裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設計

袁 磊，卓獻榮

（仲愷農業工程學院機電工程學院，廣州 510550）

屋頂起到保護房屋免受自然因素影響的作用。同時，屋頂也是一種文化，可以將某個地域、某個時代的建筑和文化的特色具體地展現出來[1]。屋頂空間的設計不僅僅影響到建筑結構的完整性，也在一定程度上對于建筑文化的傳承和建筑形象的塑造起到關鍵性作用。因此，屋頂空間的設計具有非常重要的意義。

在對裝配式建筑加裝光伏發電系統的屋頂空間進行設計時，要根據裝配式建筑和光伏系統各自的特性合理安排，合理的屋頂空間設計不僅對建筑物的形象美觀起著極其重要的作用，還能夠提高裝配式建筑屋頂光伏板的使用效率，節約資源，保護環境。

在鄉村振興等戰略的推動下，在裝配式建筑上裝載光伏發電這種建筑節能和新能源開發利用相結合的形式應用于嶺南農村建設，不僅能夠解決嶺南地區因夏季漫長而用電能耗巨大的問題，還能夠改善農村居住環境，加快農村經濟發展，加速鄉村振興步伐[2]。

1 裝配式建筑簡述

隨著建造方式的變革和工程建設的不斷發展、完善，工廠預制建筑部件在施工場地裝配成建筑的裝配式建筑形式得到廣泛應用[3]。相較于傳統建筑，裝配式建筑能夠節約建造成本、降低建筑能耗、減少施工污染，提高建筑質量和建造效率，進一步推進我國供給側結構性改革和城鎮化發展。為了推進建筑節能的高效發展，我國于近幾年大力探索與創新裝配式建筑技術，在政策與技術的扶持下，取得了可觀成果。但跟發達國家相比，我國裝配式建筑起步較晚，技術水平較低、成本管控方面也略有不足，處于相對落后階段。因此，作為現代建筑中前沿技術的裝配式建筑在我國不僅有很大的發展前景，還有漫長且艱巨的道路要走。

裝配式建筑有如下特點。

第一，在工廠車間生產加工完成內外墻板、陽臺、樓梯和預制板等建筑部件，運輸至施工場地進行裝配。因其大部分部件都是制作好的裝配件，這將大大降低建筑和人工成本，減少現場澆筑的工作量，縮短建筑建造的工期，比傳統建筑模式具有更高的性價比。

第二，裝配式建筑在生產與施工過程比傳統建筑工藝有著更少的廢水和廢氣排放，能夠減少對環境的污染，也能在一定程度上降低建筑能耗，符合節能減排的理念和綠色建筑的要求。

第三，裝配式配件的設計遵循標準化原則，通過工廠車間的工業化、信息化生產，利用裝配化理念進行施工，降低了生產成本，提高了施工效率。

2 光伏發電系統概述

2.1 技術原理

光伏發電是半導體光伏電池板界面吸收太陽光照，然后通過光生伏特效應將光能轉化為電能的一種發電技術。半導體表面在受到光照后經過一系列的反應產生帶電的光電子，光電子的離散現象促使電子進行移動形成電勢差進而產生電壓，成為太陽能電池[4]。將若干太陽能電池單體進行串、并聯連接，然后用封裝材料（EVA、POE 等）嚴密封裝和保護，再配以鋼化玻璃、功能背板、接線盒等部件形成太陽能電池組件。太陽能電池組件配合功率控制器使用就形成了光伏發電裝置。太陽能電池組件、控制器、逆變器和蓄電池（組）是光伏發電系統主要的組成部件，相關簡介如下。

太陽能電池組件：太陽能電池組件是光伏發電的核心部分，也叫作太陽能電池板和光伏組件，主要作用是促使太陽能轉化為電能供給負載使用或儲存在蓄電池中。電池組件的光電轉換效率較高，具有很高的可靠性，該部分的質量和成本直接決定光伏發電整個系統的質量和成本。目前，太陽能電池組件主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池3 類。

控制器：控制器是光伏發電系統的重要組成部分，全稱為太陽能充放電控制器，主要用來調控太陽能電池組件的電能輸出、負載的工作狀態及蓄電池（組）的充放電以確保光伏系統的正常、安全運行。

逆變器：逆變器的工作原理是通過控制電路來控制整個光伏發電系統的運行，將太陽能電池組件產生的直流電轉換為穩定的交流電，以供交流負載的使用。

蓄電池（組）：其作用是將太陽能電池組件產生的電能儲存起來，在需要用電時進行放電使用，一般與控制器聯合使用，用來控制蓄電池（組）的充放電并起到保護作用，防止蓄電池（組）壽命受損。

2.2 技術優勢

光伏發電系統與常規發電系統相比，有如下優勢。

首先，太陽能資源非常豐富，廣泛分布在全球各處，只要存在光照，便有利用光伏發電系統進行發電的可能。光伏發電系統的應用領域繁多，建筑、畜牧、交通、海洋和沙漠等領域都與光伏發電系統有著很好地結合。

其次，太陽能安全、無污染、可再生。光伏發電過程不產生溫室氣體和廢氣、廢液等對環境有害的物質。光伏組件可進行回收處理，避免造成污染。光伏發電與建筑結合能降低建筑能耗，滿足居民電能需求。

最后，光伏發電系統結構簡單、安裝容易，對場地要求也不高，只要有光照，沙漠、海洋、建筑屋頂與立面空間等場地，均可安裝光伏系統進行發電。

3 裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設計的原則

3.1 人本性原則

以人為本是基礎，屋頂空間的設計主要是為滿足人們對于建筑空間使用的需求，以提供更好的居住體驗。在進行屋頂設計時要充分考慮到居民的行為習慣、心理需求，及其對于屋頂外觀造型、保溫隔熱等相關要素的要求，設計出滿足人們使用和審美相統一的建筑[5]。

3.2 實用性原則

在進行建筑屋頂空間設計時，使用合理的設計方法，提高屋頂空間的利用率，充分發揮屋頂空間的實用性能。

3.3 美觀性原則

在設計建筑屋頂空間時，不僅要滿足實用性原則，還要考慮添加一些美感的設計。處理好地方文化特色、自然環境及建筑風格樣式等影響因素，建筑屋頂的美觀性才能有所保障。

3.4 經濟性原則

要充分考慮整體經濟性原則，并善于利用新技術和新材料來提高使用效率和經濟效應，減少后期的管理與維修成本。

3.5 個性化原則

遵循個性化原則，應做到在進行建筑空間設計時不能一概而論，要根據不同的使用對象對建筑空間的不同使用需求來進行個性化設計。

3.6 整體性原則

建筑屋頂空間形象對建筑整體的外部形象有著很大的影響作用。因此，在設計屋頂造型與藝術效果的同時，也需要考慮到與建筑主體的協調統一[6]。建筑往往是與周圍環境一同存在的，并且會互相影響，所以要充分考慮建筑與環境的有機結合。

4 裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設計的要求

裝配式建筑屋頂的空間設計是在完備的建筑屋頂結構的基礎上進行的，因此，每一塊預制件都必須嚴格按照標準來生產，不僅要滿足基本的實用功能還要兼顧美觀性。此外，在安裝光伏發電組件后不能影響建筑本身承重、采光、通風和防水等實用功能，還要在最大程度上提高空間利用率。

在裝配式建筑屋頂加裝光伏板需要滿足固定荷重和風壓、雪壓、地震等荷載；同時，還要有足夠能力來承載光伏組件、支架、光伏線纜的重量及施工或維修人員、工具等臨時性活荷載。

裝配式民宅屋頂在預制時所選取的建筑材料要具有不易燃燒和能阻止火勢蔓延的性能。

農村地區的屋頂消防措施也是必不可少的，但是需要兼顧實用性和經濟性。

裝配式建筑屋頂加裝光伏板后要根據相關規定的要求來合理安裝防雷與接地系統。

在嶺南鄉鎮裝配式建筑屋頂安裝的光伏板朝向最適宜為向南安裝，且需要根據場地的緯度來設計光伏板安裝的角度，這樣才能得到最多的太陽輻射和最高的發電量。合理地設計光伏板朝向和角度，可以最大程度上實現能源的超值利用。

要合理布置光伏導線，防止因布線的不合理造成故障，帶來危害。電纜線路的選擇及施工也都應該嚴格遵循規范要求。

如果要將裝配式建筑加裝光伏板的屋頂空間作為居住空間來使用的話，要滿足建筑對于采光、通風等基本要求，而且屋頂居住空間環境也要適宜，方便居住。

光伏板需與建筑屋面平行且有機結合，不得超出屋面外沿，光伏板最高點不得高過屋脊。

要確保光伏組件能夠正常且安全地運行，還要考慮到相關設備后期的保養與維修。要提前為鄉村規劃、水電增容等預留合適的空間[7]。

屋頂空間設計不應只考慮到太陽能的利用，還應該將雨水與植物等其他資源結合應用。建筑屋頂的綠化不僅可以提高建筑屋頂空間的利用率，還可以加強建筑的美觀性和提高生態效益[8]。而通過設計雨水循環系統將收集的雨水用來澆灌植物，可以有效節約和循環利用雨水資源，減少資源的浪費。在與其他資源結合利用時，要避免對建筑屋頂空間結構造成破壞，也要避免對光伏系統產生影響。

5 裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設計的影響因素

5.1 裝配式建筑與太陽能一體化程度的影響

在既有的裝配式建筑屋頂加裝光伏組件，所展現出的一體化程度并不高。真正想要做到裝配式建筑光伏一體化需要有效融合建筑材料與光伏發電的功能，將光伏組件作為建筑材料來使用[9]。因此，為了最大程度體現出裝配式建筑與光伏發電的優勢，加強裝配式建筑與光伏一體化程度，要在新建裝配式建筑屋頂的預制時，要求其不僅具備光伏發電功能，還要滿足一般建筑材料對于防水性、安全性、美觀性等方面的要求。將光伏發電系統與裝配式建筑屋頂相結合，不僅可以充分利用裝配式建筑屋頂空間，還能極大地提高對于太陽能資源的利用，增加建筑屋頂功能的同時又添加了一些建筑美感。

5.2 建筑美學的影響

美學因素對建筑的設計有著很大的影響，建筑的設計不能脫離了建筑美學。建筑美由建筑功能美和建筑形式美所組成。建筑功能美著重體現在建筑的功能能夠滿足人物質和精神的一般需求。形式美是功能美的外在形式，是動態的、不斷地發生變化的[10]。在建筑屋頂空間的設計時，要將功能美與形式美相統一，才能創造出具有藝術構思與美學理念的高水平建筑作品。

5.3 人文及文化的影響

鄉鎮作為文化的載體，承載著中國悠久歷史中無盡的人文文化底蘊。鄉鎮建筑也在濃厚文化氛圍的暈染下，具備了靈活多變的風格和特色。鄉鎮建筑屋頂空間的設計也因此深受當地人文及文化底蘊的影響[11]。因此，嶺南鄉鎮裝配式民宅安裝光伏板屋頂空間的設計應結合當地人文特色和建筑文化內涵，從而形成富有嶺南地域文化特點的建筑藝術。

5.4 鄉鎮環境的影響

環境因素對建筑的設計有著至關重要的作用，建筑的外形及功能都要考慮到環境的影響[12]。裝配式建筑構件在預制時就要選擇具有合適性能的建筑材料以滿足環境對建筑的要求。裝配式建筑與周圍地形、綠化環境等自然因素的有效融合，不僅能夠提高建筑美觀性，也能進一步將建筑整體與周邊環境有機結合，達到一個和諧統一的效果。建筑的周邊環境也很重要，陰影的遮擋不僅會影響屋頂光伏的發電效率，也會嚴重影響光伏組件的壽命。因此，在光伏系統周邊區域避免有障礙物的存在。

總而言之，在嶺南鄉鎮低層裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設計的過程中，要結合裝配式民居實際的建設情況，還需要考慮到周邊環境因素的干擾，并對嶺南鄉鎮文化特色做到全面了解，才能夠與現有的建筑空間相融合，構建出合理的屋頂空間設計[13]。

5.5 光伏組件的影響

光伏組件安裝不恰當，可能會破壞屋頂的防水結構，不僅造成一定的危害，也會對后期的養護和維修造成困難。因此，在裝配式建筑屋頂安裝光伏系統時，要謹慎安裝，避免造成破壞。此外，在滿足經濟適用、美觀合理設計理念的基礎上，再對光伏立面進行一定的設計，不僅能夠提高屋頂空間利用率、增強光伏發電的效率，還能對建筑形象起到優化作用[14]。

5.6 經濟因素的影響

我國大部分鄉村經濟水平都較為落后。在進行設計時，不僅要以適應當地經濟水平為前提，還應嚴格遵循建筑經濟指標的相關規范，做到不濫用高級建筑材料，也不因盲目節約而導致建筑實用功能的不合理。為了降低能耗和后期維護成本，需要在適用性和安全性條件下，合理選擇技術上可行、經濟上合理的屋頂空間設計方案[15]。善于利用新技術和新材料來提高使用效率和經濟效益。

5.7 設計者自身因素的影響

設計者自身不僅需要有專業的學科知識和豐富的設計經驗，還要具備較高的審美能力。要學習先進設計理念，敢于創新，敢于實踐，不斷地提高自身設計水平，設計出合理、安全、高性能的作品。

6 結束語

在“碳達峰”“碳中和”要求的時代背景下，實現裝配式建筑與光伏發電系統的有機結合是“雙碳”目標能夠順利達成的重要方式之一。裝配式建筑加裝光伏板屋頂空間的設計對于提高建筑物的形象美觀和光伏板的使用效率都具有十分重要的意義。文章針對裝配式建筑屋頂空間設計進行深入分析和探討，提出相關原則、要求和影響因素，希望能通過裝配式建筑加裝光伏板屋頂空間的設計切實有效地降低建筑自身的能耗與碳排放量，提高鄉鎮經濟效益和社會效益，加快嶺南鄉鎮向著具有嶺南特色的現代化新型城鎮前進的步伐。