BIPV消防安全關鍵技術研究進展與展望

摘要：通過梳理BIPV（光伏建筑一體化）系統在火災風險評估、檢測預警、滅火技術等領域的研究成果，表明BIPV系統火災風險主要來源于可燃封裝材料、電氣故障和環境因素。目前風險評估模型、高性能阻燃材料、智能故障檢測及專用滅火技術已取得一定進展，并呈現監測智能化、防控主動化、標準規范化及多學科融合的發展趨勢。未來應聚焦于高效阻燃材料、智能監測、建筑差異化防控策略及帶電滅火技術研發，以促進BIPV的可持續發展。

關鍵詞：光伏建筑一體化；火災風險評估；智能監測系統；阻燃材料；消防技術

隨著全球能源危機與環境問題加劇，BIPV技術將光伏系統集成至建筑結構，憑借高能效性、設計靈活性和經濟效益在全球范圍內快速推廣。然而，BIPV系統在集成過程中引入新型電氣火災隱患，表現為：第一，EVA膠膜等可燃性封裝材料增加火災荷載。第二，光伏陣列改變建筑火災蔓延路徑。第三，高壓直流電源在火災中持續發電，增加滅火救援復雜性。2013—2023年間，全球發生多起BIPV相關火災事故，造成嚴重損失[1]。引發學術界和工程領域對BIPV火災防控技術的廣泛關注。

近年來，研究人員在BIPV火災風險評估、火災檢測與預警、全生命周期安全保障等方面開展了大量研究，但在面對復雜火災環境時仍面臨挑戰，需系統梳理研究成果并明確發展方向。本文從火災風險評估、檢測預警、滅火技術和標準規范等維度，系統評估BIPV消防安全技術現狀，分析存在的主要挑戰，探討未來發展趨勢，為相關研究提供理論參考。

1 BIPV消防安全技術研究現狀

BIPV系統在提供清潔能源的同時帶來特殊的消防安全挑戰。本章闡述BIPV消防安全核心技術，涵蓋火災風險評估與防控、檢測預警及滅火技術，為BIPV安全應用提供支撐。

1.1" 火災風險評估與防控技術

1.1.1" 火災風險評估方法

BIPV火災風險評估主要采用層次分析法（AHP）、火災模擬與實驗方法。FangP等[2]基于層次分析法構建評估模型，將BIPV火災風險分為建筑環境、光伏系統、電氣設備和安全防護4類，研究確定光伏組件阻燃性、電氣線路防火性能及組件布局是主要風險因素。JungSW等[3]結合錐形量熱儀實驗與計算機模擬，基于實測燃燒數據評估BIPV對火災發展和人員疏散的實際影響。

1.1.2" 火災防控技術

BIPV火災防控技術包括3個關鍵領域：材料阻燃、電氣安全和結構防火。在材料阻燃方面，含磷和硅的阻燃型EVA膠膜使組件的峰值熱釋放速率降低約35%，用氟塑料替代EVA膠膜可顯著提高組件的阻燃性能。

電氣安全方面，研究表明，接線盒、電控箱處的電弧故障，以及組件不達標、過早老化和熱斑效應造成的自燃，是引發火災的主要原因。針對這些問題，可采取篩除低分流電阻組件、減少電路內部開路及配置旁路二極管等措施，而采用直流電弧故障檢測器（AFCI）能夠有效提前檢測故障并切斷電弧，防止電弧引發火災。

結構防火方面，居曉宇等[1]提出，合理增加組件與屋面安裝間距，可有效降低火災蔓延風險。也有學者認為合理調整組件傾角和安裝方式可減緩火災蔓延速度，減少火災蔓延至光伏系統的風險。

1.2" 火災檢測與預警技術

1.2.1" 電氣故障早期檢測技術

電氣故障是BIPV火災主因，故障早期檢測是關鍵。主要技術包括直流電弧故障檢測、熱點檢測和絕緣檢測。

電弧故障方面，基于邏輯回歸方法的電弧故障檢測系統分析電流頻譜特征，識別系統直流電弧故障準確率達92%。還有一種自適應串聯電弧故障檢測方法，連續監測光伏組件（或光伏組串）電流頻譜，及時發現異常。

熱點檢測方面，儲靜遠等[4]開發無人機熱成像檢測系統，能夠結合圖像識別算法，快速識別大型BIPV中的異常熱點，可預防熱斑效應導致的火災風險，實現了自動化的熱點識別和風險評估。

1.2.2" 綜合火災探測與預警系統

BIPV綜合預警系統整合煙霧探測、溫度監測和電氣參數監測等技術。SarkarD等[5]探討了通過遠程監控和實時數據采集提高BIPV系統效率，類似方法可用于構建智能火災預警網絡。

人工智能應用方面，俞紅德[6]開發了基于深度學習的異常狀態識別模型分析運行數據，實現潛在火災風險早期識別，準確率達95%，且能通過持續學習發現新型故障模式。

1.3" 滅火技術

1.3.1" 帶電環境滅火技術

BIPV滅火面臨帶電風險和特殊燃燒特性挑戰。研究指出在適當安全距離下，水流可安全撲滅直流電壓高達1000V的帶電組件。WangY等[7]提出一個通用的帶電條件下最小安全距離建模方法，可確定BIPV滅火安全距離，保障消防人員安全。KadlecZ等[8]開發系統化評估方法量化火災對面板損害，結合多源數據（現場證詞、照片、視頻及氣象數據）和FireDynamicsSimulator模擬，為修復工作提供科學依據。

1.3.2" 智能滅火裝置與系統集成

智能滅火裝置的應用極大提高了BIPV滅火效率和安全性。柳浩[9]開發的多傳感器融合智能滅火系統整合溫度、煙霧、火焰和熱釋電紅外等多種傳感器，一旦檢測到火焰后會自動啟動機器小車搜尋火源并噴水滅火。

系統集成方面，YangR等[10]提出BIPV消防安全一體化解決方案，將系統監控、火災預警和自動滅火集成于統一平臺，實現全流程管理，提高系統安全可靠性，確保BIPV不影響建筑及人員安全。

2 BIPV火災防控技術發展趨勢

2.1" 智能監測預警技術發展

人工智能與物聯網技術驅動BIPV智能監測預警發展。Khalifeh等[11]提出物聯網火災檢測系統融合傳感器和機器視覺，通過神經網絡分析環境數據，實現早期預警，提高了BIPV火災數據采集、異常檢測以及預警機制的智能化。柳浩[9]探討了通過集成多種傳感器來提高火災監測的準確性和可靠性，增強火災隱患識別的能力。

人工智能在電弧故障檢測中表現優異。FangP等[2]提出的基于邏輯回歸的電弧故障檢測方法能在不同環境下有效識別電弧故障。NikolaL等[12]開發的小波變換電弧檢測技術進一步提高了檢測精度。儲靜遠等[4]研究顯示深度學習算法可將復雜環境下故障檢測準確率提升15%～20%。

2.2" 主動防控滅火技術趨勢

YangR等[10]提出BIPV消防安全一體化解決方案，結合防火設計、火災檢測與智能滅火系統，構建了一個覆蓋全生命周期的BIPV消防安全保障體系，特別強調超細水霧系統在不增加觸電風險的同時有效控制火勢蔓延。

2.3" 標準規范與安全設計融合

消防安全標準規范的完善與設計集成是推動BIPV安全應用的重要保障。國外學者系統總結了意大利國家消防服務指南中光伏電站火災風險評估與防范的內容，強調了光伏設計要與建筑防火標準相銜接。居曉宇等[1]指出要建立更嚴格的火災安全標準，將消防設計深入集成至BIPV系統設計。

3 結束語

本文系統分析了BIPV消防安全技術現狀與發展趨勢。隨著全球能源轉型，BIPV在提供清潔能源的同時，也帶來獨特的火災安全挑戰。

BIPV火災主要原因包括電氣故障、可燃封裝材料以及環境因素引起的組件損傷?，F有研究在風險評估方法、阻燃材料、智能監測系統及滅火技術等方面已取得一定進展。

然而，BIPV消防安全技術面臨多重挑戰：智能監測系統普遍存在可靠性不足的問題，尤其是在極端氣象條件下，誤報率顯著上升；阻燃材料雖然提高了安全性，但可能導致光電轉換效率下降和系統成本增加，同時加速組件的老化；現有標準規范因技術創新與監管更新的時滯性（通常為3～5年）以及國際標準間的不協調，未能有效涵蓋新型BIPV技術。此外，消防安全需求與建筑美觀、能效等性能指標之間也存在一定的矛盾。

在BIPV消防安全技術研究中，多學科交叉已成為推動技術創新的關鍵路徑。材料科學為新型阻燃材料的開發提供了基礎，而數字孿生、人工智能與物聯網技術則與火災科學相結合，協同優化監測預警和滅火系統的性能。此外，標準規范的不斷完善也為這些創新技術的安全應用提供了必要的評估依據和實施指南。

未來，BIPV消防安全技術的研究將重點聚焦以下幾個方向：第一，開發兼顧阻燃性能和光電轉換效率的新型材料體系，探索如何在不降低光電轉換效率的前提下實現有效的阻燃。第二，構建具有環境適應性和自校正能力的智能監測與預警系統，實現精準的火災隱患識別。第三，制定基于全生命周期風險評估的安全標準，探索適用于不同建筑類型（高層、公共、住宅）的BIPV差異化防控策略。第四，研發適用于帶電環境的高效滅火技術。

BIPV消防安全的可持續發展依賴于政府、學術界、產業界及行業與標準化組織的共同努力。通過持續的技術創新與規范完善，確保BIPV系統在滿足安全要求的基礎上，最大化其在建筑節能減排中的潛力。盡管當前仍存在技術瓶頸，但隨著技術進步，BIPV有望成為推動未來建筑能源變革的重要力量。

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