太陽能屋頂工程技術(shù)與應(yīng)用(下)

徐州市新型建筑技術(shù)應(yīng)用中心 ■ 何水清

徐州市場(chǎng)《徐州墻改》編輯部 ■ 何勁波

采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成的屋頂電站使太陽能發(fā)電方陣作為建筑屋頂與建筑本體同壽命，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“光伏建筑一體化”。值得注意的是在采用該方式申報(bào)獲批的“2012年太陽能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目”中，卻不合理地把該技術(shù)定性為支架安裝型。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，這種以建筑物為載體的用戶側(cè)并網(wǎng)太陽能發(fā)電模式具有顯著的“三零”特性：“零”土地使用、“零”距離輸電、用電黃金時(shí)段的“零”排放發(fā)電，完全符合資源節(jié)約、環(huán)境友好的科學(xué)發(fā)展觀，是加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的有效技術(shù)手段，是城市中建設(shè)住宅小區(qū)、公共建筑、工廠廠房屋頂光伏電站，打造城市潔凈能源的最佳解決方案。現(xiàn)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的屋頂電站集成技術(shù)已獲得較大規(guī)模的成功應(yīng)用，有的工程已超過3年的使用期，作為整體屋頂使用至今未發(fā)現(xiàn)任何問題。

要實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化必須首先做到光伏設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)一體化。該技術(shù)較適合在新建的建筑屋頂應(yīng)用，屋頂電站設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。這就要建筑設(shè)計(jì)師注入光伏靈魂，光伏專家需普及建筑知識(shí)，這樣才能早日完成太陽能發(fā)電與建筑一體化的千秋大業(yè)。

四 太陽能屋頂工程上的應(yīng)用

1 低層太陽能屋頂

(1) 低層太陽能建筑屋頂設(shè)計(jì)應(yīng)用

在低層太陽能建筑屋頂設(shè)計(jì)中，和傳統(tǒng)的供熱方式有所不同的是，設(shè)計(jì)供熱時(shí)要嘗試新的供熱方式，即利用層面板的空氣間層，形成一個(gè)預(yù)加熱的腔體，利用智能化設(shè)備來控制其溫度的高低，以滿足人們對(duì)居住舒適性的需要，如圖5所示。冬季白天，蓋口打開，外界空氣從屋檐下進(jìn)入屋面系統(tǒng)內(nèi)部，空氣在被太陽輻射能加熱的同時(shí)緩慢上升，使用玻璃集熱面使集熱空氣溫度迅速上升并進(jìn)入控制箱，由感溫器對(duì)空氣溫度測(cè)定，并由獨(dú)特的電熱送風(fēng)系統(tǒng)將適量熱風(fēng)送入豎向管道，并且通過地板熱輻射采暖，滿足室內(nèi)人體舒適度的需要；夜間，蓋口封閉，屋頂內(nèi)部的上升空氣送入電熱關(guān)風(fēng)系統(tǒng)，再次進(jìn)行熱循環(huán)，同樣通過地板熱輻射使冬季室內(nèi)夜間溫度相對(duì)比較舒適。

圖5 冬季白天供熱系統(tǒng)示意圖

(2) 屋頂薄層綠化

屋頂薄層綠化技術(shù)體系，充分考慮屋頂綠化的特點(diǎn)，一方面大大減輕綠化種植層的重量和厚度，另一方面又很好地解決綠化層的排水入基質(zhì)層的保水保肥、植物根系的呼吸和生長、屋頂防水層和屋面保護(hù)層等諸多困擾屋頂綠化發(fā)展的問題，是代表屋頂綠化未來發(fā)展方向的綜合性技術(shù)解決方案。屋頂薄層綠化技術(shù)體系，是我國科技人員追蹤國際上屋頂綠化的最新技術(shù)潮流研究開發(fā)。

屋頂薄層綠化技術(shù)，采用保水、保肥性能優(yōu)良的輕質(zhì)人工培養(yǎng)土，種植基質(zhì)層的厚度可減半以上。由于人工培養(yǎng)土的濕容重約是普通土壤的1/2，單種植基質(zhì)層的重量就可減少到1/4以下；其次，由于采用架空排水板取代陶粒排水層，可將排水層的重量減少到3 kg/m2，厚度減少到28 mm；第三，采用雙層防根系穿透保護(hù)層，可省去屋面的保溫層和混凝土保護(hù)面層，又可節(jié)省約80～140 kg/m2屋面荷載。

這樣，傳統(tǒng)綠化如果種植層厚度為1 240 mm，重量為1 540 kg/m2，則采用屋頂薄層綠化技術(shù)種植層厚度減少為430 mm，重量減輕為235kg/m2。利用屋頂薄層綠化技術(shù)，這些現(xiàn)有建筑就可輕松地披上“綠裝”。如此極大地拓寬了屋頂綠化推廣和普及范圍，為城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)開辟了新的、更廣闊的空間。

(3) 屋頂池層

屋頂池層太陽房兼有冬季采暖和夏季降溫兩種功能，適合冬季不冷而夏季較熱地區(qū)。用裝滿水的密封塑料袋作為儲(chǔ)熱體，置于屋頂頂棚之上，其上設(shè)置可水平推拉開閉的保護(hù)蓋板。冬季白天晴天時(shí)，將保溫蓋板敞開，讓水袋充分吸收太陽能輻射熱，沙袋所儲(chǔ)熱量通過輻射和對(duì)流傳至下面房間；夜間則關(guān)閉保溫蓋板，阻止相對(duì)的熱損失。夏季保溫板啟閉情況與冬季相反，白天關(guān)閉保溫板，隔絕陽光及室外熱空氣，同時(shí)用涼的水袋吸收下面房間的熱量，使室溫下降；夜間則打開保溫蓋板，讓水袋冷卻。保溫蓋板還可根據(jù)房間溫度、水袋內(nèi)水溫和太陽輻射照度自動(dòng)調(diào)節(jié)啟閉。

2 模塊式屋頂

目前一些太陽能企業(yè)推出“模塊式太陽能住宅屋頂”，把集熱器放在屋斜面、屋頂，它把建筑造型與太陽能集熱技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，如圖6所示。

圖6 模塊式太陽能住宅屋頂

在模塊式光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)理念中，分交流模塊結(jié)構(gòu)和直流模塊結(jié)構(gòu)，如圖7所示。北京市昌平區(qū)未來科技城華能集團(tuán)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地實(shí)驗(yàn)樓A樓屋頂為模塊式屋頂結(jié)構(gòu)。

圖7 光伏系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意圖

3 光電建筑屋頂

光電建筑一體化屬于太陽能分布式應(yīng)用中的一種形式，是目前太陽能利用中最好的形式，主要表現(xiàn)在太陽能屋頂和光伏幕墻等。由于屋頂光電建筑可調(diào)節(jié)太陽電池板的朝向，在應(yīng)用方面比光伏幕墻更加廣泛。

光電建筑一體化是我國東部地區(qū)緩解“電荒”的最好形式，“分散開發(fā)，就地使用”的屋頂光伏系統(tǒng)，是未來大規(guī)模應(yīng)用的必然選擇。例如江蘇省的白兔科創(chuàng)新能源、蘇州的震旦以及常州華音公司提出來的發(fā)展屋頂CPV概念，并推出樣機(jī)基礎(chǔ)構(gòu)想了墻面、屋頂移動(dòng)充電站等應(yīng)用。

4 光伏建筑一體化分類及實(shí)例[1]

我國太陽電池組件已成為世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的國家之一，被世界所矚目。

(1) 分類

根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合形式的不同，BIPV可分為兩大類。一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合，將光伏方陣依附于建筑上，建筑物作為光伏方陣載體起支撐作用，如圖8和圖9所示。另一類是光伏方陣與建筑的集成，光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)龋鐖D10及表1所示。

圖8 光伏方陣與建筑墻面的結(jié)合

圖9 光伏方陣與建筑屋頂?shù)慕Y(jié)合

圖10

表1 光伏建筑一體化的主要形式

(2) 光伏建筑一體化的主要形式

(3) 光伏建筑一體化應(yīng)用實(shí)例

① 深圳國際園林花卉博覽園光伏屋頂系統(tǒng)

由深圳市政府投資承建的1 MW太陽能光伏電站，是目前亞洲最大的并網(wǎng)太陽能光伏電站之一。該電站總?cè)萘? 000.322 kWp，年發(fā)電量約為100萬kWh。工程采用了超過4 000個(gè)單晶硅及多晶硅光伏組件(160 W和170 W組件)。與建筑屋頂結(jié)合部分如圖11所示。

圖11 深圳園博園

② 深圳方天大廈10.7 kWp光電屋頂

方天大廈光伏建筑一體化工程是光伏組件與建筑的集成。光伏組件作為大廈電梯井頂部的采光頂與幕墻出現(xiàn)。光伏方陣總面積為93.8 m2，光伏組件采用多晶玻璃組件，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)總?cè)萘繛?0.7 kWp，建成并投入使用，如圖12所示。

圖12 方天大廈

五 太陽能光伏屋頂應(yīng)用

上海高密度的建筑群，光伏的應(yīng)用主要集中于屋面和屋頂。光伏屋面、屋頂一體化應(yīng)用形式多種多樣，這里選擇構(gòu)件型和屋頂結(jié)合形式。

屋頂、墻面結(jié)合安裝型多為外加型屋面光伏系統(tǒng)，即借用建筑屋面空間附著安裝光伏組件，會(huì)增加荷載，電池板屋頂采用最佳傾角，使光伏組件盡可能多地吸收太陽光。

屋面外加型的第二種方式為貼合原屋面安裝，多結(jié)合坡屋頂設(shè)計(jì)安裝，外加的光伏組件在一定程度上起到屋頂隔熱的功能。

該工程中，此種系統(tǒng)以兩種形式出現(xiàn)在屋頂上，第一種是作為獨(dú)立的屋面，架立于接待大廳上方高出金屬屋面部分，如圖13、圖14所示。第二種是同金屬屋面緊密結(jié)合，無論在高度還是保溫防水上都處于同步處理，真正做到一體化。

圖13 獨(dú)立光伏屋面

圖14 金屬屋面與光伏屋面的交接

[1] 何水清. 節(jié)能住宅方面技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 何水清, 何勁波,毛希元. 利用太陽能改善住宅熱環(huán)境[J]. 太陽能, 2012, (11):50－54.

[3] 張俊林, 程忠江. 點(diǎn)式玻璃幕墻之特殊形式——玻璃采光頂?shù)馁|(zhì)量控制[J]. 門窗, 2009, (12): 53－55.

[4] 李博. 低層太陽能建筑設(shè)計(jì)策略與技術(shù)[J]. 太陽能, 2007, (11):35－41.

[5] 邱童, 徐強(qiáng), 洪崇恩,等. 上海太陽能光伏一體化屋面應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)[J]. 太陽能, 2013, (9): 49－53.

[6] 余國光, 趙臏, 王恩政. 太陽能發(fā)電與建筑一體化現(xiàn)狀剖析與技術(shù)[J]. 太陽能, 2012, (19): 50－54.