中國(青海)光伏利用展示館建筑光伏一體化設計

向 陽

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

1 項目背景

1.1 項目概況

中國(青海)光伏利用展示館建設項目依托于新建展覽館屋面及南立面部分進行建筑光伏一體化設計。通過專項設計，實現光伏系統與建筑的良好結合。建筑主體總裝機容量為195.864 kWp，其中會議室采光頂采用薄膜組件(64 Wp/塊)36塊、裝機容量2.304 kWp；三角形采光窗采用薄膜組件(85 Wp/塊)180塊、裝機容量15.3 kWp；展廳上空屋面采用薄膜光伏組件(135 Wp/塊)1 056塊、裝機容量142.56 kWp；南立面采用薄膜光伏組件(85 Wp/塊)420塊、裝機容量35.7 kWp。展覽館每年平均發電量為28.24萬kWh，年平均綜合利用小時數為1 441.86 h。

圖1中國(青海)光伏利用展示館建筑光伏一體化項目效果圖

本文通過中國(青海)光伏利用展示館建筑光伏一體化示范項目(如圖1)，基于建筑分析圖、數據采集以及構造詳圖分析，解讀了建筑光伏一體化設計的理念和方法在實際項目中的運用，將建筑光伏一體化的建筑美學性及光伏技術性有機結合[1-3]。

1.2 項目場址及光資源情況

中國(青海)光伏利用展示館位于青海省德令哈市，場址坐標為N37°20′、E97°19′，海拔2 969.00 m。基本光資源數據采用距離該工程場址區最近的德令哈氣象站52737(地理坐標為N 37°22′、E 97°22′，觀測場海拔高程為2 981.50 m。)的數據資料，為了有效地判斷多年太陽總輻射量的變化趨勢，根據該地區1983—2012年逐年太陽輻射量分析近30年太陽輻射量的變化，見圖2。

圖2 德令哈1983—2012年太陽總輻射量變化直方圖

從圖2可看出，近30年間德令哈太陽輻射量分布年際變化較平穩，整體變化無明顯下降趨勢，其數值區間在6 300 ～7 000 MJ/m2之間。30年間的年平均太陽能輻射量為6 727.44 MJ/m2，2002年出現最低值6 359.53 MJ/m2，1984年最高值達到6 910.94 MJ/m2。近10年間的年平均太陽能輻射量為6 633.32 MJ/m2，最大值出現在2006年，達到6 779.03 MJ/m2，最小值出現在2012年，為6 535.77 MJ/m2。

從太陽能資源利用角度來說，在德令哈市建設光伏發電項目是可行的[4]。

1.3 氣候特征

德令哈市地處青藏高原腹地柴達木盆地南沿，由于受喜馬拉雅山、唐古拉山和昆侖山等山脈層層阻隔，西南暖濕氣流難以進入，從而形成了以干旱少雨為主的氣候特點，即典型的高原大陸性氣候。

2 建筑方案

2.1 總平面布置

本工程位于青海省海西州德令哈新區。工程用地呈長方形，東西長約150.33 m，南北長約190.90 m，用地總面積約28 697 m2，建筑密度15%，容積率0.16，綠地率34%。

為了充分展現光伏產業的特點，以“光伏”和“陽光”為設計理念，根據場地現狀及功能屬性將整個地塊分為建筑周邊環境空間、組件科普展示空間、光伏景觀游覽空間。為了將光伏市場上最新的光伏產品進行推廣，組件科普空間又分為組件展示區、組件運行模式展示區、光伏小品展示區[5]。

2.2 建筑設計

太陽能光伏展覽館建筑面積約3 940 m2，建筑標高為12.8 m，總建筑面積4 876 m2，包括展陳和公共服務區2部分。展陳空間面積約2 992 m2，公共服務空間面積約1 884 m2。建筑設計在充分反應青海德令哈地域特色的基礎上，重點考慮將光伏技術與建筑進行一體化設計。建筑形體運用2個簡潔體塊進行咬合穿插，具有很強的視覺沖擊效果，建筑材料運用光電玻璃進行外立面鋪設，體現科技感和時代感，力求將“光伏”元素明確表達于設計中[5]。

3 光伏技術

3.1 日照分析

項目用地位于德令哈新區，用地方正，地勢較為平坦，周邊無高大建筑物遮擋。運用Ecotect軟件模擬太陽能光伏展覽館陰影變化范圍，可以比較直觀地看出展覽館每年冬至日(12月22日)9:00—15:00有效發電時間段內不受場地周邊建筑物的陰影遮擋，系統可以進行有效的發電[6]。

3.2 光電幕墻及光伏采光頂設計

為了有效利用德令哈地區太陽輻射強烈的資源優勢，通過Ecotect軟件模擬展覽館陰影變化特點確定建筑屋面及南立面的光伏系統設計：建筑南立面采用薄膜光伏幕墻、會議室頂棚、展廳三角窗采用薄膜光伏采光頂。此設計可有效阻止強光的直接射入起到遮陽效果，同時又可將太陽能轉換為電能提供展館日常照明，很好地實現了建筑室內環境的改善與建筑節能的有機統一[7]。

(1) 建筑南立面采用雙層薄膜光伏幕墻設計：① 光伏幕墻依靠太陽能發電所產生的電能可提供建筑室內日常照明及采暖通風設備運行；② 光伏幕墻可起到遮陽效果,減少室內輻射所產生的熱量；③ 光電玻璃結合通風系統與建筑外表面形成一個空腔,有效地促進空腔和建筑室內的空氣循環,減少建筑室內的熱量,降低室內溫度[8]。

(2) 會議室頂棚采用薄膜光伏采光頂設計：① 采用透光率為25%～30%的中空透光型薄膜組件進行平鋪式鋪設(64 Wp/塊，規格:3.2 +5+9A+6LOW-E+6，單位：mm)能顯著減少陽光對室內的直射光線，改善室內光線的舒適度，降低室內溫度和冷負荷；② 平鋪式安裝可以避免日照不均勻所造成的發電量降低和逆變器等電氣設備的浪費[9]。

(3) 展廳上空30°傾角的三角窗采用薄膜光伏組件設計：① 采光三角窗南面用透光率為10%的中空透光薄膜組件替換一般玻璃進行鋪設(85 Wp/塊，規格:3.2+5+9A+6LOW-E+6，單位：mm)；② 為了保證良好的通風，將三角窗北面設置為可開啟的通風窗，通過通風對流降低室內溫度，驅散光伏組件工作時吸收太陽輻射所產生的余熱，最大程度地調節室內溫度的適宜性[10]。

3.3 光伏通風驅動系統

建筑南立面的雙層薄膜光伏幕墻安裝在最外層鋼架結構上，在屋頂上方1.3 m處設置通風三角窗和光伏動力通風系統(見圖3)。光伏動力通風系統可以驅動建筑室內外的氣流速度,加快熱氣流由下而上排走，以減少外墻和室內溫度的冷負荷，有效提高熱利用率,減少空調的能源消耗[11]。

圖3 光伏驅動通風系統示意圖 單位：高程，m；其它，mm

為了有效阻止陽光直射入室內影響參觀者的視覺體驗，本次光伏系統設計中選擇日照條件最好、陽光照射最強烈的展廳屋頂安裝薄膜中空透光型光伏組件。組件接收陽光的照射后加快了與屋頂之間的空氣流速，從而帶走了儲存在屋頂的熱量，加快室內空氣循環，提高室內空氣質量[12]。

3.4 光伏發電停車場及電動汽車離散型充電站

本項目在建筑周邊設置太陽能光伏停車棚，車棚采用鋼結構，鋼柱采用方鋼，橫梁采用檁條，車棚柱距6.67 m，跨度6 m，長度51 m，車棚最低點距地面2.55 m，單坡結構，坡度15°，以最大限度提高發電量的同時，又可遮擋強光對停車場內汽車的輻射，從而降低汽車表面和車內溫度，達到降低汽車空調冷負荷，減少汽車油耗和廢氣排放的效果，多余的電能可同時兼顧周邊建筑(展館)的用電需求[13-14]。

建設太陽能停車場(含充電樁)以光電替代石油既安全經濟又環保節能。通過充放電控制器向動力電池充電或者把光能轉換為電能儲存在電池中(熱效率可達到34%～40%)，再通過電池放電給電動汽車進行充電，90%的能量用于驅動車輛，達到清潔環保的效果[15-16]。

4 結 語

隨著現代科學的進步，大力發展太陽能發電是中國新能源領域的重要組成部分，其中與建筑相結合的BIPV設計為太陽能發電提供了更廣闊的發展空間。BIPV設計在不損害建筑美觀性、結構安全性、營造標準性、功能使用性的前提下，把傳統的耗能建筑構件(屋頂、墻面、遮陽系統等)轉換為能夠吸收太陽能并轉化為電能的建筑構件，以節約建筑用能。