中國(青海)光伏利用展示館建筑光伏一體化設(shè)計

向 陽

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

1 項目背景

1.1 項目概況

中國(青海)光伏利用展示館建設(shè)項目依托于新建展覽館屋面及南立面部分進(jìn)行建筑光伏一體化設(shè)計。通過專項設(shè)計，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑的良好結(jié)合。建筑主體總裝機(jī)容量為195.864 kWp，其中會議室采光頂采用薄膜組件(64 Wp/塊)36塊、裝機(jī)容量2.304 kWp；三角形采光窗采用薄膜組件(85 Wp/塊)180塊、裝機(jī)容量15.3 kWp；展廳上空屋面采用薄膜光伏組件(135 Wp/塊)1 056塊、裝機(jī)容量142.56 kWp；南立面采用薄膜光伏組件(85 Wp/塊)420塊、裝機(jī)容量35.7 kWp。展覽館每年平均發(fā)電量為28.24萬kWh，年平均綜合利用小時數(shù)為1 441.86 h。

圖1中國(青海)光伏利用展示館建筑光伏一體化項目效果圖

本文通過中國(青海)光伏利用展示館建筑光伏一體化示范項目(如圖1)，基于建筑分析圖、數(shù)據(jù)采集以及構(gòu)造詳圖分析，解讀了建筑光伏一體化設(shè)計的理念和方法在實際項目中的運用，將建筑光伏一體化的建筑美學(xué)性及光伏技術(shù)性有機(jī)結(jié)合[1-3]。

1.2 項目場址及光資源情況

中國(青海)光伏利用展示館位于青海省德令哈市，場址坐標(biāo)為N37°20′、E97°19′，海拔2 969.00 m。基本光資源數(shù)據(jù)采用距離該工程場址區(qū)最近的德令哈氣象站52737(地理坐標(biāo)為N 37°22′、E 97°22′，觀測場海拔高程為2 981.50 m。)的數(shù)據(jù)資料，為了有效地判斷多年太陽總輻射量的變化趨勢，根據(jù)該地區(qū)1983—2012年逐年太陽輻射量分析近30年太陽輻射量的變化，見圖2。

圖2 德令哈1983—2012年太陽總輻射量變化直方圖

從圖2可看出，近30年間德令哈太陽輻射量分布年際變化較平穩(wěn)，整體變化無明顯下降趨勢，其數(shù)值區(qū)間在6 300 ～7 000 MJ/m2之間。30年間的年平均太陽能輻射量為6 727.44 MJ/m2，2002年出現(xiàn)最低值6 359.53 MJ/m2，1984年最高值達(dá)到6 910.94 MJ/m2。近10年間的年平均太陽能輻射量為6 633.32 MJ/m2，最大值出現(xiàn)在2006年，達(dá)到6 779.03 MJ/m2，最小值出現(xiàn)在2012年，為6 535.77 MJ/m2。

從太陽能資源利用角度來說，在德令哈市建設(shè)光伏發(fā)電項目是可行的[4]。

1.3 氣候特征

德令哈市地處青藏高原腹地柴達(dá)木盆地南沿，由于受喜馬拉雅山、唐古拉山和昆侖山等山脈層層阻隔，西南暖濕氣流難以進(jìn)入，從而形成了以干旱少雨為主的氣候特點，即典型的高原大陸性氣候。

2 建筑方案

2.1 總平面布置

本工程位于青海省海西州德令哈新區(qū)。工程用地呈長方形，東西長約150.33 m，南北長約190.90 m，用地總面積約28 697 m2，建筑密度15%，容積率0.16，綠地率34%。

為了充分展現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)的特點，以“光伏”和“陽光”為設(shè)計理念，根據(jù)場地現(xiàn)狀及功能屬性將整個地塊分為建筑周邊環(huán)境空間、組件科普展示空間、光伏景觀游覽空間。為了將光伏市場上最新的光伏產(chǎn)品進(jìn)行推廣，組件科普空間又分為組件展示區(qū)、組件運行模式展示區(qū)、光伏小品展示區(qū)[5]。

2.2 建筑設(shè)計

太陽能光伏展覽館建筑面積約3 940 m2，建筑標(biāo)高為12.8 m，總建筑面積4 876 m2，包括展陳和公共服務(wù)區(qū)2部分。展陳空間面積約2 992 m2，公共服務(wù)空間面積約1 884 m2。建筑設(shè)計在充分反應(yīng)青海德令哈地域特色的基礎(chǔ)上，重點考慮將光伏技術(shù)與建筑進(jìn)行一體化設(shè)計。建筑形體運用2個簡潔體塊進(jìn)行咬合穿插，具有很強的視覺沖擊效果，建筑材料運用光電玻璃進(jìn)行外立面鋪設(shè)，體現(xiàn)科技感和時代感，力求將“光伏”元素明確表達(dá)于設(shè)計中[5]。

3 光伏技術(shù)

3.1 日照分析

項目用地位于德令哈新區(qū)，用地方正，地勢較為平坦，周邊無高大建筑物遮擋。運用Ecotect軟件模擬太陽能光伏展覽館陰影變化范圍，可以比較直觀地看出展覽館每年冬至日(12月22日)9:00—15:00有效發(fā)電時間段內(nèi)不受場地周邊建筑物的陰影遮擋，系統(tǒng)可以進(jìn)行有效的發(fā)電[6]。

3.2 光電幕墻及光伏采光頂設(shè)計

為了有效利用德令哈地區(qū)太陽輻射強烈的資源優(yōu)勢，通過Ecotect軟件模擬展覽館陰影變化特點確定建筑屋面及南立面的光伏系統(tǒng)設(shè)計：建筑南立面采用薄膜光伏幕墻、會議室頂棚、展廳三角窗采用薄膜光伏采光頂。此設(shè)計可有效阻止強光的直接射入起到遮陽效果，同時又可將太陽能轉(zhuǎn)換為電能提供展館日常照明，很好地實現(xiàn)了建筑室內(nèi)環(huán)境的改善與建筑節(jié)能的有機(jī)統(tǒng)一[7]。

(1) 建筑南立面采用雙層薄膜光伏幕墻設(shè)計：① 光伏幕墻依靠太陽能發(fā)電所產(chǎn)生的電能可提供建筑室內(nèi)日常照明及采暖通風(fēng)設(shè)備運行；② 光伏幕墻可起到遮陽效果,減少室內(nèi)輻射所產(chǎn)生的熱量；③ 光電玻璃結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)與建筑外表面形成一個空腔,有效地促進(jìn)空腔和建筑室內(nèi)的空氣循環(huán),減少建筑室內(nèi)的熱量,降低室內(nèi)溫度[8]。

(2) 會議室頂棚采用薄膜光伏采光頂設(shè)計：① 采用透光率為25%～30%的中空透光型薄膜組件進(jìn)行平鋪式鋪設(shè)(64 Wp/塊，規(guī)格:3.2 +5+9A+6LOW-E+6，單位：mm)能顯著減少陽光對室內(nèi)的直射光線，改善室內(nèi)光線的舒適度，降低室內(nèi)溫度和冷負(fù)荷；② 平鋪式安裝可以避免日照不均勻所造成的發(fā)電量降低和逆變器等電氣設(shè)備的浪費[9]。

(3) 展廳上空30°傾角的三角窗采用薄膜光伏組件設(shè)計：① 采光三角窗南面用透光率為10%的中空透光薄膜組件替換一般玻璃進(jìn)行鋪設(shè)(85 Wp/塊，規(guī)格:3.2+5+9A+6LOW-E+6，單位：mm)；② 為了保證良好的通風(fēng)，將三角窗北面設(shè)置為可開啟的通風(fēng)窗，通過通風(fēng)對流降低室內(nèi)溫度，驅(qū)散光伏組件工作時吸收太陽輻射所產(chǎn)生的余熱，最大程度地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的適宜性[10]。

3.3 光伏通風(fēng)驅(qū)動系統(tǒng)

建筑南立面的雙層薄膜光伏幕墻安裝在最外層鋼架結(jié)構(gòu)上，在屋頂上方1.3 m處設(shè)置通風(fēng)三角窗和光伏動力通風(fēng)系統(tǒng)(見圖3)。光伏動力通風(fēng)系統(tǒng)可以驅(qū)動建筑室內(nèi)外的氣流速度,加快熱氣流由下而上排走，以減少外墻和室內(nèi)溫度的冷負(fù)荷，有效提高熱利用率,減少空調(diào)的能源消耗[11]。

圖3 光伏驅(qū)動通風(fēng)系統(tǒng)示意圖 單位：高程，m；其它，mm

為了有效阻止陽光直射入室內(nèi)影響參觀者的視覺體驗，本次光伏系統(tǒng)設(shè)計中選擇日照條件最好、陽光照射最強烈的展廳屋頂安裝薄膜中空透光型光伏組件。組件接收陽光的照射后加快了與屋頂之間的空氣流速，從而帶走了儲存在屋頂?shù)臒崃浚涌焓覂?nèi)空氣循環(huán)，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量[12]。

3.4 光伏發(fā)電停車場及電動汽車離散型充電站

本項目在建筑周邊設(shè)置太陽能光伏停車棚，車棚采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼柱采用方鋼，橫梁采用檁條，車棚柱距6.67 m，跨度6 m，長度51 m，車棚最低點距地面2.55 m，單坡結(jié)構(gòu)，坡度15°，以最大限度提高發(fā)電量的同時，又可遮擋強光對停車場內(nèi)汽車的輻射，從而降低汽車表面和車內(nèi)溫度，達(dá)到降低汽車空調(diào)冷負(fù)荷，減少汽車油耗和廢氣排放的效果，多余的電能可同時兼顧周邊建筑(展館)的用電需求[13-14]。

建設(shè)太陽能停車場(含充電樁)以光電替代石油既安全經(jīng)濟(jì)又環(huán)保節(jié)能。通過充放電控制器向動力電池充電或者把光能轉(zhuǎn)換為電能儲存在電池中(熱效率可達(dá)到34%～40%)，再通過電池放電給電動汽車進(jìn)行充電，90%的能量用于驅(qū)動車輛，達(dá)到清潔環(huán)保的效果[15-16]。

4 結(jié) 語

隨著現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步，大力發(fā)展太陽能發(fā)電是中國新能源領(lǐng)域的重要組成部分，其中與建筑相結(jié)合的BIPV設(shè)計為太陽能發(fā)電提供了更廣闊的發(fā)展空間。BIPV設(shè)計在不損害建筑美觀性、結(jié)構(gòu)安全性、營造標(biāo)準(zhǔn)性、功能使用性的前提下，把傳統(tǒng)的耗能建筑構(gòu)件(屋頂、墻面、遮陽系統(tǒng)等)轉(zhuǎn)換為能夠吸收太陽能并轉(zhuǎn)化為電能的建筑構(gòu)件，以節(jié)約建筑用能。