平房仓光伏建筑一体化设计探究

摘 要：在“双碳”目标下，粮食行业亦需践行绿色储粮方式。光伏建筑一体化技术可以有效利用太阳能资源，帮助建筑达到低碳减排的要求。为了探究粮仓建筑光伏一体化设计策略，以国内主要储粮仓型之一的平房仓建筑为例，分析其围护结构表面的太阳辐射资源影响因素，并讨论平房仓仓型屋面与立面光伏系统的安装形式。此研究有助于推广光伏技术在粮仓建筑中的应用，减少粮食库区的碳排放量，推进全国绿色粮仓的建设进程。

关键词：平房仓；太阳能资源；光伏建筑

面对日益突出的全球性环境问题，国家提出了“双碳”目标的要求，践行低碳减排策略已成为当下社会可持续发展的趋势。全国粮食标准仓房完好仓容超7亿吨，国有粮库普遍应用“四合一”储粮技术，来保证储粮周期内的粮食安全，同时导致了吨粮总耗电量达到9.06千瓦时。在粮仓建筑中使用可再生能源替代化石能源是非常必要的。

光伏（PV）发电技术是一种成熟、高效、可持续的能源技术，光伏建筑一体化及规模化已经在民用建筑中有所实践，是建筑环境中重要的减碳途径。粮食行业印发《粮食绿色仓储提升行动方案（试行）》等文件，要求粮仓建筑根据所在区域的太阳能资源禀赋，选择合理模式，建设或预留光伏发电设施，如仓顶太阳能光伏板，落实碳达峰、碳中和要求。但是目前对于粮食仓库区内储粮仓型光伏建筑一体化设计的研究依旧缺乏。

平房仓是一种被大量使用的粮仓建筑仓型，曾作为主导仓型占建设总仓容的85%，探究平房仓建筑的光伏可安装方式具有重要意义。首先调研图纸资料，归纳平房仓的建筑特征、群体布局，以分析围护结构表面的太阳辐射资源分布情况；然后结合当下的光伏技术，分别讨论平房仓立面与屋面光伏建筑一体化设计方案。以求为粮仓相关人员在低碳设计决策中提供参考，助力实际工程中的绿色粮仓建设。

一、光伏建筑一体化概况

光伏建筑一体化（BIPV）是把太阳能电池材料集成在建筑的屋面与墙面等围护结构上，转换太阳辐射，提供给建筑物清洁电力的绿色生态建筑。

2023年，我国累计并网装机容量超过600 GW，前三季度全国光伏发电量约4 369亿千瓦时，光伏产业完整度、制造能力和市场占比均为世界第一。在产品效率方面，规模化生产的P型单晶硅电池转换效率已达到23.4%。光伏系统在建筑围护结构、公共空间中的创新应用，拥有光明的发展前景。

光伏电池可分为晶体硅和薄膜两类，需集成加工为光伏组件的形式使用。常用光伏组件均为规则的矩形，以晶硅电池为主，因其转换率最高且技术成熟，在各类建筑中应用广泛。而光伏瓦片的形式，多应用在坡屋顶上，与正常瓦片外观相似，不会破坏原有建筑视觉风貌。

光伏方阵经由合理的设计，与平房仓的墙面、屋顶或构筑物等集成在一起，可实现平房仓光伏建筑一体化设计。光伏系统通过支撑结构附着在建筑外表面，支架与安装基础通过焊接或螺栓连接等方式锚固，以应对气候条件。但安装时应注意不破坏原有围护结构，因为粮仓建筑的气密性和防水性是储粮安全的关键因素。经计算，光伏系统的自重荷载基本上不会对平房仓的结构应力造成影响。

二、平房仓表面的太阳辐射资源影响因素

平房仓与单层房屋类似，一般是排架结构，由下部两排柱子形成的连续空间及上面的屋架所组成，底层矩形盒子为储粮空间，屋架起遮蔽作用。

（一）平房仓建筑表面的辐射条件状况

典型平房仓案例几何尺寸为长轴60 m，短轴24 m，建筑高度12 m左右，相对民用建筑，体形系数偏大，意味着单位占地面积下围护结构表面积值更大。建筑表面获得的太阳辐射量不仅与面积相关，还受当地实际气候条件与阴影遮挡因素的影响。

平房仓在全国31个省市自治区均有建设，而太阳辐射资源会随着时间和地点的不同有所差异，由当地气候和地理位置所决定。从地图上自北到南选择纬度间隔相近的六所城市，分别是哈尔滨、北京、郑州、上海、广州、三亚。经查，2022年各地水平面总辐射量（单位kWh/m2）平均值分别为1 337.4、1 527.6、1 470.1、1 448.5、1 460.6、1 519.5，2021年水平面总辐射量（单位kWh/m2）平均值分别为1 294.2、1 405.9、1 269.4、1 251.7、1 256.0、1 503.0；最佳倾角为42°、38°、27°、26°、20°、15°，2022年辐射量（单位kWh/m2）为1 777.7、1 866.4、1 602.1、1 561.1、1 520.0、1 534.2。可发现：全部城市各自两年内的辐射量都不相同，水平面辐射量的多少与地理纬度关联较弱，主要受气候影响；纬度越高的城市，最佳倾角越大，辐射量会随倾角变大。

国内大部分粮仓位于北回归线以北，所以北立面太阳辐射量普遍较小，光伏利用性差，暂不考虑。选用EneryPlus官网中的郑州典型气象年文件，经软件模拟得到水平面辐射量为1 299 kWh/m2，自东立面起顺时针每旋转30°的立面辐射量（单位kWh/m2）分别为586、702、812、920、986、967、841。可发现立面辐射量远低于水平面，郑州地区立面辐射量在南偏西方位达到最大。此地平房仓在南偏西朝向，屋面坡度接近27度时，可接受到最优太阳辐射资源。

（二）平房仓建筑表面的阴影遮挡影响

平房仓所处的场地环境和建筑形体都可能对表面接受的太阳辐射造成阴影遮挡。

周边环境与场地布置造成的遮挡影响包括相邻建筑、周边的构筑物、草木等。粮食仓库区内建筑密度较低，不同仓型区域间有明确分隔，互不影响。平房仓区多是单体统一成列建设，大多数是南北朝向行列，规则整齐排列。因建筑高度相同，所以相邻建筑屋面不会相互影响。对于墙体立面，南侧墙体在民用建筑中是受毗邻建筑影响最严重的。粮库区道路规范为7—9 m，但仓体南北两侧需留有进出粮作业空间，通过多套图纸总结，相邻平房仓南北间距在15 m以上，当前最先进的高大平房仓储粮高度在10 m左右，则建筑高度约为15 m。以郑州地区为例，测试立面为正南向15 m的正方形立面，南移15 m设置为障碍物，模拟结果（图1）显示：顶部2米不受影响，辐射量为900 kWh/m2；底部2米内遮挡严重，辐射量为650 kWh/m2左右。东西两立面情况相似，会受到相邻建筑的遮挡，且与所处朝向角度有关，需结合实际项目考虑。园区内因储粮要求避免虫鸟，较少有高大树木。仓体周围皆为硬质铺装，草木遮挡较少，亦无其他构筑物。

建筑自身造成的遮挡分为建筑形体自遮挡、突出物、构件遮挡。坡屋顶屋脊会在北坡处形成部分自遮挡，所有屋顶均无构件和突出体块。至于立面，形体没有任何凸起收缩变化，表面平整光滑，是标准的矩形形体，但部分案例屋檐会挑出墙面，形成阴影；构件有通往粮情检测门的钢梯；突出物有门檐、檐沟、柱子等。因为要承受粮食储藏对墙体产生的高强度侧向推力，采用的柱子纵向尺寸较大，多为400 mm×900 mm，墙体截面多为490 mm，实际案例中柱子大多会凸出墙面。

经上述分析可看出，平房仓库区蕴含丰富的太阳辐射资源，具备优异的光伏系统安装条件。

三、平房仓立面光伏建筑一体化设计策略

平房仓外部形状分类主要是屋架形式的区别，可分为墙面和屋面两种情况讨论建筑一体化设计策略。不同于民用建筑光伏组件安装时的美观性要求，平房仓是储存粮食的载体，使用者的审美需求及内部人员向外的视线阻碍问题，可适当舍弃。

立面由两山墙面和两长轴面组成，在墙体厚度和构造材料上有所差异，但几何形态固定。首先计算可安装位置的影响因素。按照光伏系统25年使用年限计算，当每年所接受辐射值超过450 kWh/m2时，具有生命周期发电经济效益，基于上节分析，平房仓立面辐射资源满足要求。长轴墙面仅考虑南侧，在其相邻柱跨之间，离地面2米内设置了仓体所需的大部分服务设备，如消火栓、充氮气调系统、检测取样箱、通风空调控制箱等及相连管道。储粮高度基本在6 m以上，每个储粮廒间内对开两扇进出粮大门（3 m×4.2 m）。屋架下2米以内为人员工作空间，可设置粮情检测门（0.8 m×1.8 m）供人员进出，每跨设一扇窗（1.2 m×1.2 m），供通风所需，但常年为封闭状态。不利于结合光伏的洞口及障碍物所占墙体表面比例极小。东西山墙面多不设置构件，或设一带有钢梯爬升的粮情检测门。总体来说，墙面具有较大的可安装面积系数。

在光伏组件安装方式方面，主要有平铺式和倾斜式两种。前者将光伏构件通过支架以平行于建筑表面的方式覆盖安装，接受原建筑物表面的太阳辐射，二者之间留有空气夹层，可进行通风散热以提高组件效率。可在满足辐射阈值位置均匀铺设。后者将光伏构件通过支架以与建筑表面成一定夹角的方式安装，呈倾斜面以接受太阳辐射，有横向倾角和纵向倾角形式。若赋予可伸缩和旋转支架，手动或跟踪式调节倾斜角度，即可调节式光伏系统，光伏组件对应实时太阳空间位置，以最优方位接受太阳辐射。可在满足辐射阈值位置倾斜铺设，但组件间相互遮挡严重，需结合实际评估留出适当间距（图2）。

四、平房仓屋面光伏建筑一体化设计策略

平房仓屋面种类按构造分为折线形屋架、彩板屋盖、门式钢架、拱板屋盖、双坡板架、拱形仓、薄壳仓和双T板屋盖。目前建造和使用的屋架几何形态主要有平屋顶、坡屋顶、折线形屋顶和拱形屋顶。

平屋顶屋面具有完整的光伏可安装面积。现有光伏技术下，平面光伏组件可承受人员行走荷载，不需留设人工检测通道，平铺式安装可均匀铺设。由于中国处于北半球，倾斜式光伏组件应以南向行列式布置，组件会前后遮挡，需留出间距来避免资源浪费，还应满足人工检测通道的宽度。粮食出入库时会产生大量尘土，倾角还有助于雨水冲刷组件表面的灰尘。将屋面以整体倾斜式安装，形态如新设单坡屋架，在其上安装光伏组件，不仅避免了组件间的遮挡，还增大了安装面积与辐射量。

坡屋顶、折线形屋顶、拱形屋顶有相似的安装情况。平房仓屋架坡度大多在1∶5以内，南坡屋顶皆可安装，北坡屋顶受屋脊影响程度不大，基本具有整体屋面的光伏可安装面积。三类屋顶可沿着自身形态变化平铺式安装光伏组件或光伏瓦片，呈一定倾角接受太阳辐射，因为屋面占仓房总透入热量的2/3以上，还可起到类似双层屋顶的遮阳效果，改善仓内储粮热环境。坡屋顶屋面具有一定的倾斜角度，采用倾斜式安装时，前、后挂件需采用不同高度，以达到最佳倾角，但需要留出检修间距。折线形屋顶有两段不同的坡度，N5XFaBmW4yTcyUWyjlF/fA==拱形屋顶的曲率会不断变化，倾斜式安装计算相对复杂。三类屋顶北坡都不适宜倾斜式安装，以平铺方式为佳，或另设置屋架将倾斜面提升至平面处安装。

现有平房仓结合光伏案例都是在屋顶安装：2016年保定市某粮食储备库在22个平房仓屋顶与2个铁路罩棚上，贴合平铺安装容量4 MW的多晶硅光伏组件，年发电量约为45万千瓦时。浙江杭州某粮食仓库区在平房仓仓顶上安装1 748块24 W P型单晶硅光伏陶瓷瓦，经模拟11栋平房仓首年可发电47.9万千瓦时。

五、结语

粮食储存过程中存在大量的能源消耗，开发利用平房仓库区的太阳能资源能够推动绿色粮仓的营建，助力“双碳”行动。分析平房仓表面的太阳辐射资源影响因素，发现其表面拥有优良的光伏安装条件，然后对其立面和屋面的光伏安装可能性进行探讨，明晰了平房仓围护结构表面的光伏一体化设计策略。此研究有助于提高平房仓的能源自给能力，并为进一步研究粮食仓库区的建筑光伏利用潜力评估打下基础。

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作者简介：

方相魁，河南工业大学硕士研究生。研究方向：建筑技术科学。

张华（通讯作者），博士，河南工业大学建筑学副教授，硕士研究生导师。研究方向：绿色建筑设计和太阳能建筑设计。