改造型屋顶光伏建筑一体化项目设计要点浅析

2024-01-12谢清华

江西电力 2023年6期

谢清华，刘专

（1.中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 前言

光伏建筑一体化简称BIPV（building integrated photovoltaic），是直接将太阳能发电设备作为墙体或屋顶，使建筑兼具美观的同时还具有发电的功能[1]。因此BIPV 设计应重点实现光伏电站的经济效益，同时满足建筑美观、防雨、通风、散热、采光等功能，还要便于施工，利于光伏电站后期运维[2]。

国、内外对BIPV 的研究起步较晚，缺乏专门的设计规范[1]，设计和施工经验都相对较少，因此开展BIPV设计研究显得很有必要。文中基于已完工BIPV项目，对相关设计进行总结、反思并提出优化建议，进一步促进BIPV的发展。

1 常见光伏建筑一体化项目类型及设计难点

1.1 常见光伏建筑一体化项目类型

按是否一体化设计分类，常见的BIPV 项目有前期设计和后期改造两种。前期设计指建筑物在规划设计初期即明确采用光伏建筑一体化设计，光伏发电系统作为建筑设计的一个子项，统筹设计。另一类属于后期改造，即拆除现有建筑屋顶，利用光伏组件及其构件当作建筑屋顶，该类型为当前BIPV 项目的主流。

1.2 改造型光伏建筑一体化项目的设计难点

大多数改造型BIPV项目的厂房普遍存在使用年限长、原始设计资料缺失、预留荷载不足、厂内及厂区环境复杂等问题，给BIPV项目的接入设计、结构加固、屋顶布置、地面设备选型及布置、厂区电缆通道以及施工等带来较大的困难，是老旧厂房BIPV项目设计难点[2-3]。

2 改造型光伏建筑一体化项目设计要点浅析

2.1 设计方案应满足规范的要求

BIPV 缺乏专门的设计规范，设计时应采用成熟的电力、光伏以及建筑、结构等行业现有的设计规范，参数标准不得低于上述规范要求。

2.2 加固设计

2.2.1 确保设计输入资料真实、可靠

在既有厂房开展加固设计，应提前收集厂房的总平面、建筑、结构、电气、管线、排水、暖通等专业齐全的图纸。但因部分厂房由于保管不善导致原始设计资料缺失，实际采购材料与图纸不符，厂房年久失修造成建筑主材锈蚀、损坏等因素，使得加固设计单位收集的资料不全或真实性存疑。

因此，为确保设计输入资料的准确性，应全力收集所需各种原始设计资料，务必现场复核以确保资料的真实性，另一方面应委托专业单位对厂房实际结构情况进行复测、建模、验算荷载。

2.2.2 加固设计

加固设计以原设计图、荷载验算报告及结构现状复原图为依据，结合结构状态、厂内生产情况、施工环境等采用焊接、钻孔、预应力、粘钢技术等一种或几种综合的设计方案。

2.3 BIPV光伏组件选型设计

BIPV 屋顶由光伏组件、运维通道、采光器件、运维围栏及清洗系统等组成，BIPV 项目屋顶应尽可能满铺光伏组件以保证发电效益最大化。

对于采用常规单玻晶硅组件的，因单玻组件承重有限，因此BIPV屋顶要合理设计较多的运维通道，便于清洗及组件更换等日常运维。为了尽可能多安装光伏组件，可以设计采用承重能力强的钢化玻璃当作运维通道，同时满足通道和采光的需求，如图1所示。

图1 钢化玻璃运维/采光器件

对于采用双玻晶硅组件的BIPV项目，因双玻组件承重能力强，人员站立其上进行日常运维而不损伤组件，故除按需求设计少量采光假组件外，可真正做到屋面满铺，装机容量大大提高，如图2所示。

图2 双玻组件承载效果

同等屋顶面积情况下，单玻/双玻组件方案特点，如表1所示。

表1 单玻/双玻组件方案对比表

采用单玻组件还是双玻组件方案应综合考虑光伏系统投资、收益及运维等多种因素。

2.3 厂房通风、散热设计

直接采用光伏组件作为屋顶的BIPV 方案不利于屋顶的通风散热。光伏组件发电时，组件因吸收阳光而温度急剧升高，一般维持在70 ℃～90 ℃之间。发热的光伏组件成为热源持续向下方空间发送热量，易导致厂房内温度升高。多个已完工项目实测显示，同一厂房安装BIPV 区域较不安装BIPV 区域温度有约4 ℃～7 ℃摄氏度的温升，十分不利于人员密集场所工作人员的健康，如图3所示。

图3 BIPV厂内温升对比

因此，在设计阶段可采取多种手段提升厂房的通风、散热效果，如：1）保留原有屋顶气楼（如有）；2）厂房四壁增加气窗或通风孔；3）增加机械强排风；4）减少厂房内部隔断，促进空气流通；5）研发屋顶通风-采光-防雨一体化器件，促进自然/机械排风，如图4所示；6）采光件采用毛玻璃，防止阳光直射。

图4 BIPV透光通风专利技术

2.4 屋顶采光设计

对既有厂房改造BIPV，屋顶采光设计充分调查厂房属性、功能及使用者特殊要求等，还应兼顾BIPV容量、美观及运维等要求。

BIPV 采光量原则上不低于原有采光需求，还应根据实际需求灵活设计。

2.5 屋顶防雨设计

BIPV 的建筑功能要求屋顶具有良好的防水效果，否则容易造成损失引起经济甚至法律纠纷。

直接采用光伏组件作为屋顶的BIPV方案，其防水设计一般是以光伏组件作为主过水面，屋面渗水则采用纵向支架作为主导水槽，组件拼接处下方设置横向导水槽，组件之间用阻水胶条密封的组合防渗-倒排方式，屋面渗水由横向导水槽导向纵向导水槽，纵向导水槽汇集后流向屋顶天沟或直接外排，理论上具有良好的防水效果。但在实际施工时，因胶条长度裁剪不合格，组件、支架安装误差等因素导致BIPV器件间存在缝隙或孔洞，造成下渗水量超标，在暴雨等极端天气时易造成纵向主导水槽水满外溢引起厂内漏水。

为解决此类问题，设计上应按规范收集当地多年一遇的最大降雨量，结合安装规范要求并考虑误差，以一定的比例（建议不低于20%）计算渗漏水量从而计算主导水槽、横向导水槽的过水截面积，确保最大降雨情况主导水槽、横向导水槽不会水满外溢。对于跨度比较大（单坡跨度超过30 m）且屋面坡度低于5°的屋面，因汇水量大且排水速度慢，应进一步加大主导水槽的过水截面积。

实践表明，主导水槽与组件间的拼接缝隙是引起BIPV 屋顶发生渗漏的主要原因，渗水量大。为了避免这种现象，可沿主导水槽上方通常设计安装一条铝合金防水盖板，盖板的两侧覆盖主导水槽与组件间的拼接缝隙，防雨水渗漏效果很好，如图5所示。