光伏屋面在既有建筑改造中的应用及效益分析

郭锦平，李 超，殷义华

(1. 巨安储能武汉科技有限责任公司，武汉 430223；2. 武汉市洪山统筹发展投资有限公司，武汉 430070；3. 武汉洪山中雄置地有限公司，武汉 430070)

0 引言

随着中国碳达峰和碳中和政策的不断推进，可再生能源的发展，特别是作为太阳能主要应用方式之一的光伏发电的发展被列为重点工作内容[1]。住房和城乡建设部在《城市建设领域碳达峰实施方案》(送审稿)中提出了光伏建筑一体化及既有建筑加装光伏发电系统的建设目标(截至本文刊发时间，住房和城乡建设部、国家发展和改革委员会已于2022年6月出台了正式的《关于印发城乡建设领域碳达峰实施方案的通知》(建标[2022]53号))。

为探究光伏屋面在既有建筑改造中的实施路径，本文以武汉市2022年的首批《城市更新项目》中某老旧小区既有建筑屋面的防水改造项目为例，对光伏屋面在既有建筑改造中的应用及其效益进行研究，对既有建筑屋面的防水层使用寿命及光伏屋面防水的可行性、经济性进行对比分析；并结合武汉地区的太阳辐射情况，估算建筑安装光伏发电系统的发电量及项目发电成本，分析光伏屋面带来的经济效益和社会效益，为光伏屋面技术在城市更新中的应用提供实践依据。

1 应用于建筑屋面的光伏组件

应用于建筑屋面的光伏组件主要由晶体硅光伏组件、薄膜光伏组件两类组成。从经济性与光电转换效率来看，晶体硅光伏组件占据绝对优势，因此本文选择以晶体硅光伏组件来构建光伏屋面。根据是否与建筑材料一体化，构成光伏屋面的光伏组件可采用两种形式，分别为光伏建筑一体化(BIPV)形式和已有建筑物附着安装光伏组件(BAPV)形式[2]。

1.1 晶体硅BIPV组件

晶体硅BIPV组件由光伏组件生产厂商采用预制化方式生产，项目现场可直接使用。晶体硅BIPV组件的屋面外层与组件层为一体成型，其外形如图1所示。中国国内主流晶体硅BIPV组件生产厂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。

图1 晶体硅BIPV组件的外形图Fig. 1 Outline picture of crystalline silicon BIPV modules

晶体硅BIPV组件需要满足板型、荷载、防火等级、抗风揭、可踩踏、高寿命等方面的要求，其具体性能应包括：

1)板型：晶体硅BIPV组件的屋面外层采用镀锌板型，根据GB 50896—2013《压型金属板工程应用技术规范》中的要求，屋面最外层彩钢瓦厚度按0.6 mm考虑，檩条间距应不大于1.5 m，以确保屋面的使用安全。

2)荷载：建筑屋面增加的晶体硅BIPV组件荷载不应超过127.4 N/m2(不含最外层彩钢瓦)。

3)防火等级：需为A级不燃材料，且具有国家级建筑材料燃烧(防火)测试与认证机构的认证。

4)抗风揭：需满足抗3300 Pa风揭，且具有国家级建筑材料燃烧(防火)测试与认证机构的认证。

5)可踩踏：正面可承受8100 Pa的压力。

6)高寿命：需保证25年的使用寿命。

1.2 晶体硅BAPV组件

晶体硅BAPV组件构建的光伏建筑屋面由独立的屋面层、组件层构成，其中，组件层主要由防水金属支架(W型导水槽)、晶体硅光伏组件、导水槽、屋檐沟(天沟)等部件组成。目前晶体硅BAPV组件主要应用于既有工商业厂房改造项目，国内主流光伏组件生产厂商均能生产此类组件，其安装示意图如图2所示。

图2 晶体硅BAPV组件安装示意图Fig. 2 Schematic diagram of installation of crystalline silicon BAPV modules

晶体硅BAPV组件需要满足板型、荷载、防火等级、抗风揭、可踩踏、高寿命等方面的要求，其具体性能应包括：

1) 板型：屋面外层由原有建筑板型决定。

2) 荷载：建筑屋面增加的晶体硅BAPV组件荷载不应超过196 N/m2(不含最外层彩钢瓦)。

3) 防火等级：需为A级不燃材料，但无需国家机构的认证。

4) 抗风揭：现场验收，无需国家机构的认证。

5) 可踩踏：正面承受荷载不能超过8100 Pa。

6) 高寿命：受屋面使用年限制约，在晶体硅BAPV组件使用过程中会因为屋面使用年限的原因导致光伏发电系统提前退役。

2 既有建筑光伏屋面的布置方式

根据既有建筑原有屋面的形式不同，光伏屋面的组件布置方式亦不相同，主要分为平屋面改坡屋面布置、瓦屋面挂钩布置、彩钢瓦附加布置等几种方式。

2.1 平屋面改坡屋面布置方式

民居住宅、企事业单位、工厂建筑最常见的屋面形式之一就是水泥平屋面，在此类既有建筑的防水改造中，会大面积应用平屋面改坡屋面布置方式。该布置方式是利用防水金属支架与BAPV组件将现有平屋面构建成坡屋面，改造后屋面可分为单坡光伏屋面和双坡光伏屋面。平屋面改坡屋面布置方式如图3所示。

图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础或采用配重块作为混凝土基础，混凝土基础底部、顶部采用防水材料做好防水补强，利用混凝土基础加防水金属支架提升屋面高度并改变角度，形成不同坡度的屋面。由于采用混凝土基础加防水金属支架的方式进行安装，可将支架设计成各种安装倾角，使坡屋面的光伏发电效率相对较好。将平屋面改造为光伏坡屋面后，会比原本平屋面增加约65～75 kg/m2的重量，因此这种布置方式对屋面及建筑结构的承重要求较高，一般要求荷载不超过2.0 kN/m2。

2.2 瓦屋面挂钩布置方式

农村、历史文化保护区、校区等建筑多采用瓦屋面，虽然瓦屋面采用的瓦的形式多样，但改造为光伏屋面时的布置形式基本一致，既有建筑光伏屋面的布置形式一般为瓦屋面挂钩布置方式，即采用不锈钢挂钩进行BAPV组件的安装。瓦屋面挂钩布置方式的安装如图4所示。

图4 瓦屋面挂钩布置方式的安装Fig. 4 Installation of layout method of tile roofs and hooks

瓦屋面改造为光伏屋面时BAPV组件的安装比较简单，但受屋面朝向与屋面面积所限，通常瓦屋面的光伏装机容量较小。

2.3 彩钢瓦附加布置方式

工业厂房、仓库、公共建筑等通常采用彩钢瓦屋面，这些建筑改造为光伏屋面通常采用彩钢瓦附加布置方式。彩钢瓦光伏屋面的布置图如图5所示。

图5 彩钢瓦光伏屋面的布置图Fig. 5 Layout plan of color steel tile PV roof

彩钢瓦是用薄金属板包裹泡沫板构成，用传统方法无法使防水金属支架固定在彩钢瓦上，需要用专用的“夹具”进行固定。使用夹具不会破坏屋面原有的结构，不会导致屋面漏水或者屋面整体结构损坏。根据规格不同，彩钢瓦的结构形式可分为角驰型、直立锁边型、梯形等。彩钢瓦附加布置方式中，晶体硅BAPV组件与彩钢瓦屋面紧贴并平行安装。为了更好地排水，彩钢瓦屋面会有一定的倾斜角度(<10°)，但10°左右的倾斜角度在中国大部分地区不是最佳光伏组件安装倾角，因此该布置方式对光伏屋面的发电量有一定影响。

从承重角度考虑：若组件按照最佳光伏组件安装倾角安装，防水金属支架的使用量不可避免的要增加，从而增加屋面重量。从安全角度考虑，若组件按照最佳光伏组件安装倾角安装，组件就不能与彩钢瓦屋面平行，刮风时会产生额外风压，形成安全隐患。综合以上两点，组件只能平铺在彩钢瓦屋面上。该布置方式下组件的安装数量只与屋面面积和承重有关，因此没有优化的意义。

3 光伏屋面在既有建筑屋面防水改造中的应用

3.1 项目概况

通过实际改造案例，对光伏屋面在泰格公寓项目既有建筑屋面防水改造中的应用情况进行验证。泰格公寓项目位于武汉市洪山区，于1998年建成交付，共8栋建筑，采用砖混结构，楼高均为6层，屋面均采用混凝土屋面，屋面总面积为6373 m2。泰格公寓项目的总平面布置图如图6所示。

图6 泰格公寓项目的总平面布置图Fig. 6 General layout plan of Taige apartment project

由于泰格公寓项目的建成时间较早，其设计和建造标准较低，屋面防水层破损、缺失严重，主要原因是屋面防水卷材老化破裂，导致雨水沿破裂的缝隙渗漏进入室内，浸泡墙体，对建筑结构的稳定性造成严重影响。泰格公寓项目的现状如图7所示。

图7 泰格公寓项目的现状Fig. 7 Current situation of Tiger apartment project

3.2 设计方案

泰格公寓项目中的4栋住宅均为平屋面，因此在本次防水改造设计中采用平屋面改坡屋面布置方式，将平屋面改造成光伏坡屋面，采用普适性较强的单坡光伏屋面，总共铺设了561块峰值功率为540 W的光伏组件(即BAPV组件)。为保证建筑结构的安全性，在进行改造之前，对泰格公寓开展了结构的承载力、抗风压、抗雪压和抗震等级的评估。改造后的光伏坡屋面为钢结构，防水金属支架倾斜角度不小于5°。将混凝土基础浇筑在原屋面承重墙上作为防水金属支架立柱的支撑，将防水金属支架与混凝土基础连接组成基础框架，然后将BAPV组件固定在基础框架上。在光伏坡屋面的檐口处预留通风间隙，使空气在光伏坡屋面的后部空间流动，防止组件温度过高引起的光伏坡屋面发电效率降低。混凝土基础与原屋面承重墙的连接处的防水层应铺设在原屋面表面上方、混凝土基础下面，地脚螺栓周围密封，并增加防水密封胶；也可以在混凝土基础下添加额外的防水层。即使混凝土基础顶部有渗漏，雨水也不会到达结构层，从而保证了光伏坡屋面的整体防水性能。建成后的光伏坡屋面如图8所示。

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

3.3 光伏屋面的防水做法

平屋面、采钢瓦屋面在增加安装普通晶体硅光伏组件时，只专注于光伏发电本身，无需考虑屋面整体防水问题。而在城市更新中，解决既有建筑屋面防水层老化导致的渗漏问题是重要工作，光伏屋面的发电效益是其次。因此，如何在房屋老旧、结构复杂、防水层老化的多重因素下，利用光伏屋面在解决屋面渗漏的同时兼顾发电效益成为本文研究的重点。

泰格公寓项目的主体结构为砖混结构，屋面类型为混凝土屋面，为保证建设光伏屋面后屋面不渗漏，决定采用平屋面改坡屋面的布置方式建设光伏屋面，在现有屋面上布置1层钢架作为支架，在支架上安装BAPV组件。

城市更新中既有建筑光伏屋面的布置图如图9所示。

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

该项目采用平屋面改坡屋面布置方式的优势主要体现在：

1)减小了原混凝土屋面的承载量，确保了屋面结构的安全性；

2)有效保护了原混凝土屋面，从根本上解决了屋面漏水问题，节约了原屋面防水修补的时间及费用；

3)改造后的光伏屋面降低了原屋面的温度，确保了建筑室内的保温节能效果，提高了建筑的节能性；

4)改造后的光伏屋面具备发电功能，可以源源不断输出清洁电力；

5)延长了原屋面的使用寿命，确保屋面可再使用至少25年。

3.4 光伏屋面的系统设计及发电量计算

光伏屋面的年发电量主要依据光伏组件装机容量、光照条件、光伏组件光电转换效率等条件进行计算。

3.4.1 光伏组件类型及装机容量

泰格公寓项目采用的是峰值功率为540 W的单面单晶硅光伏组件，光电转换效率为21.5%，共561块，规划总装机容量为302.94 kW。

3.4.2 发电量计算原则

按照GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中发电量的计算要求，计算泰格公寓项目光伏屋面发电量EJ，即：

式中：Ax为水平面总太阳辐照量，kWh/m2；Ppv为光伏组件装机容量，kW；K1为综合效率系数，是考虑了各种影响因素后的修正系数，主要受光伏组件类型、光伏组件表面污染、环境温度等方面的影响；K2为标准条件下的太阳辐照度，kW/m2，取值为1。

3.4.3 水平面总太阳辐照量

采用Meteonorm气象软件进行分析后可知，泰格公寓项目位于武汉市，该场址区域太阳能资源的年太阳辐射量属于“丰富”等级(C级)，太阳辐射量具有年内分配较为均衡的特点，主要表现为春、夏季的太阳辐射强，秋、冬季的太阳辐射较弱[3]；该场址区域的太阳能资源稳定度的等级为“稳定”(B级)，多年平均水平面太阳辐照量约为1227.5 kWh/m2。

3.4.4 光伏屋面的综合效率系数

影响光伏屋面发电量的关键因素是综合效率系数，综合效率系数的主要影响因素包括：阴影遮挡损失、灰尘遮挡损失、温度引起的发电效率损失、光伏组串失配损失、逆变器的功率损耗、直流电缆功率损耗、交流电缆功率损耗、变压器功率损耗、跟踪系统的精度等[4]。根据综合效率系数的影响因素对本项目进行分析，具体如表1所示。

表1 光伏屋面的综合效率系数分析表Table 1 Analysis table of comprehensive efficiency coefficient for PV roof

3.4.5 光伏组件衰减率

光伏屋面发电量衰减的主要原因是光伏组件输出功率的衰减，光伏组件在光照及常规大气环境中长期使用后，其输出功率会有所衰减。根据本项目所使用的光伏组件性能，其第1年的衰减率约为2%，系统运行期每年衰减率为0.5%[5]，到全生命周期的第25年年末，光伏组件累计衰减率约为14.5%。

3.4.6 光伏屋面的发电量测算

根据光伏组件输出功率衰减的要求，计算泰格公寓项目光伏屋面25年全生命周期每年的发电量及总发电量，具体如表2所示。

表2 光伏屋面25年全生命周期内的年发电量及总发电量Table 2 Annual and total power generation capacity of PV roof throughout 25 year life cycle

从表2可知：泰格公寓项目光伏屋面的25年全生命周期中，年均发电量约为29万kWh，25年总发电量约为725万kWh。

4 光伏屋面在既有建筑改造中的效益分析

泰格公寓项目的效益主要由屋面防水层更新的费用、光伏屋面发电带来的直接经济效益，以及光伏屋面发电带来的社会效益组成[6]。

4.1 光伏屋面发电的经济效益

4.1.1 防水层更新的费用分析

屋面防水层每12年需要进行更新，在建设光伏屋面后，原屋面防水层可以不再进行更新，由此节省的防水层更新费用成为光伏屋面的直接经济效益。按照2022年市场的防水层价格Dw对泰格公寓项目25年屋面防水层更新费用Cwu进行计算，其计算式为：

式中：Ar为原建筑屋面面积，m2，本项目取6373；Nu为光伏屋面25年全生命周期中原屋面应进行的防水层更新次数，次。

现有市场的防水层价格为230元/m2，将各参数值代入式(2)，可以得到泰格公寓项目25年防水层更新费用约为305.37万元。

4.1.2 光伏屋面的建设费用分析

按照2022年市场BAPV总承包价格对泰格公寓项目光伏屋面的建设费用Cpv进行测算，其计算式为：

式中：Dpv为单瓦BAPV组件建设费用，元/W，本文取4.8；Dr为屋面排水及基础费用，元/m2，本文取50。

将各参数值代入式(3)，可以得到泰格公寓项目光伏屋面的建设费用约为177.28万元。

4.1.3 光伏屋面的发电效益分析

按照泰格公寓项目光伏屋面的发电量全额上网进行测算，其发电效益Rpv的计算式为：

式中：P25为光伏屋面25年全生命周期的总发电量，kWh；Pg为光伏屋面的上网电价，元/kWh，本文取0.4161。

将各参数值代入式(4)，可以得到泰格公寓项目光伏屋面的发电效益约为301.67万元。

4.1.4 光伏屋面的运维费用分析

按照泰格公寓项目光伏屋面配置1人维护进行计算，年工资费用约为8万元，25年总运维费用Po约为200万元。

4.1.5 光伏屋面发电的经济效益计算

对上文分析得到的泰格公寓项目光伏屋面的各项费用进行汇总，可以计算得到25年全生命周期光伏屋面发电的总经济效益Bpv，其计算式为：

将各参数值代入式(5)，可以得到25年全生命周期泰格公寓项目光伏屋面发电的总经济效益约为229.76万元，年均经济效益约为9.19万元。

4.2 光伏屋面发电的社会效益

可再生能源是取之不尽、用之不竭的低碳、环保、可持续能源。大力发展可再生能源可减少对化石能源的依赖，达到减碳和保护环境的目的；同时可带动相关产业发展，增加就业岗位，对环境和社会发展起到重要且积极的作用。

泰格公寓项目光伏屋面的年均发电量约为29万kWh，解决了区域人员就业，同时年可节约标准煤约为78 t，年可减排CO2约206 t、SO2约0.1 t、NOx约0.09 t。

5 结论

本文以武汉市城市更新中某老旧小区既有建筑屋面的防水改造项目为例，对光伏屋面在既有建筑改造中的应用和效益情况进行了研究和分析，得出以下结论：

1)光伏屋面发电在提供清洁能源的同时，还可以从根本上解决城市更新过程中既有建筑屋面防水层老化带来的渗漏问题。光伏屋面应用于既有建筑屋面防水改造，能有效延长既有建筑屋面防水层的使用寿命。

2)在考虑建设成本的条件下，光伏屋面应用于既有建筑改造中的经济效益明显，25年全生命周期内光伏屋面发电的总经济效益约为229.76万元，为老旧小区注入了新的经济收入增长点，能更好的用于小区设施维护。

3)光伏屋面应用于既有建筑改造中的环境效益较好，可有效降低因使用煤炭带来的环境污染，有效降低碳排放，为中国碳达峰和碳中和目标的推进提供了城市更新中绿色能源建设的技术路径。

4)光伏屋面的建设带动当地就业的能力较强，可有效提供就业岗位，为缓解社会就业压力提供了一种新的方式。