光伏在绿色建筑规划设计阶段的实践探索

摘要：近年来，随着新建建筑中绿色建筑比重要求越来越高，建筑绿色规划设计量大幅增加。光伏发电系统因技术成熟可靠，施工交接面简单，管理成本低，度电成本大幅下降，在可再生能源利用领域优势明显，因而得到了广泛应用。在规划设计实践中，通过与建筑各专业沟通交流，加上实际项目的操作和实施反馈，发现有一些共性的问题和经验值得考量。现以XX星级酒店的BIPV光伏项目为实例，探讨光伏在绿色建筑规划设计阶段出现的相关问题及解决办法。

关键词：绿色建筑;光伏技术;离并网;建筑友好;经济性

0    引言

光伏发电受惠于国家政策的大力支持和行业技术的不断进步，应用技术已经非常成熟。光伏发电的能量来自太阳能，其将太阳能转化为电能，可以说有阳光、有用电的地方就可以应用光伏技术，因此建筑应用光伏技术顺理成章。未来，建筑将从单一的能源消费者逐渐变为集能源生产者和能源消费者于一体，在绿色电力替代、绿色建筑甚至零碳建筑不断推进的背景下，建筑+光伏将扮演愈来愈重要的角色。规划设计阶段是降低成本、保障建筑结构和建筑美观最有效的阶段，在规划阶段系统考虑光伏设计具有重要意义。

1    光伏技术在绿色建筑中的应用

在绿色建筑范畴内，光伏发电技术根据系统是否并入配电网，主要分为并网光伏系统、离网光伏系统以及离并网混合系统。其中，并网光伏系统根据是否倒送电网又细分为自发自用、余电上网型和并网不上网型两类，以下逐一展开来说。

并网光伏系统一般由太阳能光伏组件、并网型逆变器、并网防雷箱（柜）、支架系统、平台监控系统等组成。并网逆变器是将直流电转化为与电网同频率、同电压、同相位的交流电。并网不上网系统就是并网用户侧配电网络，但通过技术手段使其多余电量不倒送至主网。该类系统造价低、技术成熟、维护简单，特别适用于电网稳定、用电量大的常规用户。

离网光伏系统一般由太阳能光伏组件、太阳能控制器、蓄电池单元、离网型逆变器、离网配电箱（柜）、支架系统、平台监控系统等组成。离网系统脱离主网运行，蓄电池的增加导致系统成本大幅增加，运维中蓄电池替换成本高昂，逆变器的不平衡带载能力要求高，系统效率低;但是其不依托于电网的情况，特别适用于电力缺乏或电力不稳定的用户。

离并网系统一般由太阳能光伏组件、双向储能变流器、蓄电池及管理单元、离并网配电箱（柜）、快速开关柜（无缝切换时需要）、支架系统、平台监控系统等组成。系统既可并网运行也可在一定条件离网运行，功能上看是离网和并网的综合集成，应用复杂，成本高，运行中对维护人员要求高，相对更适用于电网安全要求较高的场合。

通过以上分析可知，光伏并网系统因为设备安装环境要求低、系统成本低、经济性好，技术成熟、无易损件、维护成本低等特点，在绿色建筑项目中无疑是最主要的应用形式。

当然，光伏除实现可再生能源利用外，还兼具夏季遮阳、冬季保温的作用。对于建筑物，根据研究人员分析，这些组件使到达屋顶的热量减少了约38%，屋顶安装光伏前后夏季温差达到5～7 ℃，间接减少了3%～12%的能耗。

2    上海XX酒店綠建项目实践

上海XX酒店项目规划设计为2级别绿色建筑。节能设计方案经过充分讨论，考虑到本项目附近有分布式能源站项目，部分热水和冷能需求可以满足要求。在可再生能源利用方面，须使用光伏发电获得不低于8分的分数，根据上海绿色建筑评定标准，经测算光伏安装容量不低于240 kWp。容量确定后，规划设计阶段各专业需有效沟通并给出光伏在酒店绿色建筑应用的技术方案，这本质上是围绕如何做到光伏对建筑友好来展开的。

2.1    规划阶段

规划阶段主要就以下问题给出方案：光伏参与绿色建筑的应用诉求及容量需求;建筑与光伏采取的结合方式——BIPV/BAPV;光伏项目是否经过审批;既有或潜在遮挡因素对光伏的影响;光伏采用何种电池技术;光伏消纳方式等。

规划阶段重点针对节能设计过程中绿色建筑评定时对对应项目的得分来确定光伏发电的安装容量。根据要求，由可再生能源提供的电量比例3%≤Re≤4%。根据估算，项目竣工投入使用后，每年可消耗电量约750万kWh，按照光伏年平均利用小时数1 095 h计算，光伏安装容量不低于242 kWp，系统效率82%，考虑到光伏的衰减因素，寿命周期内，每年可发电23.87万kWh，Re≈3.2%，满足要求。光伏与建筑屋顶保持扇形排列，为BIPV项目。周围无既有高大建筑物，也没有建设高楼、塔状物等对光伏发电有严重影响的规划。目前，晶硅电池技术获得了更好的应用，占有率优势极大，发电技术采用转化效率适度超前的高效单晶半片技术，以抵消建设周期内光伏效率不断提高的影响。

2.2    电气专业

电气专业主要包含以下几个问题：电网电压等级;并网点选择以及并网箱（柜）的位置设置;屋顶电缆敷设;防雷接地。

根据光伏安装容量240 kWp及设备安全配置，可视光伏发电项目为“负”负载，采用低压侧380 V并网。并网点位置是需要特别说明的，它极大地影响着电缆的成本和线损的控制。在以往的经验中，很多设计院将并网点设置在总配电室，对于楼层比较高的安装项目，这样做将产生较大的电缆成本和线损。光伏在建筑类项目设置的初衷，除满足绿色建筑要求外，主要是将太阳能光伏所发的电自行消纳。从逻辑来看，光伏作为电源放在总配电室无可厚非，但其技术实现并不受并网点的位置限制，从成本和线损考虑，在满足电气规范的基础上并网点的位置是可以选择的。上海XX酒店项目最后将并网点放在了屋顶设备配电间，经核算电缆容量也可以达到要求，且减少了2/3以上的交流电缆成本，线损减少1%以上，施工过程交接面也更简单，施工速度更快更可控，系统成本降低，一举多得。

2.3    建筑专业

建筑专业主要包含以下几个问题：可用面积与光伏板实际面积的匹配;女儿墙、排气管、建筑美学要求;室外屋顶设备对光伏遮挡的影响;设备布置位置影响;排气/水/汽对产品的影响;管道预留或预埋;防水问题。

每个项目屋顶上的应用需求都比较多而杂，比如屋顶设备机房、女儿墙、排风/水设施、中央空调外机、新风外机、屋顶造型、广告牌、接闪器或其他功能等，因此留给可再生能源利用的空间可能很紧张。该项目就出现了受设备层排烟孔、设备预留吊装安装空间影响，屋顶可用面积非常有限的情况。解决办法：放弃按照最佳倾角进行敷设;使用更高效率的组件进行布置安装;在光伏组件平铺才能满足要求与牺牲一定量的发电量之间做出平衡;在设备层基础上增大格栅的结构标高来创造新的安装空间;维护通道在可控范围内适当减小。

管道预留部分包括电缆在配电间穿墙或穿屋顶时穿线孔的预留。该酒店项目因屋顶层有强电间，需要预留好到配电间的镀锌钢管穿线管。

屋顶防水层的保护及维护。防水问题一直是建筑项目的难题之一，其一旦出现责任也很难界定，新建建筑项目在规划阶段要想好这个问题。与结构层预埋可能会带来预埋件探出基础部分的防水问题，预制式基础可能在后期维护中带来较大的工作量，互有利弊。强烈建议：在未来绿色建筑的可再生能源利用中，规划阶段有所倾斜地将设备基础及本体相对集中安装于屋顶北侧，以便为光伏发电、太阳能热水等可再生能源利用或新增留出空间;同时，屋顶上各种设备包括光伏发电和其他基础统一规划布置，以便更加充分地利用屋顶资源。

2.4    结构专业

结构专业主要包含以下问题：不同支撑结构下的系统承重诉求。

采用屋顶结构层预埋现浇的基础和后期预制的基础（承载式基础）产生的载荷差异巨大，特别是在沿海多强风区域更为明显。后者相比前者，光伏安装区域每平米增加20～50 kg/m2的载荷，后者需要向结构工程师确认是否满足设计要求。

光伏自身结构部分由专业负责，要特别注意在运行中防腐措施的巡视、补足或加强。结构件建议采用304不锈钢，达克罗和镀锌螺栓需要严把质量关。

考虑到以上几点，上海XX酒店项目敷设防水层后，采用独立条形基础布置，考虑到抗震等因素，各独立基础再通过连接件进行固定，固定件采用不锈钢连接件。

2.5    给排水专业

对给排水专业来讲，屋顶的雨水、冷凝水等排水设施需要与光伏的基础布置相匹配。

屋顶光伏的设备基础在布置时需要规避排水沟槽如天沟，防水坡的交界处是需要注意的地方，要防止产生不必要的受力形变造成结构失稳等情况。在上海XX酒店项目中，基础通过适当的平移保证不影响雨水排水功能。

2.6    机电专业

机电专业主要包含光伏监控系统及BA监控系统的接口预留两部分。

上海XX酒店项目光伏监控系统采用云平台，支持手机App和电脑终端在可上网环境下随时调看。平台通过数据挖掘技术能更高水平地监测光伏运行状态并给出基于专家算法的维护结论，大大降低了维护成本，减轻了对运行人员的技术要求。智能表计和并网逆变器均支持BA系统的通信扩展要求。

2.7    其他要求

除以上各专业的要求以外，对于业主对系统成本、品牌诉求、施工节点要求、施工进度要求、施工过程交叉、运维便利性和可得性等方面都需要做详细的沟通和研判。

系统成本可以通过更加优化的布局、多个专业的平衡或博弈以及施工界面的合理控制来降低。在上海XX酒店项目中，通过多次协调和沟通，通过对电池板的布局、并网点的选择进行调整，原光伏基础的钢板取消，改为格栅方案，由最擅长的土建专业来完成基础的制作和养护，设备层格栅的标高起高等措施降低了28%以上的成本，取得了很好的效果。

3    结语

本文基于上海XX酒店项目的操作实例，对光伏在綠色建筑规化设计阶段可能遇到的问题进行了分析和说明，为绿色建筑光伏应用做到建筑友好、经济性优、维护智能给出了参考方向。光伏技术仍在不断进步中，系统成本仍然有一定的下降空间，在规划设计阶段就进行充分的沟通和优化，光伏应用在未来的绿色建筑甚至绿色建筑的“高阶”——超低碳排放建筑、“零能耗建筑”中必将扮演更重要的角色。

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收稿日期：2020-04-21

作者简介：杨晓光（1987—），男，山东东营人，工程师，研究方向：新能源发电、微电网以及综合能源服务。