BIPV 系統的消防安全研究綜述

居曉宇，廖百勝,2，黃玉彪，彭 揚，楊立中*

(1. 中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥 230026；2. 西南科技大學土木建筑與藝術學院，綿陽 621010；

3. 國網安徽省電力公司電力科學研究院，合肥 230601)

0 引言

在人類社會飛速發展的同時，傳統化石能源如煤炭、石油等卻正日益枯竭。為應對能源短缺危機，人類開發利用了多種新型能源，而太陽能因具有能量的持續性[1]、普遍性、清潔和安全可靠等特點受到了廣泛關注與應用。光伏發電作為利用太陽能的重要形式，其與建筑結合應用的方式[2-3]近年來取得了快速發展，這種將光伏發電與建筑相結合的系統稱為光伏建筑一體化(BIPV)系統；但該系統在為建筑提供能源的同時，也為建筑的火災防治帶來了新難題。在過去數十年間，世界范圍內由BIPV系統引發的火災時有發生，造成了較為嚴重的人員傷害和財產損失。雖然這種形式的火災問題已經越來越引起人們的重視，但目前對其的研究仍處于起步階段。本文對BIPV 系統及其引發的火災的危險性進行了闡述和分析，系統地介紹了現有研究成果，并對未來的研究進行了展望。

1 BIPV 系統的發展狀況

在全球總能耗中，建筑能耗約占30%以上，為了實現建筑節能，BIPV 系統被證明是一種有效的方式[4]。通過分析發現，BIPV 系統具有以下諸多優點：1)光伏組件可直接安裝在建筑圍護結構的表面(或屋頂)，無需額外占用土地；2)可實現就地發電及利用，大幅節省了電網運輸的投資成本，并降低了輸電損耗[5]；3)除了向建筑自身供電外，還可將多余電能輸送到電網，以緩解用電高峰期的供需矛盾；4)安裝在建筑圍護結構表面的光伏組件可吸收部分太陽光，有助于改善室內溫度，降低空調的負荷[6-7]；5)有助于推動光伏組件的生產及應用場景的增加，降低光伏組件市場價格[8]。

過去數十年間，多個國家相繼出臺了BIPV系統的發展規劃。為振興經濟、緩解能源危機，美國一直將開發新能源技術列為其重要的發展對策，并于1997 年提出了“百萬光伏屋頂”計劃，即在100 萬個建筑屋頂或建筑的其他位置安裝光伏發電系統；法國、德國、意大利、西班牙等歐盟國家相繼制定了新的能源政策，著力于推動光伏發電產業的發展；印度尼西亞、印度等發展中國家也出臺了一系列的優惠政策，以扶持光伏發電產業的發展。

中國自2006 年實施《中華人民共和國可再生能源法》以來，致力于大力發展光伏發電，并取得了顯著成績。財政部與住房和城鄉建設部都積極響應國家“大力推進節能減排，積極開發新能源”的號召，于2009 年共同發布了包括《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》《關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見》及《關于印發太陽能光電建筑應用示范項目申報指南的通知》等文件，以補貼和鼓勵示范性光伏發電項目的發展。2016 年，國家能源局在《太陽能發展“十三五”規劃》中提出，到2020 年底，全國光伏發電總裝機容量達到1.05 億kW，太陽能年利用量超過1.4 億tce。

2 光伏組件的分類

目前已有多種類型的光伏組件被應用于BIPV 系統。其中，晶體硅光伏組件由于開發最早且發電效率高，其市場份額最大，約為86%。晶體硅光伏組件的結構如圖1 所示。

因覆蓋層材料的差異，晶體硅光伏組件可分為硬質光伏組件和柔性光伏組件2 種類型。硬質光伏組件的覆蓋層材料為鋼化玻璃，其堅固耐用，可有效保護電池和其他封裝材料；而柔性光伏組件的覆蓋層材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。柔性光伏組件作為近年來剛進入市場的新型產品，因柔韌性強、可裁剪、便攜等特點而逐漸受到用戶的青睞。

3 BIPV 系統的火災危害性

在光伏組件的各層封裝材料中，EVA 膠膜和TPT 背板均屬于可燃性材料，增加了建筑自身的燃料荷載。除上述材質問題外，BIPV 系統帶來的火災危害還體現在以下5 個方面[9-10]：1)妨礙建筑通風排煙系統的正常運行。建筑發生火災時產生的煙霧可能會在光伏陣列下方積聚，對建筑通風排煙系統排出內部煙霧產生不利影響。2)改變建筑內、外部的火勢蔓延途徑。建筑發生火災時產生的火焰在光伏組件下方延伸，從而形成頂棚射流火焰，會顯著增加組件下方屋面材料受到的火焰輻射。這勢必會改變火焰的蔓延路徑，對建筑造成更嚴重的損害。3)妨礙消防滅火救援操作。當建筑發生火災時，消防人員將無法在較短時間內通過破拆作業等方式快速到達建筑內部，救出被困人員。4)若BIPV 系統發生火災時光伏發電系統正處于工作狀態，會給消防救援人員帶來觸電的危險。5)光伏組件燃燒產生的毒性氣體會對附近人員造成傷害。

表1 展示了近幾年國內外涉及BIPV 系統引發火災的案例。從表中可以看出，BIPV 系統引發火災后破壞性強，火災的防治難度高。因此，對BIPV 系統引發的火災的危險性進行系統性地研究變得尤為必要。

4 BIPV 系統的火災特性研究進展

針對BIPV 系統的火災特性，研究人員已開展了一些研究，主要包括光伏組件的火災特性、組件內部可燃性材料的火災特性，以及光伏陣列對建筑火災危險性的影響特性等。

4.1 光伏組件的火災特性

WOHLGEMUTH 等[11]發現，串聯電阻高、熱斑效應和電弧故障是導致光伏組件過熱進而起火的主要原因。為增強組件的安全性，他們提出了以下建議：1)篩除具有低分流電阻或易產生熱斑效應的光伏組件；2)最大程度地減少電路內部的開路；3)確保足夠的旁路二極管保護，并可根據ASTM E 2481[12]或IEC 61215[13]中的規定對組件進行熱斑效應測試；4)防止因安裝不正確引起的接地故障。

表1 近幾年BIPV 系統引發火災的案例Table 1 Recent fire cases caused by BIPV system

CANCELLIERE[14]按照意大利的消防指南中的相關規定，對現有的光伏組件引發的火災的危險性進行了系統評價，并提出了降低BIPV 系統火災危害的解決方案。

CHOW 等[15]針對2 種晶體硅光伏組件開展了熱重和紅外光譜分析，其中一種是使用了聚氨酯粘合劑的硅酸鹽光伏組件，另外一種組件中含有環氧樹脂，并且可能存在火焰阻燃劑。通過利用錐形量熱儀進行燃燒測試，獲得了2 種組件的總熱釋放量、閃燃概率和煙氣毒性等可以表征其熱危害與煙氣毒性危害的參數。結果顯示，在燃燒的早期階段，2 種組件的熱危害很小，但有大量的煙氣顆粒生成。

YANG等[16]通過開展錐形量熱儀燃燒實驗，研究了晶體硅光伏組件的火災特性。實驗觀測到了光伏組件的著火時間、質量損失速率、熱釋放速率、CO 和CO2濃度等參數，并基于Petrella準則[17]對光伏組件引發的火災的危險性進行了評價。

居曉宇等[18-20]研究了柔性與硬質晶體硅光伏組件的點燃溫度、點燃時間、熱釋放速率和臨界點燃熱通量等參數，表征了其著火特性，提出了預測光伏組件著火行為的數學模型。圖2 展示了錐形量熱儀燃燒實驗中柔性與硬質晶體硅光伏組件的典型燃燒現象[18]。

LIAO 等[21]利用火災早期特性燃燒實驗裝置研究了以PET 作為基質層的光伏組件的燃燒熱與毒性危害。通過研究該種光伏組件在外加不同輻射熱流作用下的點燃時間、質量損失速率、熱釋放速率及總燃燒熱，分析總結了其熱危害特性；同時，利用氣體探測設備對燃燒產生的如二氧化硫、氟化氫、氰化氫等毒性氣體進行了探測，并結合毒性評價指標對氣體毒性進行了綜合評價。

4.2 光伏組件內部可燃性封裝材料的火災特性

晶體硅光伏組件內部的可燃性封裝材料包括EVA 膠膜和TPT 背板。研究人員已針對這2 種材料的熱解燃燒特性開展了相關研究。

BONNET 等[22]研制了一種包含磷和硅元素的阻燃型EVA 膠膜，其加熱測試結果顯示，這2 種元素對于電荷量較低的太陽電池產生了協同作用，并在電池表面形成了致密的碳化層，導致該EVA 膠膜的峰值熱釋放速率比純EVA 膠膜的降低了近35%。

居曉宇等[10]采用熱重-紅外光譜聯用分析法測定了典型晶體硅光伏組件封裝材料EVA 膠膜和TPT 背板的熱解反應動力學參數，揭示了其熱解反應機制和產物揮發特性。

OHUCHI 等[23]使用氟塑料替代光伏組件中的EVA 膠膜。通過火焰蔓延測試發現，采用氟塑料封裝的光伏組件著火后產生的火焰要弱于采用EVA膠膜封裝的光伏組件著火后產生的火焰。

MCGRATTAN 等[24]使用熱重-紅外光譜-質譜分析法觀測了EVA 膠膜的熱解特性，發現其主要有2 個熱解階段：醋酸分離和碳氫主鏈的斷裂。

NAIR 等[25]分別研究了FEVE/PET 背板、PVDF/PET/PVDF 背板和PVF/PET/PVF 背板這3種不同類型的商用光伏背板的燃燒特性。實驗結果顯示，PVF/PET/PVF 背板的阻燃效果最佳；同時發現，背板厚度對背板燃燒時間的影響較大。

4.3 光伏陣列對建筑火災危險性的影響特性

BIPV 系統中的光伏陣列通常安裝于建筑屋頂或立面，其除了增加建筑自身的燃料荷載外，還改變了建筑圍護結構的火災動力學邊界條件，對火勢蔓延途徑產生了不利影響，加重了對建筑的損害。

美國保險商實驗室的BACKSTROM 等[26-27]建立了全尺寸房屋及相應的屋頂光伏陣列模型，用于模擬與BIPV 系統相關的火災，以研究消防員滅火救援過程中遇到的潛在危險。其開展了2組實驗：一組為建筑室內發生轟燃后火焰經窗戶蔓延燒至屋頂的光伏陣列上；另一組為屋頂上的可燃材料著火并蔓延到光伏陣列背面。實驗結果顯示，建筑著火后，切斷與某一組光伏組件連接的電路，并不能完全避免發生電氣火災；2)光伏陣列下方的火焰會破壞屋頂，從而導致火勢蔓延至閣樓空間。

KRISTENSEN 等[28]研究了屋頂上光伏組件背面蔓延的火焰對屋面的再輻射特性。實驗中，光伏組件被固定在坡度為13°的屋頂上，最低點距離屋面高度為9 cm。在測量了光伏組件下方屋面上的輻射熱流后發現：1)傾斜的光伏組件的下方屋面中，屋面抬升較高的一側受到的火焰再輻射熱流較大。這是因為火焰在撞擊傾斜的光伏組件背面后更多地偏向了屋面較高的一側，從而形成了火焰的不均勻分布，增加了火焰偏轉較高一側的再輻射熱流。2)通過改變光伏組件的傾斜角度和安裝角度，可以影響其背面的火焰分布情況，進而影響組件所在屋面受到的火焰再輻射熱流分布。

MIAO 等[29]選取典型的“房間-豎井”連通結構，進行實驗，其在房間入口處放置了油池火火源，豎井立面安裝了4 塊光伏組件。實驗結果顯示，與未安裝光伏組件的情況相比，安裝光伏組件后會對豎井內的煙氣排出產生影響，導致豎井內溫度顯著增加，加劇了火災的危險性。

居曉宇等[10,30]量化分析了平/坡屋頂安裝光伏組件對建筑火災安全的影響機制，建立了預測火焰輻射反饋熱流分布規律的理論模型，提出了屋頂光伏陣列的安裝建議。圖3 展示了平屋頂安裝的光伏組件對屋面火災再輻射特性影響的實驗設計。

4.4 光伏組件火災的滅火技術

當BIPV 系統發生火災時，由于光伏組件通常具有較高的電壓(300～1000 V)[11,31]，且無法及時斷開，因此在對其滅火的過程中，電力安全成了研究人員需要重點考慮的問題。

TOMMASINI 等[32]研究了以水流作為滅火劑，對建筑屋頂上帶電的光伏組件進行滅火時，這一過程中的安全距離問題；綜合研究了包括水槍噴嘴設計、射流形狀、水壓及水流長度等在內的不同條件下的滅火情況，并對射流水霧的導電特性進行了評估。研究結果發現，在考慮安全距離的情況下，上述不同條件時的水流可以安全地熄滅直流電壓高達1000 V 的帶電光伏組件。

RAMANUJAM 等[33]開展了不同噴嘴直徑、水壓和滅火距離下對建筑立面的帶電光伏組件滅火的研究。實驗結果表明：1)在其他參數保持不變的情況下，增加水壓，漏電電流減??；2)增加水槍噴嘴與帶電光伏組件之間的距離可以減小漏電電流，而增加噴嘴直徑可以增加漏電電流；3)在直流輸入電壓為50 V、噴嘴直徑為9 mm、1.2個標準大氣壓的情況下，熄滅帶電光伏組件的安全距離為88 cm；4)在直流輸入電壓為50 V、1.2個標準大氣壓的條件下，當噴嘴直徑為5 mm 時，熄滅帶電光伏組件的安全距離則上升為98 cm。

除上述文獻外，筆者尚未發現其他涉及BIPV 系統中光伏組件火災滅火的相關研究。

5 對未來研究的思考

綜上所述可知，前人已經開展了與BIPV 系統相關的火災的危害和特性的相關研究，未來可以考慮從以下幾個方面進一步開展深入研究。

5.1 光伏組件熱解燃燒特性

由于光伏組件包括多層材料，若組件著火，其火焰蔓延過程必然涉及到內部材料的傳熱及熱解。未來可以結合已經得到的可燃材料熱解特性參數，建立光伏組件在外加輻射條件下的表面熱吸收、內部熱傳導和熱解的一維熱解模型，以預測光伏組件的著火時間[8]。

目前多是在自然通風條件下對光伏組件開展錐形量熱儀實驗研究，然而在實際的BIPV 系統火災中，位于火場中的部分光伏組件周圍的氧濃度可能要低于大氣中的氧濃度，進而產生不同的燃燒行為。因此，未來可考慮采用材料火蔓延裝置(FPA)，針對光伏組件在不同氧氣濃度下的燃燒行為進行研究。

此外，還可對光伏組件燃燒產生的氟化氫(HF)氣體的毒性進行評價；開展對小尺寸FPA測試實驗結果適用性的研究，即評價縮尺模型研究結果應用于真實火災場景中的情況；研究光伏組件熱解燃燒行為與環境的耦合作用等；同時，可以利用變傾角輻射實驗臺(如圖4 所示)研究光伏組件在不同外部條件(如傾斜角度、外加輻射及環境風速)下的燃燒特性，同時可對燃燒尾氣毒性進行測定并評價。

由于光伏組件的種類多樣，其燃燒特性差異較大，因此可以考慮開展不同類型光伏組件的燃燒特性測試，對所測得的數據進行歸納整理；同時可借助已建立的理論模型對測試得到的數據進行深化研究；最后，建立相應數據庫，以便于與BIPV 系統相關的研究者、生產商及工程技術人員進行參考和查閱。

5.2 光伏組件對建筑圍護結構火災安全的影響機制

現有的研究大多是針對屋頂光伏組件背面的火焰延伸特性，并提出了預測再輻射熱流分布的關系式。未來可以開展建筑立面BIPV 系統火災特性的研究。主要研究內容可包括：搭建縮尺BIPV 系統模型，研究不同窗戶開口尺寸、不同溢流火源功率對建筑立面上安裝的光伏組件火災特性的影響；針對不同類型的建筑立面光伏組件的火災特性開展對比研究；耦合窗戶大小、火源功率及環境風向、風速等因素，綜合研究這些因素對建筑立面光伏組件火災特性的影響；探究BIPV 系統縮尺模型實驗結果在真實尺度下的適用情況。

5.3 光伏組件電力故障引發自燃的特性

BIPV 系統中處于運行狀態的光伏組件通常具有較高的電壓(300～1000 V)[11,31]，這意味著當組件自身出現電路故障時可能會發生自燃現象，進而引發建筑火災?，F有的研究發現，熱斑效應、電弧故障和高串聯電阻是導致光伏組件過熱，從而引發火災的直接原因。未來可側重于研究不同電阻阻抗效應及電弧放電能量對光伏組件自燃的影響。同時，還可以對比研究不同老化程度的BIPV 系統中光伏組件產生電路故障的特性。

此外，也可以對光伏發電系統中各組成模塊(如光伏方陣、蓄電池組、蓄電池控制器、逆變器、交流配電器及太陽跟蹤器等)出現故障后對整個系統安全性能的影響展開研究，進行總結歸納后，提出相應的電力火災安全評價模型。所涉及到的故障包括：逆變器無法啟動或正常運行時突然停止工作；直流輸入開關或交流輸出開關無法正常合上，即一合上就跳閘；正常光照下，逆變器輸出功率不穩定等因素。

5.4 光伏發電系統火災的滅火技術

現有的研究重點關注在使用水作為滅火介質來撲滅帶電光伏組件引發的火災；然而水是一種電導體，滅火人員在撲救過程中存在觸電的風險。因此，尋找更加安全高效的滅火劑將成為未來研究的重點之一。通過系統對比研究市場上現有的如干粉、泡沫、氣體及水等常見滅火劑在不同類型光伏發電系統火災中的滅火效果，總結出采用不同滅火劑的各滅火方法的優、缺點，并據此探討是否需要開發更加實用有效的滅火劑。

5.5 光伏發電系統火災的智能探測監控

由于BIPV 系統通常包含大量光伏組件，當某塊或某個區域的組件發生故障引發火災時，若無預警措施，火勢可能由此蔓延開來，造成嚴重后果；但若在故障發生早期階段即能監測到設備異常，并通報中控室，則可以大幅減小損失，降低引發大型火災的風險。

為了實現光伏發電系統火災的早期探測報警，可以考慮從以下2 個方面開展研究工作：1)建立電力監測系統。對運行中的組件的電力學指標參數(如電壓、電流及電阻等)進行實時監測，一旦出現異常，立即通報控制系統對異常情況作進一步判斷和確認；2)開發一套現場消防探測報警系統，其可由光電感煙探測器、攝像頭模組、溫度傳感器及通信芯片組成復合型可視化探測器，同時耦合通信控制單元、輸入輸出控制單元及圖像處理單元，以圖像數據形式反映現場情況，并傳輸到中控系統，為相關人員判斷故障情況提供重要依據。隨著智慧消防技術的發展，可以考慮將控制系統集成到相關管理人員的手機等個人移動設備上，實現隨時調閱現場情況的功能。

6 結論

本文對BIPV 系統的發展狀況、BIPV 系統引發火災的危害性及與BIPV 系統相關的火災特性的研究進展進行了介紹，并針對現有研究的不足，從光伏組件熱解燃燒特性、光伏組件對建筑圍護結構火災安全的影響機制、光伏組件電力故障引發自燃的特性、光伏發電系統火災的滅火技術及光伏發電系統火災的智能探測監控等方面對未來的研究進行了展望。

美國伍斯特理工學院出版的《綠色建筑的消防安全挑戰》重點分析了現有的建筑可持續能源系統設計對建筑消防安全的影響[34]，并針對BIPV 系統的消防安全提出了一些在實際應用中的建議。由此可見，BIPV 系統消防安全已經引起國際上的廣泛關注和重視?？茖W防/減災是實現BIPV 系統消防安全的必由之路，其中重點是加強對光伏組件自身火災特性的認知，并針對其發生機理制定出科學合理的應對方案和改進措施，進而從根本上實現BIPV 系統經濟效益與消防安全并行的目的。