謝清華，劉 專

（1.中國電建集團江西省電力設(shè)計院有限公司，江西 南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 前言

光伏建筑一體化簡稱BIPV（building integrated photovoltaic），是直接將太陽能發(fā)電設(shè)備作為墻體或屋頂，使建筑兼具美觀的同時還具有發(fā)電的功能[1]。因此BIPV 設(shè)計應(yīng)重點實現(xiàn)光伏電站的經(jīng)濟效益，同時滿足建筑美觀、防雨、通風(fēng)、散熱、采光等功能，還要便于施工，利于光伏電站后期運維[2]。

國、內(nèi)外對BIPV 的研究起步較晚，缺乏專門的設(shè)計規(guī)范[1]，設(shè)計和施工經(jīng)驗都相對較少，因此開展BIPV設(shè)計研究顯得很有必要。文中基于已完工BIPV項目，對相關(guān)設(shè)計進行總結(jié)、反思并提出優(yōu)化建議，進一步促進BIPV的發(fā)展。

1 常見光伏建筑一體化項目類型及設(shè)計難點

1.1 常見光伏建筑一體化項目類型

按是否一體化設(shè)計分類，常見的BIPV 項目有前期設(shè)計和后期改造兩種。前期設(shè)計指建筑物在規(guī)劃設(shè)計初期即明確采用光伏建筑一體化設(shè)計，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為建筑設(shè)計的一個子項，統(tǒng)籌設(shè)計。另一類屬于后期改造，即拆除現(xiàn)有建筑屋頂，利用光伏組件及其構(gòu)件當(dāng)作建筑屋頂，該類型為當(dāng)前BIPV 項目的主流。

1.2 改造型光伏建筑一體化項目的設(shè)計難點

大多數(shù)改造型BIPV項目的廠房普遍存在使用年限長、原始設(shè)計資料缺失、預(yù)留荷載不足、廠內(nèi)及廠區(qū)環(huán)境復(fù)雜等問題，給BIPV項目的接入設(shè)計、結(jié)構(gòu)加固、屋頂布置、地面設(shè)備選型及布置、廠區(qū)電纜通道以及施工等帶來較大的困難，是老舊廠房BIPV項目設(shè)計難點[2-3]。

2 改造型光伏建筑一體化項目設(shè)計要點淺析

2.1 設(shè)計方案應(yīng)滿足規(guī)范的要求

BIPV 缺乏專門的設(shè)計規(guī)范，設(shè)計時應(yīng)采用成熟的電力、光伏以及建筑、結(jié)構(gòu)等行業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范，參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不得低于上述規(guī)范要求。

2.2 加固設(shè)計

2.2.1 確保設(shè)計輸入資料真實、可靠

在既有廠房開展加固設(shè)計，應(yīng)提前收集廠房的總平面、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、管線、排水、暖通等專業(yè)齊全的圖紙。但因部分廠房由于保管不善導(dǎo)致原始設(shè)計資料缺失，實際采購材料與圖紙不符，廠房年久失修造成建筑主材銹蝕、損壞等因素，使得加固設(shè)計單位收集的資料不全或真實性存疑。

因此，為確保設(shè)計輸入資料的準(zhǔn)確性，應(yīng)全力收集所需各種原始設(shè)計資料，務(wù)必現(xiàn)場復(fù)核以確保資料的真實性，另一方面應(yīng)委托專業(yè)單位對廠房實際結(jié)構(gòu)情況進行復(fù)測、建模、驗算荷載。

2.2.2 加固設(shè)計

加固設(shè)計以原設(shè)計圖、荷載驗算報告及結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀復(fù)原圖為依據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)狀態(tài)、廠內(nèi)生產(chǎn)情況、施工環(huán)境等采用焊接、鉆孔、預(yù)應(yīng)力、粘鋼技術(shù)等一種或幾種綜合的設(shè)計方案。

2.3 BIPV光伏組件選型設(shè)計

BIPV 屋頂由光伏組件、運維通道、采光器件、運維圍欄及清洗系統(tǒng)等組成，BIPV 項目屋頂應(yīng)盡可能滿鋪光伏組件以保證發(fā)電效益最大化。

對于采用常規(guī)單玻晶硅組件的，因單玻組件承重有限，因此BIPV屋頂要合理設(shè)計較多的運維通道，便于清洗及組件更換等日常運維。為了盡可能多安裝光伏組件，可以設(shè)計采用承重能力強的鋼化玻璃當(dāng)作運維通道，同時滿足通道和采光的需求，如圖1所示。

圖1 鋼化玻璃運維/采光器件

對于采用雙玻晶硅組件的BIPV項目，因雙玻組件承重能力強，人員站立其上進行日常運維而不損傷組件，故除按需求設(shè)計少量采光假組件外，可真正做到屋面滿鋪，裝機容量大大提高，如圖2所示。

圖2 雙玻組件承載效果

同等屋頂面積情況下，單玻/雙玻組件方案特點，如表1所示。

表1 單玻/雙玻組件方案對比表

采用單玻組件還是雙玻組件方案應(yīng)綜合考慮光伏系統(tǒng)投資、收益及運維等多種因素。

2.3 廠房通風(fēng)、散熱設(shè)計

直接采用光伏組件作為屋頂?shù)腂IPV 方案不利于屋頂?shù)耐L(fēng)散熱。光伏組件發(fā)電時，組件因吸收陽光而溫度急劇升高，一般維持在70 ℃～90 ℃之間。發(fā)熱的光伏組件成為熱源持續(xù)向下方空間發(fā)送熱量，易導(dǎo)致廠房內(nèi)溫度升高。多個已完工項目實測顯示，同一廠房安裝BIPV 區(qū)域較不安裝BIPV 區(qū)域溫度有約4 ℃～7 ℃攝氏度的溫升，十分不利于人員密集場所工作人員的健康，如圖3所示。

圖3 BIPV廠內(nèi)溫升對比

因此，在設(shè)計階段可采取多種手段提升廠房的通風(fēng)、散熱效果，如：1）保留原有屋頂氣樓（如有）；2）廠房四壁增加氣窗或通風(fēng)孔；3）增加機械強排風(fēng)；4）減少廠房內(nèi)部隔斷，促進空氣流通；5）研發(fā)屋頂通風(fēng)-采光-防雨一體化器件，促進自然/機械排風(fēng)，如圖4所示；6）采光件采用毛玻璃，防止陽光直射。

圖4 BIPV透光通風(fēng)專利技術(shù)

2.4 屋頂采光設(shè)計

對既有廠房改造BIPV，屋頂采光設(shè)計充分調(diào)查廠房屬性、功能及使用者特殊要求等，還應(yīng)兼顧BIPV容量、美觀及運維等要求。

BIPV 采光量原則上不低于原有采光需求，還應(yīng)根據(jù)實際需求靈活設(shè)計。

2.5 屋頂防雨設(shè)計

BIPV 的建筑功能要求屋頂具有良好的防水效果，否則容易造成損失引起經(jīng)濟甚至法律糾紛。

直接采用光伏組件作為屋頂?shù)腂IPV方案，其防水設(shè)計一般是以光伏組件作為主過水面，屋面滲水則采用縱向支架作為主導(dǎo)水槽，組件拼接處下方設(shè)置橫向?qū)郏M件之間用阻水膠條密封的組合防滲-倒排方式，屋面滲水由橫向?qū)蹖?dǎo)向縱向?qū)?，縱向?qū)蹍R集后流向屋頂天溝或直接外排，理論上具有良好的防水效果。但在實際施工時，因膠條長度裁剪不合格，組件、支架安裝誤差等因素導(dǎo)致BIPV器件間存在縫隙或孔洞，造成下滲水量超標(biāo)，在暴雨等極端天氣時易造成縱向主導(dǎo)水槽水滿外溢引起廠內(nèi)漏水。

為解決此類問題，設(shè)計上應(yīng)按規(guī)范收集當(dāng)?shù)囟嗄暌挥龅淖畲蠼涤炅?，結(jié)合安裝規(guī)范要求并考慮誤差，以一定的比例（建議不低于20%）計算滲漏水量從而計算主導(dǎo)水槽、橫向?qū)鄣倪^水截面積，確保最大降雨情況主導(dǎo)水槽、橫向?qū)鄄粫疂M外溢。對于跨度比較大（單坡跨度超過30 m）且屋面坡度低于5°的屋面，因匯水量大且排水速度慢，應(yīng)進一步加大主導(dǎo)水槽的過水截面積。

實踐表明，主導(dǎo)水槽與組件間的拼接縫隙是引起B(yǎng)IPV 屋頂發(fā)生滲漏的主要原因，滲水量大。為了避免這種現(xiàn)象，可沿主導(dǎo)水槽上方通常設(shè)計安裝一條鋁合金防水蓋板，蓋板的兩側(cè)覆蓋主導(dǎo)水槽與組件間的拼接縫隙，防雨水滲漏效果很好，如圖5所示。

圖5 BIPV防水設(shè)計示意圖

2.6 屋頂清洗系統(tǒng)及安全圍欄設(shè)計

清洗系統(tǒng)是保證BIPV系統(tǒng)發(fā)電量的重要輔助設(shè)施，清洗系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足以下幾個基本原則：1）水壓足夠，應(yīng)能確保最遠出水點水壓滿足，否則應(yīng)安裝增壓泵；2）管道布置合理，便于運維，相鄰出水點應(yīng)確保能交叉覆蓋范圍內(nèi)光伏組件；3）根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，合理設(shè)計保溫；4）管道避免對光伏組件產(chǎn)生陰影遮擋。

對于沒有女兒墻的屋頂BIPV 項目，按規(guī)范應(yīng)設(shè)計安全圍欄，安全圍欄高度既要滿足規(guī)范要求，也應(yīng)避免對對光伏組件產(chǎn)生陰影遮擋。安全圍欄可采用夾具安裝方式固定在散水或包邊彩鋼瓦上，或焊接在屋頂檁條上，采用焊接方式應(yīng)做好防水。

3 結(jié)語

BIPV 項目起步較晚，但是行業(yè)發(fā)展迅猛，前景光明。文中依托已完工BIPV 項目，對加固設(shè)計，BIPV組件選型、通風(fēng)散熱、采光、屋頂防雨及清洗安全圍欄等設(shè)的計經(jīng)驗教訓(xùn)做了較全面的分析總結(jié)，希望能給更多的BIPV項目設(shè)計提供一定的參考。