光伏建筑一體化技術(shù)在平改坡項目上的應(yīng)用研究

摘 要：基于光伏建筑一體化技術(shù)（BIPV）在分布式光伏項目上的成熟應(yīng)用，嘗試與老舊小區(qū)平改坡相結(jié)合，以杭州一老舊小區(qū)為例，開展BIPV技術(shù)在平改坡上的應(yīng)用研究。應(yīng)用表明，該技術(shù)可以兼顧夏天的遮陽與冬天的采暖，解決頂層住戶陽光直射和雨水侵蝕問題。同時，光伏系統(tǒng)也能發(fā)電創(chuàng)收，減少二氧化碳、氮氧化物等有害氣體的排放。

關(guān)鍵詞：光伏建筑一體化；老舊小區(qū)；平改坡；防水隔熱

中圖分類號：TU242.5" " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）03-0117-03

0 引言

隨著我國社會主義市場經(jīng)濟體制和住房制度改革的不斷深化，老舊小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施和后期維護運營已經(jīng)不能滿足居民的需求[1]。為了解決廣大市民的居住問題，各地政府陸續(xù)開展了老舊小區(qū)綜合整治工程。在老舊小區(qū)改造中，老百姓最為關(guān)注的是如何改善建筑的室內(nèi)環(huán)境，尤其是頂層住戶的隔熱保溫和防漏問題[2]。

基于光伏建筑一體化技術(shù)（BIPV）在分布式光伏項目上的成熟應(yīng)用，將該技術(shù)應(yīng)用于老舊小區(qū)平改坡項目上。將分布式光伏與平改坡工程相結(jié)合，不僅能解決頂層住戶陽光直射和雨水侵蝕問題，還能發(fā)電創(chuàng)收，減少二氧化碳、氮氧化物等有害氣體的排放。

1 BIPV技術(shù)簡介

光伏建筑一體化（BIPV）是將光伏發(fā)電系統(tǒng)作為建筑構(gòu)件，與新建筑物同時設(shè)計、同步施工和安裝，從而實現(xiàn)光伏與建筑完美結(jié)合的新能源集成系統(tǒng)[3]。2019年和2020年全球光伏建筑一體化裝機總量分別達1.15 GW和2.3 GW，約占全球光伏總裝機量的1%，目前仍處于大規(guī)模發(fā)展前的起步階段，未來發(fā)展空間巨大。歐洲和中國為主要的光伏建筑一體化市場，從中國光伏行業(yè)協(xié)會光電建筑專委會發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，我國2020年光伏建筑一體化裝機容量已達2 709 MW，總安裝面積為377.4萬m2，約占全球光伏建筑一體化總裝機量的70%[4]。

BIPV是將光伏發(fā)電方陣作為一個整體屋頂建筑構(gòu)件來替代傳統(tǒng)的屋面瓦，既可以進一步減少建筑成本，又能夠達到防水遮陽的效果。目前，該技術(shù)在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟，尤其是在工商業(yè)鋼結(jié)構(gòu)屋頂方面。

2 BIPV與平改坡結(jié)合要點

2.1 基于BIPV系統(tǒng)優(yōu)化傳統(tǒng)平改坡方案

在光伏項目建設(shè)過程中，屋頂上往往有較多的障礙物，如炮樓、水箱、通風管等。不同用途的屋頂在結(jié)構(gòu)、尺寸、遮擋物等方面也不盡相同，尤其是老舊小區(qū)的屋頂，因此需對傳統(tǒng)的BIPV系統(tǒng)進行升級改造，以適用于不同屋頂結(jié)構(gòu)形式。

平改坡技術(shù)是在保障原有房屋結(jié)構(gòu)承載力滿足要求的前提下，通過安裝人字屋架及屋面結(jié)構(gòu)，將原來的平屋面改造為坡屋頂。基于BIPV技術(shù)，對傳統(tǒng)平改坡方案進行優(yōu)化，具體特點有如下3點。

第一，屋架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)沿用傳統(tǒng)平改坡工程中人字屋架的做法，采用鋼架支高的方式，覆蓋原有的炮樓和水箱。

第二，將光伏發(fā)電方陣作為一個整體屋頂構(gòu)件，來替代傳統(tǒng)的屋面瓦。

第三，采用特制的支承構(gòu)件將光伏組件與屋架結(jié)構(gòu)連接在一起，通過光伏組件玻璃材料的憎水性、一定的屋面坡度、特制的BIPV支架，形成一套完善的防水系統(tǒng)。BIPV支架在相鄰兩塊光伏接縫處并沿屋脊傾斜面布置，組件縫隙的雨水可通過主梁順利地排入原建筑物的天溝與雨水管內(nèi)。

2.2 BIPV支架結(jié)構(gòu)

BIPV支架結(jié)構(gòu)主要包括主梁、次梁、支撐塊、壓塊等。主梁部分的安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，主梁兩側(cè)分別垂直架設(shè)一次梁。主梁截面呈U形，其肩部壓制有半圓形凹口，具有擋水的作用，防止外部水沿著主梁肩部滲入房屋內(nèi)。主梁底部外側(cè)各焊有一角鋼，角鋼通過螺釘與底部屋架檁條連接。

主梁上部設(shè)有支撐塊，支撐塊呈凸形，其兩側(cè)具有肩部，中間向外突出，突出位置鉆有一螺栓孔，螺栓孔內(nèi)設(shè)有螺紋。其肩部頂面卡在主梁肩部內(nèi)側(cè)，并采用電焊固定。兩塊光伏組件邊框分別擱置在支撐塊兩側(cè)頂部，其組件邊框縫隙內(nèi)設(shè)有壓塊，壓塊通過螺栓與支撐塊固連。壓塊上蓋有一通長壓條，壓條與主梁平行，壓條呈π形，壓條下端深入壓塊卡槽內(nèi)剛好卡緊壓塊卡鉤，壓條與組件外框間隙采用密封膠防水密封。

圖2為BIPV次梁結(jié)構(gòu)圖。從圖2可知，組件邊框兩端擱置在次梁腔內(nèi)，相鄰兩塊組件邊框間隙采用防水膠帶填充，并在其上端使用密封膠防水密封。

圖3為傳統(tǒng)的平改坡結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為優(yōu)化后的BIPV平改坡支架結(jié)構(gòu)示意圖。與傳統(tǒng)的防水維修改造方案相比，采用BIPV平改坡的方式在費用、使用壽命、居民舒適度、運維等方面有較大優(yōu)勢，不僅能夠解決老舊小區(qū)防水問題，提高居民居住舒適度，提升小區(qū)面貌與小區(qū)居民生活品質(zhì)，并且經(jīng)濟環(huán)保效益顯著。

3 技術(shù)應(yīng)用研究

3.1 項目概況

在杭州地區(qū)選取一幢住宅樓作為光伏建筑一體化平改坡的示范點，樓頂東西長38 m，南北寬13 m，采用平改坡設(shè)計原則，表面鋪設(shè)光伏組件，坡度15°。采用550 wp單晶硅組件，項目總裝機容量105.6 kWp。主要材料及設(shè)備清單如表1所示。

3.2 施工要點

對原有屋面結(jié)構(gòu)進行承載力核算，核算滿足要求后進行屋面平改坡施工。目前，屋面平改坡屋架結(jié)構(gòu)體系一般有兩種：一種是輕型鋼結(jié)構(gòu)體系，另一種是輕型木桁架結(jié)構(gòu)體系。這兩種結(jié)構(gòu)均為桁架體系，整體性和抗風性能好。由于木桁架結(jié)構(gòu)材料特性，其在強度、防火、防潮、防蛀等方面相比于輕型鋼結(jié)構(gòu)較弱。因此，在老舊小區(qū)改造中，輕型鋼結(jié)構(gòu)體系使用較為普遍。

屋架結(jié)構(gòu)體系安裝完成后，以屋架一側(cè)為起始點，按照圖紙對BIPV導(dǎo)水支架進行定位安裝，施工安裝過程如圖4所示。項目安裝完成后，對BIPV系統(tǒng)進行人工雨淋試驗，雨淋時間不應(yīng)小于2 h，雨淋試驗結(jié)束后，由專人負責檢查漏水點并做好記錄，保證整個BIVP系統(tǒng)有較好的密封性和防水性。

3.3 社會效益

在平屋面上加蓋了光伏斜屋頂，配合BIPV良好的防水、隔熱效果，解決了頂層住戶雨季漏水、夏天炎熱的問題。使用壽命方面，采用傳統(tǒng)的平改坡項目的壽命往往只有10年左右，使用過程中屋面也容易漏水，導(dǎo)致后期運維困難。采用BIPV的斜屋面使用壽命將達到25年，同時兼顧防水功能，減少后期維護。

將加蓋BIPV的單元樓頂層作為研究組，同小區(qū)未加蓋BIPV單元樓頂層作為對照組，在夏季7月20日至30日每天14：00采用溫度檢測儀對室外氣溫、頂層房屋室內(nèi)溫度分別進行監(jiān)測，各溫度如表2所示。

圖5為頂層室內(nèi)溫度對比圖。從圖5可以看出，相比于室外溫度，加蓋光伏板和未加蓋光伏板室內(nèi)溫度均有所降低，尤其加蓋了光伏板后，室內(nèi)溫度大幅降低。

未加光伏板的頂層室內(nèi)溫度范圍在34.7～38.7 ℃，平均溫度為36.7 ℃。加蓋了光伏板的頂層室內(nèi)溫度范圍在32.7～35.8 ℃，平均溫度為34.1 ℃。因此，在平屋頂上加蓋光伏斜屋頂，在夏季頂層室內(nèi)平均溫度能大幅降低，降低幅度約2.6 ℃。

3.4 經(jīng)濟環(huán)境效益

項目地經(jīng)緯度為E 120.111°、N 30.337°，采用Meteonorm氣象軟件對項目地每個月的輻射量進行計算，計算結(jié)果如表3所示。從表3上可知，項目地水平面年總輻射量為1 205 kW/m2。根據(jù)太陽輻照量、裝機容量、系統(tǒng)總效率等數(shù)據(jù)，計算可得，本項目25年總發(fā)電量約為236.37萬kW，25年平均年發(fā)電約9.45萬 kW，首年發(fā)電895.33 h。

太陽能光伏發(fā)電是一種清潔能源，利用自然太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽谵D(zhuǎn)換過程中不產(chǎn)生其他有害的氣體和固體廢物，是一種環(huán)保、安全、無污染的新型能源。光伏可替代傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電，按供電標煤耗305 g/kW·h計，25年總共能節(jié)約標煤720.9 t。相應(yīng)可減少多種大氣污染物的排放，其中減少二氧化碳約1 924.1 t，硫氧化物約14.65 t，氮氧化物約4.96 t。

4 結(jié)語

基于光伏建筑一體化技術(shù)在分布式光伏項目上的成熟應(yīng)用，本文以杭州一老舊小區(qū)為例，開展BIPV技術(shù)在平改坡上的應(yīng)用研究。得到如下結(jié)論：

第一，采用BIPV斜屋面兼顧夏天的遮陽與冬天的采暖，解決了頂層住戶陽光直射和雨水侵蝕問題，在夏季也能大幅降低頂層室內(nèi)溫度。

第二，表面鋪設(shè)光伏板提高了平改坡項目的使用壽命，減少后期維護。

第三，在經(jīng)濟和環(huán)境保護方面，該系統(tǒng)能發(fā)電創(chuàng)收，減少二氧化碳、氮氧化物等有害氣體的排放。

參考文獻

[1] 梁浩，王佳琪，龔維科.老舊小區(qū)改造促進傳統(tǒng)住宅物業(yè)管理轉(zhuǎn)型升級[J].城市發(fā)展研究，2021（8）：1-5.

[2] 夏曉敏，王軒，李瓊.既有住宅屋頂平改坡應(yīng)用技術(shù)[J].城市住宅，2014（5）：120-121.

[3] 陳林.BIPV新技術(shù)在住宅建筑中的示范應(yīng)用[J].科技與生活， 2012（17）：118+99

[4] 齊鵬飛，謝春梅，王焜，等.CdTe薄膜電池組件在光伏建筑一體化應(yīng)用分析應(yīng)用[J].玻璃，2021（7）：52-55.