主要分为3种形状的多晶硅太阳能电池板，规格分别为2 380 mm×990 mm×40 mm的方形多晶硅太阳能电池板，规格为斜边3 366 mm×直角边2 320 mm×直角边2 380 mm×厚度40 mm的直角三角形多晶硅太阳能电池板和规格为1 770 mm×3 345 mm×40 mm的平行四边形多晶硅太阳能电池板阵列，从使用者的角度出发，他们最关心的是太阳能电池板的实际发电量，按照笔者调研数据计算，调研项目中的屋顶每块规格为1 640 mm×990 mm×40 mm多晶硅太阳能电池板的日平均发电量为1 kW·h，每块多晶硅太阳能电池为250 W，那么总装机容量为15 kW的发电量为60 kW·h，按照国家和吉林省太阳能光伏发电补贴共计0.29 元/(kW·h)计算，平均每天可以获得17.4元补助，每年可以获得6 351元补助，如果余电上网卖掉，价格为0.88元/(kW·h)，根据太阳能光伏电池板的价格按功率(W)计算单价的标准，市场价格4元/W，屋面15 kW的多晶硅太阳能电池板的价格共计为6万元，每年发电量共计21 900 kW·h，按长春民用建筑电费0.56元/(kW·h)计算，每年节省1.226 4万元，加上国家和吉林省补助的费用，每年共计节省1.861 5万元，预计3.3年就能收回屋面多晶硅太阳能电池板的成本，其后21.7年寿命期内预计可以获得利益40.394 55万元。

图4 构造详图

3.2 环保效益评估

太阳能是取之不竭的能源，每天在地球上的照射量相当于全世界所需能源的三千多倍，然而，无法再生、用完就没有的化石燃料却是我们主要的能量来源，而且，因为化石燃料所产生的环境问题，例如空气中的酸雨、污染、温室效应气候变化等，这些都是确定的事实，不过，这些问题似乎都还不算严重，所以，世界每年的化石燃料使用量仍然不断上升，再过不久，这些化石燃料的蕴藏即将殆尽，世界各国的能源战争也早已上演[6]。因此，促进使用和研发太阳能的政策，不仅是着眼于环境保护，更是一种促进世界和平的贡献。

环保效益主要对环境的优化有利，从节能减排的角度分析，太阳能光伏发电是真正的零排放和零污染，有良好的环境效益。从能够改变局部生态的角度分析，吉林省总体干旱少雨，安装太阳能电池板后，对减少水分蒸发起积极作用，对民生有利，对经济可持续发展亦有利。

据相关数据总结，每节约1 kW·h电，就相应地节约了0.36 kg的标准煤，同时减少污染排放0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳(CO2)、0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015 kg氮氧化物(NOX)。

综上所述，试点工程25年总发电量为547 500 kW·h，全部为自发自用，该发电量与相同发电量的火电厂相比，25年共计可以节约标准煤197.12 t，同时每年可以减排二氧化碳545.84 t、氮氧化物8.2 t、二氧化硫16.4 t、粉尘0.52 t、碳粉尘148.92 t。

综上所述，该试点工程的实施成功地为吉林省长春市的节能减排做出了贡献，具有良好的经济、社会和环境效益。

4 结 语

吉林省太阳能产业发展起步较晚，需要站在能源战略的高度，加速发展战略性新兴产业，明确太阳能光伏产业与建筑结合的积极意义[7]。太阳能建筑一体化还有利于电源结构的优化，吉林省光伏发电在二次能源中还处于空白阶段，如果能够做到太阳能光伏与建筑大量地结合，并网发电，与在二次能源中占18.8%的风力发电互补，做到“风光互补”，还能进一步促进吉林省二次能源的优化。

提高对太阳能光伏建筑一体化产业的普遍认识，这不但对调整太阳能建筑一体化产业结构，对整个吉林乃至全国的能源结构有益，而且还对改善环境，低碳经济，加速实现节能减排等政策起到积极促进作用。光伏发电是比较有前景的新能源发电技术，自身很难起到主导作用，但与能源大户结合起来，能造福子孙后代，缓解能源压力，前景意义深远。

[1] 张兴科.光伏发电与经济结构调整[J].科技和产业，2011，11(5)：18-21.

[2] 张志刚，魏璠.节能住宅太阳能技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2015：21.

[3] 杨洪兴，吕琳.太阳能建筑一体化技术与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2015：408-420.

[4] 赵晖.严寒地区办公建筑太阳能技术应用研究[J].东北师大学报：自然科学版,2012(4):65-68.

[5] 慧尔.能源辞典[M].北京：化学工业出版社，2010：95.

[6] 朱北仲，李晓龙.加快我国光伏建筑一体化发展若干问题探析[J].建筑，2012(4):21-23.

[7] 邓晓敏，沈辉.屋顶计划催生光伏瓦[J].太阳能，2012(6):24-25.

Study on Solar Building Suitability

ZHAO Hui, GUO Gejing

(School of Architeccture and Design, Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China)

By analyzing the suitability of Polycrystalline silicon solar cell to the and residential roof, we put forward an adaptation optimization scheme for the severe cold area. With data analysis and comparison, the economic and environmental benefits of the pilot project are evaluated.

solar thotovoltaic technology; solar buildings; suitability.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.1.19

2016-11-08

吉林省科技厅基金资助项目(2015020315SF)

赵 晖(1967-)，男，汉族，吉林长春人，长春工程学院副教授，主要从事建筑设计及其理论、建筑技术方向研究,E-mail:zhaohui_67@163.com.

TU 201.5

A

1674-1374(2017)01-0098-07