光伏建筑一体化(BIPV)在工业厂房的应用分析

2021-01-29罗涛魏振力杨玺

智能建筑与智慧城市 2021年1期

罗涛，魏振力，杨玺

（1.云南能投新能源投资开发有限公司；2.中国建筑第七工程局有限公司；3.云南省能源研究院有限公司）

1 引言

光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaics，BIPV）技术是将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。作为绿色建筑的主流形式，BIPV 具备减少能源消耗、降低建筑造价、节约土地资源等诸多优势，能完美实现“光伏+绿色建筑”一体化应用，高度契合全球绿色建筑发展潮流。近几年我国“超低能耗、近零能耗建筑”理念的提出及推动，为BIPV 产业的发展带来了新的发展空间。工业厂房使用BIPV 技术具有获得额外电价收益、节能减排、隔热降温、节省传统彩钢瓦屋顶投资等优势，将成为建筑能源发展的趋势。

2 光伏建筑一体化屋面系统

建筑行业是我国能耗产生的主要领域之一，改变建筑高能耗格局已成为推动我国建筑行业高质量发展的当务之急。近几年，伴随着能源生产和消费革命、供给侧结构性改革、绿色发展等国家战略实施，光伏和建筑融合已成为必然趋势。全国现有工商业（含公共建筑）屋顶可安装光伏总面积约60 亿㎡，立面约16 亿㎡，合计近80 亿㎡，光伏屋顶潜力巨大。

2000 年初提出光电幕墙应用形式的光电建筑，作了一些示范项目，由于早期的光伏材料与建筑融合度不够，光电建筑项目主要是光伏材料生产厂家主导，且没有制定相应的标准，只能参照地面电站相关标准，部分项目取得了一定的应用效果和示范效应[1]。但由于早期光伏发电成本较高、缺乏国家统一的技术标准和相关认证，大部分项目均没有达到预期结果。截至2018 年底，国内BIPV 市场累计装机容量仅1.1GW，远远跟不上分布式光伏的发展速度，市场规模不足50 亿元，行业仍处在孕育阶段。

以往的在工业厂房应用的光电建筑一体化，大多数是“建筑附加式光伏”(BAPV: Building attached PV)模式，采用分期建设，建筑土建施工完毕，彩钢瓦屋顶安装结束后，后期在屋顶安装组件支架和其他设备，需要增加不必要的投资，屋顶结构会限制光伏的设计安装，而且美观度不足。随着光伏技术的发展，目前很多工业建筑采用“建筑集成式光伏”(即BIPV)模式，采用特殊设计的集成式BIPV 光伏组件作为建材，直接取代原有屋顶。

3 光伏建筑一体化在工业厂房应用的优势

工商业屋顶是安装光伏发电的优质载体，屋顶面积大、工商业电价较高、标准化、节能减排、隔热降温等都是工商业屋顶安装光伏发电的动力。

3.1 额外的发电收益

假设一个1 万㎡的工业厂房采用BIPV 设计，安装了1.2MW 的组件和配套发电系统，总投资不到500 万元，资源一般的地区每年发电144 万KW ·h，若能全部自发自用，按照白天工商业用电平均0.8 元（/KW ·h）计算，则每年可节省115 万元的电费，不到5a 即可回本。

3.2 节省厂房屋顶的成本

新建工业厂房屋顶，不需要安装彩钢瓦，直接在屋顶安装光伏BIPV 屋顶发电系统，节省彩钢瓦的购置和安装成本；对于彩钢瓦寿命到了需要更换的工业厂房屋顶，不需要改变厂房原有结构设计，不需要额外增加屋顶承载，直接用光伏BIPV 屋顶予以替换。彩钢瓦成本基本在每平米100 元左右，BIVP 通过完美替代传统屋顶从而节省屋顶成本。

3.3 更长的使用寿命

一般传统钢结构屋面使用年限仅为10a ～15a 就需要大修或更换屋面材料，BIPV 光伏屋面发电寿命为25a，对比传统彩钢瓦屋顶使用过程中维护更换拆装所需要的投资和时间，BIPV 可谓一劳永逸。

3.4 零碳、零能耗建筑的发展

为加快绿色建筑的发展，降低建筑的能耗，逐步实现超低能耗、近零能耗建筑的目标，国家发布了多项关于绿色建筑发展的方案和实施意见，并出台了相应的标准，一些省份还制定了绿色建筑项目补贴和激励措施。《中国制造2025》对未来高端制造提出了全新要求，智能和绿色成为未来制造业工厂的两大主题。BIPV 建筑自身产生的能量能够抵消建筑物的能耗，甚至多于建筑物的能耗，完美契合绿色建筑绿色、环保、节能的概念。

4 应用案例

4.1 BIPV 光伏屋面替代彩钢瓦

江西丰城市中某仓库老厂房屋顶为石棉瓦屋面，屋面坡度达到18 度。通过采用BIPV 设计，针对屋顶结构强度、建筑特性，拆除原来屋顶的石棉瓦、檩条，加固新檩条结构，通过合理设计，安装了40.9MW 的BIPV 系统。此项目不仅利用原有闲置的屋顶进行高效发电，还节省了屋顶维修的资金成本与时间，预计可将屋顶使用寿命延长至25a。

4.2 新建工业厂房屋顶

江苏常州金坛直溪工业园某厂房在项目设计阶段就引入和BIPV 概念，采用节能增效及建筑一体化思路，在厂房建设过程中直接安装BIPV 屋顶发电系统，铺设了2.05MW 的光伏组件，节省了工业厂房传统屋顶的投资，获得了电价的收益。

5 设计关注要点

由于BIPV 光伏屋面具有发电功能外，还替代了建筑物原有屋面的构件，具备屋顶的结构和使用功能，作为建筑不可分割的组成部分，不仅要满足发电要求，还需要满足建筑材料的必备的耐候性、安全性、防水、通风，结合方式的牢固性和密闭性等要求。

5.1 火灾隐患

高压直流电弧是引发光伏系统火灾最主要的因素，该因素约占屋顶分布式光伏发电火灾因素的45%。在BIPV 直流系统的设计中，建议参考《光电建筑技术应用规程》（T/CBDA 39-2020）中提出“在发电系统设计时应尽量减少使用直流线路。直流系统电压不宜高于80V。”和“光伏系统控制中要有电弧发生检测能力、单个光电建筑构件与系统断开装置。”的要求，组件的内外侧为防火耐燃材料，组件支架和支撑基础选用不可燃的类型，采用防雷安全设计等。

5.2 散热

太阳能组件工作时会产生热量，若通风措施差，热量会进入室内，造成耗能与节能的自相矛盾，且光伏的发电效率会随着温度的升高逐渐降低[2]。建议根据不同的建筑结构，通过气楼、无动力风机等合理设计散热通道，利用空气的对流带走产生的热量，解决BIPV 的散热问题。

5.3 防水

防水是建筑一体化中必须考虑重要因素，以往有些项目在防水上没有进行合理的设计，导致后期出现漏水的情形[3]。目前国内的 BIPV 市场，有多种防水技术路线，包括导水槽 BIPV、光伏彩钢瓦BIPV 和构件式BIPV 等，某项目通过合理的导水槽系统设计，采用在U 型防水槽和W 导水槽进行横向防水和纵向防水，水槽采用卡扣式无穿孔连接，底部用橡胶条固定和密封，整个屋面表面无穿孔连接，避免了漏水的隐患。

5.4 美观

BIPV 产品作为建筑材料产品，为具有良好的建筑美学效果，应合理设计方阵和检修通道，减少电池片与彩钢瓦的间隙，实现最佳外观一致性，同时将直流电缆隐藏在组件和彩钢瓦下方，达成良好的建筑美学效果[4]。

5.5 运维

BIPV 产品的运维跟传统BAPV 分布式光伏组件的运维有一定的差异，BIPV 与建筑物紧密结合在一起的，无法便利的直接拆除或者更换，所以一方面应合理设计检修通道，兼顾检修方便和屋面的功能和结构。另一方面使用可靠优质的组件，比如某组件使用半片技术，减少热斑发生带来的发热量，降低由于热斑导致的系统风险；正面更强的机械荷载，减少运维过程中带来组件隐裂；使用镀铝锌钢板边框，双玻封装，减少PID（Potentian Induced Degradation）电势诱导衰减现象的发生。