既有公共建筑輕質(zhì)屋面光伏一體化探索與應(yīng)用

楊新明 楊慶根 朱劍躍 蔡春華 宗永明 趙榮華 楊 磊 范文忠 戴 杰

1 項(xiàng)目背景

“既有公共建筑節(jié)能與新能源技術(shù)綜合利用集成示范”課題主要研究利用光伏組件與實(shí)體建筑結(jié)合，探索光伏建筑一體化、規(guī)模化的可行性，同時(shí)搜集技術(shù)數(shù)據(jù)，為城市公共建筑光伏應(yīng)用提供依據(jù)。

技貿(mào)大廈光伏項(xiàng)目采用屋頂太陽能系統(tǒng)，總共設(shè)計(jì)并安裝112塊功率為180W的光伏組件，總裝機(jī)功率為20kW。其中在平屋頂上以傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)支架安裝方式安裝10kW的系統(tǒng)，作為一個(gè)發(fā)電單元；在南側(cè)露天區(qū)域則首次采用輕質(zhì)采光天幕系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)相結(jié)合的方式，安裝10kW的發(fā)電單元。

2 應(yīng)用難點(diǎn)

2.1 安裝鋪設(shè)面積小

目前既有公共建筑屋頂普遍可利用面積小，這種情況在上海市中心的各種高層、小高層等建筑尤其明顯。由于屋面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在構(gòu)筑物遮擋情況，一般屋頂實(shí)際能安裝的太陽能系統(tǒng)裝機(jī)功率普遍均不到20kW。另外，屋面的造型同樣會(huì)影響太陽能系統(tǒng)的鋪設(shè)。

2.2 屋頂復(fù)雜性

在既有公共建筑屋頂上，基本都裝有水箱、大型通風(fēng)管道、冷卻塔、通訊基站、電梯間塔樓、衛(wèi)星信號接收器、空調(diào)外機(jī)組等諸多設(shè)備。這些設(shè)備不僅占用大部分屋頂太陽能可鋪設(shè)面積，而且不規(guī)則的位置，使得太陽能系統(tǒng)鋪設(shè)變得更為復(fù)雜。

本文以技貿(mào)大廈屋頂改造工程為例，探索解決關(guān)于太陽能光伏系統(tǒng)安裝應(yīng)用面積小、屋頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

3 解決方案

3.1 屋頂平改坡，增加有效面積

傳統(tǒng)屋頂太陽能板安裝需要足夠的間距以保證無陰影遮擋條件，見圖1。

輕質(zhì)采光天幕系統(tǒng)的引入，以屋頂平改坡的方式，直接可以避開屋頂諸多障礙物，增加采光面積和太陽能系統(tǒng)的安裝面積，既避開了部分屋頂設(shè)備所產(chǎn)生的陰影，又實(shí)現(xiàn)了太陽能光伏系統(tǒng)的安裝角度，增加了裝機(jī)功率（假設(shè)在上海以25°安裝角度來計(jì)，要比相同條件下平屋頂多安裝10%的容量），而且各種安裝角度的調(diào)整還能滿足太陽能在各地區(qū)安裝本身所需要的傾斜角度和排水要求，圖2為技貿(mào)大廈屋頂工程的解決方案。

3.2 創(chuàng)新型輕質(zhì)屋面結(jié)構(gòu)體系

3.2.1 結(jié)構(gòu)接合安裝

1）接合位置的重要性

在創(chuàng)新型輕質(zhì)屋面結(jié)構(gòu)體系中，太陽能光伏系統(tǒng)與下層屋面系統(tǒng)的接合點(diǎn)的處理，至關(guān)重要。我們在技貿(mào)大廈工程中采用登普采光天幕系統(tǒng)鋁件接合形式，為課題探索的進(jìn)展提供了可能性。登普采光天幕系統(tǒng)鋁件接合形式見圖3。

U型防水配件，既滿足了采光天幕100%的防水要求，又滿足了太陽能支架的安裝要求，這一創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)方式，解決了屋面防水難題。

2）接合位置的安全性驗(yàn)算

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)固，切實(shí)抓好采光天幕系統(tǒng)與太陽能結(jié)合處的強(qiáng)度驗(yàn)算。

登普采光天幕系統(tǒng)通過專用鋁件及自攻釘固定在檁條上，由檁條支撐，故屋面板的受力應(yīng)為多跨連續(xù)梁的形式，為簡化計(jì)算，在驗(yàn)算中，屋面板按多跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，取1m的寬度進(jìn)行單位寬度的驗(yàn)算，在強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1（λm=1.1）。登普板天幕系統(tǒng)自重為0.06 kN/m2，太陽能光伏系統(tǒng)自重為0.16 kN/m2，登普板天幕系統(tǒng)風(fēng)荷載為-2.16 kN/m2，登普板天幕系統(tǒng)最大跨度1.2m。最終安全性驗(yàn)算值見表1。

從表1可以看出登普板天幕系統(tǒng)滿足強(qiáng)度要求。

另外水平方向輔助措施，將太陽能系統(tǒng)下方支座直接和女兒墻相連，有效抵抗水平力的沖擊。

3.2.2 結(jié)構(gòu)可靠性

登普天幕系統(tǒng)由特級聚碳酸酯，即防彈玻璃的原材料制造，新型環(huán)保材料，方格式、蜂巢式中空雙卡齒結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，系統(tǒng)整體抗風(fēng)性能強(qiáng)，最高可達(dá)500kg/m2。

表1 最終安全性驗(yàn)算值表

3.2.3 采光節(jié)能

1）透光

技貿(mào)大廈屋面改造工程透光率選擇在25%-30%之間，而且屋面上的太陽能光伏組件無疑成為有力的遮陽設(shè)施。目前技貿(mào)大廈頂樓白天多云天氣時(shí)光線照度達(dá)100Lx，不需要另外配置額外的照明系統(tǒng)，充分利用自然光，節(jié)省能源。

2）保溫隔熱

登普板材傳熱系數(shù)K值見表2。

表2 登普板材傳熱系數(shù)K值表

技貿(mào)大廈屋面改造工程采用單層16mm厚登普采光天幕系統(tǒng)，K值為1.53W/m2℃ ，效果勝過K值為1.54W/m2℃的雙層夾膠或中空玻璃，保溫隔熱性能好。

3.3 光伏太陽能系統(tǒng)發(fā)電

該系統(tǒng)中太陽能自2010年4月21日起每天不斷發(fā)電供用戶辦公樓使用，至10月21日，系統(tǒng)沒有出過一次故障，6個(gè)月內(nèi)該20kW發(fā)電系統(tǒng)共發(fā)電14450kWh（其中包括了近2個(gè)月的雨季）。

4 結(jié)論

4.1 技術(shù)優(yōu)勢

經(jīng)過技貿(mào)大廈安裝和檢驗(yàn)，肯定了輕質(zhì)采光天幕系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)的結(jié)合，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝可以適用于絕大部分屋頂?shù)母鞣N特殊情況。這樣既避免過去太陽能系統(tǒng)中每次都必須的重復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大提高了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)速度，同時(shí)也符合屋頂電站模塊化成套建設(shè)的原則。

4.2 應(yīng)用的重要性和推廣價(jià)值

在一些新建建筑或者是大型廠房等，除了可以如前所提到的安裝使用方式外，也可以直接作為屋頂建材使用。該天幕系統(tǒng)在功能上能滿足屋頂本身所需要具備的所有防水、保溫隔熱、耐候、抗紫外線、抗風(fēng)等功能，同時(shí)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度早已在國外經(jīng)過認(rèn)證滿足永久性屋頂建材的要求，并在國內(nèi)外廣泛被運(yùn)用。而在此基礎(chǔ)上直接加裝太陽能系統(tǒng)，不僅避免了在屋頂安裝二次鋼結(jié)構(gòu)的各種問題，同時(shí)其相結(jié)合的設(shè)計(jì)和安裝方式也大大縮短了時(shí)間和成本。

在一些需要采光、透光屋頂建筑中，該天幕系統(tǒng)和作為BIPV材料而廣泛使用的透光光伏組件相結(jié)合，不僅能達(dá)到發(fā)電節(jié)能作用，同時(shí)還能滿足客戶透光采光屋頂?shù)囊蟆?/p>

本課題項(xiàng)目完成過程中，首次將這兩大新型節(jié)能概念相結(jié)合，同時(shí)逐步引入到節(jié)能環(huán)保屋頂概念上，相信在不久的將來，會(huì)出現(xiàn)更多的太陽能節(jié)能保溫屋頂。