BIPV模式在工業(yè)廠房屋頂?shù)膽?yīng)用研究

收稿日期：2023-01-05

通信作者：詹永和（1992—），男，學(xué)士、中級工程師，主要從事光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究。379854246@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230105.02 文章編號：1003-0417（2024）02-11-06

摘 要：中國大力推進(jìn)分布式光伏發(fā)電的同時，存在許多工業(yè)廠房屋頂無法滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝條件的問題，這極大制約了光伏發(fā)電技術(shù)的推廣。由于傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)是直接附著在建筑物屋頂，即采用的是BAPV模式，這會導(dǎo)致因需增加建筑物的承載力而增加建設(shè)成本的情況出現(xiàn)，從而制約了分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用，而將光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑集成的光伏建筑一體化（BIPV）模式可有效解決此類問題。針對BIPV模式和BAPV模式對工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究，并根據(jù)實(shí)際案例對這兩種模式下的光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)成本進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：1）BIPV模式相較于BAPV模式可以減少工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)屋頂恒荷載，對于輕微超限的項目可以省去加固成本，對于超限明顯的項目可以減少加固成本。2）在同等建設(shè)條件下，BIPV模式相較于BAPV模式可以減少屋頂建設(shè)成本；并且從中長期來看，相較于BAPV模式，BIPV模式平均1萬m2的廠房可以減少126萬建設(shè)維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：BIPV模式；BAPV模式；工業(yè)廠房；分布式光伏發(fā)電

中圖分類號：TU18/TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

“十四五”時期，中國鼓勵發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)和綠色建筑，而將光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑集成的光伏建筑一體化（BIPV）模式[1]將迎來發(fā)展新機(jī)遇。中國為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，將積極推動包括BIPV在內(nèi)的綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2]。2022年中國各省接連發(fā)布支持BIPV發(fā)展的相關(guān)政策，比如，發(fā)布提高BIPV項目補(bǔ)貼的政策。過去，BIPV模式受限于較高成本而發(fā)展緩慢，但隨著光伏行業(yè)的蓬勃發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)成本逐年減少，再加上BIPV項目補(bǔ)貼，此種模式將迎來高速發(fā)展階段。

目前市場上對于BIPV模式的研究主要集中在其造價方面，而對于其如何應(yīng)用在工業(yè)廠房屋頂上則未投入較多精力進(jìn)行研究。對于分布式光伏發(fā)電技術(shù)在工業(yè)廠房屋頂上的應(yīng)用，市場上主要以附著在建筑物上的光伏發(fā)電系統(tǒng)（BAPV）模式[3]為主，因?yàn)榇蟛糠滞顿Y商認(rèn)為BIPV模式的造價會遠(yuǎn)高于BAPV模式。本文針對BIPV模式和BAPV模式對工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究，并對這兩種模式下的光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)成本進(jìn)行分析，從而較直觀地反映影響B(tài)IPV模式在工業(yè)廠房應(yīng)用的因素，為今后此類項目在工業(yè)廠房應(yīng)用提供理論參考。

1" BIPV模式

目前國內(nèi)建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計方案主要是BIPV和BAPV這兩種模式，本文以BAPV模式作為參照，主要討論BIPV模式的應(yīng)用。

BAPV模式以建筑物為載體，通常在建筑物屋頂處布置光伏組件，形成屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，是當(dāng)前國家大力推進(jìn)的整縣（市、區(qū)）分布式光伏發(fā)電項目的主要應(yīng)用形式，適用范圍較廣。BAPV系統(tǒng)主要包括光伏組件、光伏支架及相關(guān)金屬壓塊、用于光伏支架與建筑物固定連接的夾具、配重塊、螺栓等。其中，光伏支架材質(zhì)可根據(jù)具體情況采用6063鋁合金、Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、Q355低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼等。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計驗(yàn)算時，需保證整個BAPV系統(tǒng)在恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、地震等作用下及不影響主體建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等情況下的可靠性。

與BAPV模式不同，采用BIPV模式時，光伏組件直接作為屋頂使用，其在發(fā)電的同時兼具建筑功能，屬于建筑的一部分。BIPV模式屬于新型的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，其可節(jié)約大量的土地資源，是未來分布式光伏發(fā)電的主要形式。當(dāng)前BIPV模式主要是應(yīng)用在新建的工業(yè)建筑上，比如工業(yè)園區(qū)的廠房、倉庫等的屋頂，而其在商用建筑和民用建筑上的應(yīng)用則較為有限，以應(yīng)用在大型綜合性超市、高層寫字樓等的屋頂或墻面為主，在全國范圍內(nèi)BIPV模式的應(yīng)用還很有限。

BIPV系統(tǒng)主要包括光伏組件、防水支架及相關(guān)金屬壓塊、Z型鋼光伏組件中部支撐結(jié)構(gòu)、透明檢修走道（可根據(jù)建筑功能選裝）、檢修鈑金走道及彩鋼板走道、根據(jù)建筑實(shí)際情況設(shè)計的各種水切擋水板和防水膠條、屋脊蓋板等。為減少建筑主體結(jié)構(gòu)的荷載負(fù)擔(dān)，防水支架以Q355低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)為主，Z型鋼采用Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。在布置光伏組件時，BIPV模式需額外注意防水結(jié)構(gòu)的施工水平，確保整個屋面形成防水結(jié)構(gòu)。

2" BIPV模式在工業(yè)廠房屋頂應(yīng)用的影響因素

2.1" 承載力

雖然國家在大力推廣屋頂分布式光伏發(fā)電項目，但廠房結(jié)構(gòu)承載力不足是制約此類項目落地的因素之一。目前，工業(yè)園區(qū)中采用輕型鋼結(jié)構(gòu)的廠房占據(jù)較大比例。

2017年，GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的出臺取代了2003版的該規(guī)范；2018年，GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的出臺取代了2001版的該規(guī)范；2021年，GB 55001—2021《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》和GB 55006—2021《鋼結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》出臺。隨著新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范逐步出臺，建筑的設(shè)計參數(shù)、安全系數(shù)不斷提高，使許多采用舊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計的工業(yè)廠房無法滿足現(xiàn)有規(guī)范下的承載要求，需進(jìn)行加固。此時可采用BIPV系統(tǒng)來降低廠房額外的加固成本。

目前，采用輕型鋼結(jié)構(gòu)的廠房的屋頂普遍由鋼梁、檁條、彩鋼瓦屋頂組成。彩鋼瓦屋頂通常采用0.6 mm厚的單層彩鋼板，通過查詢GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]可得到此種厚度的彩鋼板的自重約為0.13 kN/m2，而光伏組件加上防水支架及配套輔材（下文簡稱為“光伏組件及其配套設(shè)施”）后的重量約為0.20 kN/m2。當(dāng)在此類屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)后，相當(dāng)于屋頂總重量約為0.33 kN/m2，但以重量約為0.20 kN/m2的光伏組件及其配套設(shè)施替換此種厚度的單層彩鋼板，則可以大幅降低鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)暮愫奢d。

以某工業(yè)廠房為例，其屋頂彩鋼瓦與檁條的總恒荷載為0.20 kN/m2，屋頂活荷載為0.50 kN/m2，基本風(fēng)壓取0.30 kN/m2（根據(jù)設(shè)計要求，按50年重現(xiàn)期取值），基本雪壓取0.45 kN/m2（根據(jù)設(shè)計要求，按100年重現(xiàn)期取值），單榀跨度為8 m，BAPV模式下光伏組件加光伏支架的荷載按0.15 kN/m2取值。基于上述參數(shù)，分別利用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM進(jìn)行BAPV和BIPV模式下鋼梁上方的恒載布置及配筋包絡(luò)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比計算。剛架的立面圖如圖1所示。圖中的H代表H型鋼。

當(dāng)采用BAPV模式時，即將光伏組件直接安裝在彩鋼瓦屋頂時，屋頂恒荷載（即彩鋼板+檁條+光伏組件及其配套設(shè)施的總荷載）取0.35 kN/m2。將該值輸入PKPM軟件，得到BAPV模式下鋼梁上方的恒荷載布置圖，如圖2所示。

利用PKPM軟件得到的BAPV模式下的配筋包絡(luò)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比如圖3所示。圖中紅字表示數(shù)值超限。

當(dāng)采用BIPV模式時，即以光伏組件替換彩鋼瓦屋頂時，屋頂恒荷載取0.27 kN/m2。將該值輸入PKPM軟件，得到BIPV模式下鋼梁上方恒荷載布置圖，如圖4所示。

利用PKPM軟件得到的BIPV模式下的配筋包絡(luò)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比如圖5所示。

結(jié)合圖2～圖5可以發(fā)現(xiàn)：BIPV模式可以有效減輕屋頂恒荷載從而降低剛架應(yīng)力比（即配筋包絡(luò)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比）。對于部分超限程度較輕的輕型鋼結(jié)構(gòu)，采用BIPV模式可以滿足剛架的承載要求，不需要再對房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行額外加固，從而降低了BIPV系統(tǒng)的建設(shè)成本；而對于超限明顯的項目則可以減少加固成本。

2.2" 成本分析

成本是工業(yè)廠房采用BIPV模式時需重點(diǎn)考慮的因素之一。下文以某分布式光伏發(fā)電項目為例，對其分別采用BAPV模式和BIPV模式時的成本進(jìn)行分析。

2.2.1" 項目案例

以江西省高速電建新能源有限責(zé)任公司投資的江西交通應(yīng)急養(yǎng)護(hù)基地分布式光伏發(fā)電項目為例，根據(jù)業(yè)主方要求，本項目采用BIPV模式，擬利用養(yǎng)護(hù)基地5個倉庫（1#～5#倉庫）的屋頂進(jìn)行建設(shè)，總建設(shè)面積約為12949 m2，光伏組件總裝機(jī)容量為1.68 MW。項目所在地位于江西省九江市共青城市科技二大道，地理位置為29°14′4.74′′N、115°44′51.13′′E。

養(yǎng)護(hù)基地倉庫屋頂采用BIPV模式，可以實(shí)現(xiàn)對原有屋頂?shù)拈_發(fā)利用，并且該模式在產(chǎn)生“綠色”電力的同時，從中長期來看，相較于BAPV模式，其還可以有效減少項目建設(shè)成本，達(dá)到對土地進(jìn)行綜合利用的效果。該養(yǎng)護(hù)基地倉庫屋頂采用BIPV模式后的效果圖如圖6所示。

5個倉庫屋頂?shù)墓夥M件安裝情況如表1所示。

在實(shí)際的BIPV項目中，光伏組件排布往往會受到諸如建筑物自身屋頂結(jié)構(gòu)或周圍其他建筑物遮擋等因素的影響，為了降低發(fā)電成本，并保證發(fā)電量達(dá)到最優(yōu)，需重點(diǎn)考慮光伏組件的排布問題。

2.2.2" 案例成本分析

根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)采用BAPV模式時，若不考慮加固成本，則光伏發(fā)電系統(tǒng)每瓦投資成本約為3.6元；而本項目采用的是BIPV模式且業(yè)主對美觀性要求較高，因此，經(jīng)測算本項目的每瓦投資成本約為4.1元。按照經(jīng)驗(yàn)來說，本項目的收益率無法達(dá)到業(yè)主方要求，并不具備投資價值。但經(jīng)過設(shè)計方與業(yè)主方溝通，采取成本轉(zhuǎn)移的商業(yè)模式，在廠房設(shè)計階段對BIPV模式和BAPV模式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比，將采用BIPV模式時節(jié)約的屋頂建設(shè)、維護(hù)成本與項目額外增加的防水支架成本相抵消的方式，使項目收益率達(dá)到業(yè)主方要求。

根據(jù)實(shí)際項目的成本，在光伏組件類型一樣的前提下，當(dāng)1萬m2彩鋼瓦屋頂新建光伏發(fā)電系統(tǒng)時，將采用 BAPV模式與采用BIPV模式時的項目成本進(jìn)行對比，如表2所示。

從表2可以看出：相同建設(shè)條件下，采用BIPV模式比采用BAPV模式可增加30%的光伏組件裝機(jī)容量；且考慮前期的彩鋼瓦屋頂建設(shè)、后期的維護(hù)成本后發(fā)現(xiàn)，采用BIPV模式比采用BAPV模式可節(jié)省126萬元。

由此可知，采用BIPV模式比采用BAPV模式具有建設(shè)成本優(yōu)勢。本案例中的各項成本僅供參考，在工程中仍需以實(shí)際情況進(jìn)行測算與衡量。

3" BIPV模式當(dāng)前存在的問題

根據(jù)當(dāng)前全球最大的BIPV項目——江西省高安市建陶基地（一期120 MW）屋頂分布式光伏發(fā)電項目及其他已建或在建的BIPV項目的現(xiàn)場勘察和調(diào)研結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相較于較為成熟的BAPV模式，BIPV模式當(dāng)前的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）短期建設(shè)成本高。從短期建設(shè)成本來看，與目前應(yīng)用范圍較廣的BAPV模式相比，BIPV模式的單位建設(shè)成本至少多0.5元/W，其在材料成本、技術(shù)設(shè)計及安裝施工方面的成本有待通過政策的扶持和技術(shù)的突破來得到降低。但從中長期來看，采用BAPV模式的屋頂?shù)木S護(hù)成本會大幅超過采用BIPV模式的屋頂維護(hù)成本，所以從中長期來看BIPV模式在經(jīng)濟(jì)性上仍有很大優(yōu)勢。

2）建筑通風(fēng)性能會影響光伏組件發(fā)電效率。光伏組件發(fā)電時會產(chǎn)生熱量，若建筑本身的通風(fēng)性能不佳，則會降低光伏組件的發(fā)電效率，增加室內(nèi)溫度，導(dǎo)致建筑節(jié)能性大幅下降的不利局面產(chǎn)生。所以在確定采用BIPV模式后，需對建筑的通風(fēng)性能進(jìn)行評估，性能不佳的建筑建議進(jìn)行改造后重新評估。目前BIPV模式多用于工業(yè)廠房的倉庫。

3）施工要求高。BAPV項目的施工一般在原屋頂即可，但BIPV項目由于沒有屋頂層，施工時可能需采用專門的吊車、拖車等。且在安裝主體防水結(jié)構(gòu)時，對施工工藝的要求十分嚴(yán)格，一個小紕漏就可能導(dǎo)致雨天屋內(nèi)漏水，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。所以尋找具有BIPV項目經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)施工隊來進(jìn)行施工可以大幅降低因施工原因?qū)е碌南嚓P(guān)風(fēng)險。

4" 結(jié)論

本文使用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件模擬計算方法，分析了工業(yè)廠房分別采用BIPV模式和BAPV模式時對結(jié)構(gòu)承載能力的影響，并通過實(shí)際案例對比分析了兩種模式對項目建設(shè)、運(yùn)維成本的影響。主要結(jié)論如下：

1）BIPV模式相較于BAPV模式可以減少工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)屋頂恒荷載，對于輕微超限的項目可以省去加固成本，對于超限明顯的項目可以減少加固成本。

2）在同等建設(shè)條件下，BIPV模式相較于BAPV模式可以減少屋頂建設(shè)成本；并且從中長期來看，相較于BAPV模式，BIPV模式平均1萬m2的廠房可以減少126萬元建設(shè)維護(hù)成本。

隨著國家對BIPV模式的不斷重視，BIPV項目的電價補(bǔ)貼的出現(xiàn)，BIPV模式必將迎來更廣闊的發(fā)展前景。

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Research And Application Of BIPV Model In

Industrial Plant ROOFS

Liu Xiaolong1，Wu Qinlei2，Wang Zhibin3，Zhan Yonghe3

（1. Jiangxi High-speed Power Construction New Energy Co.，Ltd，Nanchang 330001，China；

2. Jiangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanchang 330001，China；

3. Jiangxi Hengneng Electric Power Engineering Co.，Ltd，Nanchang 330001，China）

Abstract：While the country vigorously promotes distributed PV power generation，there are many industrial plant roofs that cannot meet the installation requirements of PV power generation systems，which greatly restricts the promotion of PV power generation technology. Due to the traditional PV power generation system being directly attached to the roof of buildings，which adopts the BAPV mode，it will lead to situation where construction costs increase due to the need to increase the bearing capacity of buildings，thereby restricting the development of distributed PV power generation. The PV building integration （BIPV） mode that integrates PV power generation systems with buildings can effectively solve such problems. This paper studies the impact of BIPV and BAPV modes on the steel structure of industrial buildings，and analyzes the construction and maintenance costs of PV power generation systems under these two modes based on actual cases. The research results show that：1） Compared with BAPV mode，BIPV mode can reduce the constant load on the steel structure roof of industrial buildings，for projects with slight exceeding the limit，reinforcement costs can be cancelled，and for projects with obvious exceeding the limit，reinforcement costs can be reduced. 2） Under the same construction conditions，the BIPV model can reduce roof construction costs compared to the BAPV model；And in the medium to long term， compared to the BAPV model，the BIPV model can reduce construction and maintenance costs by an average of 1.26 million yuan per ten thousand square meter of industrial plant.

Keywords：BIPV model；BAPV model；industrial plant；distributed PV power