改造型屋頂光伏建筑一體化項目設計要點淺析

謝清華，劉 專

（1.中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西 南昌 330096；2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096）

0 前言

光伏建筑一體化簡稱BIPV（building integrated photovoltaic），是直接將太陽能發電設備作為墻體或屋頂，使建筑兼具美觀的同時還具有發電的功能[1]。因此BIPV 設計應重點實現光伏電站的經濟效益，同時滿足建筑美觀、防雨、通風、散熱、采光等功能，還要便于施工，利于光伏電站后期運維[2]。

國、內外對BIPV 的研究起步較晚，缺乏專門的設計規范[1]，設計和施工經驗都相對較少，因此開展BIPV設計研究顯得很有必要。文中基于已完工BIPV項目，對相關設計進行總結、反思并提出優化建議，進一步促進BIPV的發展。

1 常見光伏建筑一體化項目類型及設計難點

1.1 常見光伏建筑一體化項目類型

按是否一體化設計分類，常見的BIPV 項目有前期設計和后期改造兩種。前期設計指建筑物在規劃設計初期即明確采用光伏建筑一體化設計，光伏發電系統作為建筑設計的一個子項，統籌設計。另一類屬于后期改造，即拆除現有建筑屋頂，利用光伏組件及其構件當作建筑屋頂，該類型為當前BIPV 項目的主流。

1.2 改造型光伏建筑一體化項目的設計難點

大多數改造型BIPV項目的廠房普遍存在使用年限長、原始設計資料缺失、預留荷載不足、廠內及廠區環境復雜等問題，給BIPV項目的接入設計、結構加固、屋頂布置、地面設備選型及布置、廠區電纜通道以及施工等帶來較大的困難，是老舊廠房BIPV項目設計難點[2-3]。

2 改造型光伏建筑一體化項目設計要點淺析

2.1 設計方案應滿足規范的要求

BIPV 缺乏專門的設計規范，設計時應采用成熟的電力、光伏以及建筑、結構等行業現有的設計規范，參數標準不得低于上述規范要求。

2.2 加固設計

2.2.1 確保設計輸入資料真實、可靠

在既有廠房開展加固設計，應提前收集廠房的總平面、建筑、結構、電氣、管線、排水、暖通等專業齊全的圖紙。但因部分廠房由于保管不善導致原始設計資料缺失，實際采購材料與圖紙不符，廠房年久失修造成建筑主材銹蝕、損壞等因素，使得加固設計單位收集的資料不全或真實性存疑。

因此，為確保設計輸入資料的準確性，應全力收集所需各種原始設計資料，務必現場復核以確保資料的真實性，另一方面應委托專業單位對廠房實際結構情況進行復測、建模、驗算荷載。

2.2.2 加固設計

加固設計以原設計圖、荷載驗算報告及結構現狀復原圖為依據，結合結構狀態、廠內生產情況、施工環境等采用焊接、鉆孔、預應力、粘鋼技術等一種或幾種綜合的設計方案。

2.3 BIPV光伏組件選型設計

BIPV 屋頂由光伏組件、運維通道、采光器件、運維圍欄及清洗系統等組成，BIPV 項目屋頂應盡可能滿鋪光伏組件以保證發電效益最大化。

對于采用常規單玻晶硅組件的，因單玻組件承重有限，因此BIPV屋頂要合理設計較多的運維通道，便于清洗及組件更換等日常運維。為了盡可能多安裝光伏組件，可以設計采用承重能力強的鋼化玻璃當作運維通道，同時滿足通道和采光的需求，如圖1所示。

圖1 鋼化玻璃運維/采光器件

對于采用雙玻晶硅組件的BIPV項目，因雙玻組件承重能力強，人員站立其上進行日常運維而不損傷組件，故除按需求設計少量采光假組件外，可真正做到屋面滿鋪，裝機容量大大提高，如圖2所示。

圖2 雙玻組件承載效果

同等屋頂面積情況下，單玻/雙玻組件方案特點，如表1所示。

表1 單玻/雙玻組件方案對比表

采用單玻組件還是雙玻組件方案應綜合考慮光伏系統投資、收益及運維等多種因素。

2.3 廠房通風、散熱設計

直接采用光伏組件作為屋頂的BIPV 方案不利于屋頂的通風散熱。光伏組件發電時，組件因吸收陽光而溫度急劇升高，一般維持在70 ℃～90 ℃之間。發熱的光伏組件成為熱源持續向下方空間發送熱量，易導致廠房內溫度升高。多個已完工項目實測顯示，同一廠房安裝BIPV 區域較不安裝BIPV 區域溫度有約4 ℃～7 ℃攝氏度的溫升，十分不利于人員密集場所工作人員的健康，如圖3所示。

圖3 BIPV廠內溫升對比

因此，在設計階段可采取多種手段提升廠房的通風、散熱效果，如：1）保留原有屋頂氣樓（如有）；2）廠房四壁增加氣窗或通風孔；3）增加機械強排風；4）減少廠房內部隔斷，促進空氣流通；5）研發屋頂通風-采光-防雨一體化器件，促進自然/機械排風，如圖4所示；6）采光件采用毛玻璃，防止陽光直射。

圖4 BIPV透光通風專利技術

2.4 屋頂采光設計

對既有廠房改造BIPV，屋頂采光設計充分調查廠房屬性、功能及使用者特殊要求等，還應兼顧BIPV容量、美觀及運維等要求。

BIPV 采光量原則上不低于原有采光需求，還應根據實際需求靈活設計。

2.5 屋頂防雨設計

BIPV 的建筑功能要求屋頂具有良好的防水效果，否則容易造成損失引起經濟甚至法律糾紛。

直接采用光伏組件作為屋頂的BIPV方案，其防水設計一般是以光伏組件作為主過水面，屋面滲水則采用縱向支架作為主導水槽，組件拼接處下方設置橫向導水槽，組件之間用阻水膠條密封的組合防滲-倒排方式，屋面滲水由橫向導水槽導向縱向導水槽，縱向導水槽匯集后流向屋頂天溝或直接外排，理論上具有良好的防水效果。但在實際施工時，因膠條長度裁剪不合格，組件、支架安裝誤差等因素導致BIPV器件間存在縫隙或孔洞，造成下滲水量超標，在暴雨等極端天氣時易造成縱向主導水槽水滿外溢引起廠內漏水。

為解決此類問題，設計上應按規范收集當地多年一遇的最大降雨量，結合安裝規范要求并考慮誤差，以一定的比例（建議不低于20%）計算滲漏水量從而計算主導水槽、橫向導水槽的過水截面積，確保最大降雨情況主導水槽、橫向導水槽不會水滿外溢。對于跨度比較大（單坡跨度超過30 m）且屋面坡度低于5°的屋面，因匯水量大且排水速度慢，應進一步加大主導水槽的過水截面積。

實踐表明，主導水槽與組件間的拼接縫隙是引起BIPV 屋頂發生滲漏的主要原因，滲水量大。為了避免這種現象，可沿主導水槽上方通常設計安裝一條鋁合金防水蓋板，蓋板的兩側覆蓋主導水槽與組件間的拼接縫隙，防雨水滲漏效果很好，如圖5所示。

圖5 BIPV防水設計示意圖

2.6 屋頂清洗系統及安全圍欄設計

清洗系統是保證BIPV系統發電量的重要輔助設施，清洗系統設計應滿足以下幾個基本原則：1）水壓足夠，應能確保最遠出水點水壓滿足，否則應安裝增壓泵；2）管道布置合理，便于運維，相鄰出水點應確保能交叉覆蓋范圍內光伏組件；3）根據當地氣象條件，合理設計保溫；4）管道避免對光伏組件產生陰影遮擋。

對于沒有女兒墻的屋頂BIPV 項目，按規范應設計安全圍欄，安全圍欄高度既要滿足規范要求，也應避免對對光伏組件產生陰影遮擋。安全圍欄可采用夾具安裝方式固定在散水或包邊彩鋼瓦上，或焊接在屋頂檁條上，采用焊接方式應做好防水。

3 結語

BIPV 項目起步較晚，但是行業發展迅猛，前景光明。文中依托已完工BIPV 項目，對加固設計，BIPV組件選型、通風散熱、采光、屋頂防雨及清洗安全圍欄等設的計經驗教訓做了較全面的分析總結，希望能給更多的BIPV項目設計提供一定的參考。