光伏建筑一體化體育館的新功能研究

張鑫

摘 要：隨著社會的發(fā)展，大跨度空間結構比如網(wǎng)架、拱桁架等已被廣泛應用于各大體育館、車站等公共建筑，同時，太陽能作為綠色新能源也獲得了極大發(fā)展和廣泛應用。由此可見，將光伏發(fā)電技術應用于大跨度空間結構將會有更廣闊的發(fā)展前景。以大跨度拱桁架結構為基礎，將其與光伏發(fā)電技術相結合，并進行了建筑設計和性能研究，得到一些有益結論：由于大跨度空間結構的外表面積較大，使光伏發(fā)電技術有著較高的利用率；光伏與建筑的一體化可使建筑具有良好的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：光伏建筑一體化；鋼拱桁架；體育館；大跨度空間結構

中圖分類號：TU18 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.066

城市大型公共建筑大多采用大跨度空間結構形式，屬于建筑能源消耗的高密度領域。同時，公共建筑面積巨大的空間結構的屋頂和立面也非常適合作為太陽能利用載體。如果將光伏發(fā)電技術與大跨度建筑相結合，則可以實現(xiàn)較高的應用價值。本文將著重探討光伏建筑一體化的應用，以城市中較常見的體育館建筑為切入點，研究并設計適合光伏利用的大跨度體育館建筑。

1 建筑光伏一體化的基本原理

太陽能光伏利用是太陽能開發(fā)利用中最重要的應用方式，具有以下優(yōu)點：結構簡單，體積小、重量輕；容易安裝、運輸，建設周期短；維護簡單、使用方便；清潔、安全、無噪聲；可靠性高、壽命長、應用范圍廣。但因太陽能的利用涉及多專業(yè)的綜合，太陽能與建筑一體化仍處于起步階段，特別是在大跨度結構中的應用很少。我國太陽能利用技術發(fā)展迅速，在一些大型公共建筑中應用了光伏發(fā)電技術。2008年，奧運會場館之一的國家體育館100 kWp并網(wǎng)光伏建成，如圖1所示。“光伏建筑一體化（Building-integrated Photovoltaic）”概念在1991年正式提出。光伏發(fā)電技術與建筑一體化是將太陽能光電效應發(fā)電技術與建筑結構的建設結合在一起的綜合體系。BIPV設計是綜合各方面因素的過程，需考慮太陽能在建筑上應用時對建筑物造成的影響，還需考慮太陽能利用的系統(tǒng)選擇、太陽能產(chǎn)品與建筑形體的有機結合、與工程和電路設計方面的結合。BIPV有諸多優(yōu)點，它能有效利用建筑結構表面，無需占用土地；原地發(fā)電、就地使用和節(jié)省送電，可降低建筑自身全部或大部分的用電投資；供電可靠性高，對公共電網(wǎng)起到了一定的調峰作用。

2 BIPV和大跨度結構體系的研究

鋼拱桁架大跨度空間結構具有安全、經(jīng)濟和適用性強的特點，且其造型美觀、受力合理、用鋼量少、能覆蓋較大的空間，是目前大型公共建筑中常用的結構體系之一。為了使光伏屋頂在有限的建筑面積內(nèi)輸出更多的電能，采用曲面屋頂能使整個光伏屋頂?shù)奶栞椛淠芪樟窟_到最大。拱形屋面的弧度不但有利于電池板太陽能的吸收，還有利于雨水對電池板的沖刷，從而提高電池板表面的清潔度。

一般而言，光伏電池板安裝設計時的水平傾角度為當?shù)鼐暥取?5°。傾斜15°的差異大約使總效率降低了5%，這樣可使電池板在建筑上的布置更加靈活。以太原市為例，其緯度為37.78°，最佳傾角為緯度+5°，即42.78°。光伏板裝設時的水平傾角度是當?shù)鼐暥取?5°，因此，太原市安裝傾角在22.78°～52.78°是合適的。

3 BIPV體育館設計

本體育館設計方案為中型體育館，位于太原市某高校內(nèi)。建筑外形簡潔，主入口設置在體育館的北立面，東、西立面設置出、入口。屋面和南、北立面采用整體鋼拱桁架結構，建筑高度由北向南逐漸降低，形成一定的坡度，結構傾角利于太陽能收集和排水。采用光伏弧形屋面，屋面中間部分采用透光電池板，東、西立面采用光電幕墻，圖2為西立面透視圖。體育館建筑面積為 6 000 m2，固定座位4 000個，平面為75 m×57 m，場地尺寸為30 m×45 m。附屬用房包括場館運營管理用房、機房、地下儲藏室和光伏發(fā)電控制室。

圖1 國家體育館光伏系統(tǒng)安裝 圖2 方案示意圖

本體育館屋面與南立面為一整體，具有較好的電池板工作條件，更適合大面積布置太陽能電池板。中間比賽場地正上方區(qū)域設采光頂，使用隱框雙面玻璃光伏組件，夾層為非晶硅光伏電池，既能遮擋陽光直射，又能吸收部分太陽能用于發(fā)電。其他區(qū)域不考慮透光設計，布置發(fā)電效率較高的單晶硅太陽能電池板。

體育館東、西立面采用垂直光伏幕墻，一方面，它是建筑的外圍護結構，需要達到建筑美學的要求，并有遮風、擋雨和抵抗地震的能力；另一方面，由于它具有發(fā)電功能，需要保證在經(jīng)歷各種復雜氣候環(huán)境時仍能正常工作。根據(jù)設計需要，可以用透明、半透明與普通透明玻璃結合使用，創(chuàng)造出不同的建筑立面和室內(nèi)光影效果。屋頂和墻面的光電板直接吸收太陽能，可降低空調負荷、改善室內(nèi)環(huán)境。

太原市全年每平方米太陽能總輻射能約為5 000 MJ，屋面共安裝太陽能電池板約為3 900 m2，屋面光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為362 200 kW·h，東、西立面光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為54 900 kW·h，體育館整體光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為417 100 kW·h。按最大功率275 kW考慮，光伏發(fā)電量可為體育館提供1 516 h的電力供應。如果按并網(wǎng)光伏系統(tǒng)考慮，則在蓄電池充電充滿的情況下，多余電力會并入電網(wǎng)。

4 結論

建筑能耗是能源消費構成的重要組成部分，而太陽能作為

一種清潔能源在建筑節(jié)能中的充分利用有著重要的意義。大跨度空間結構的外表面積較大，周圍開闊，無其他建筑遮擋，更適合太陽能在建筑中的應用。鋼拱桁架結構是大跨度空間結構中比較常用的形式，其拱形屋面有利于太陽能的吸收。BIPV體育館建筑具有良好的經(jīng)濟性和復合型功能，該設計理念適合在未來城市建設中廣泛使用。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕