光伏建筑一體化(BIPV)在工業(yè)廠房的應(yīng)用分析

羅濤，魏振力，楊璽

（1.云南能投新能源投資開發(fā)有限公司；2.中國建筑第七工程局有限公司；3.云南省能源研究院有限公司）

1 引言

光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaics，BIPV）技術(shù)是將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。作為綠色建筑的主流形式，BIPV 具備減少能源消耗、降低建筑造價(jià)、節(jié)約土地資源等諸多優(yōu)勢(shì)，能完美實(shí)現(xiàn)“光伏+綠色建筑”一體化應(yīng)用，高度契合全球綠色建筑發(fā)展潮流。近幾年我國“超低能耗、近零能耗建筑”理念的提出及推動(dòng)，為BIPV 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的發(fā)展空間。工業(yè)廠房使用BIPV 技術(shù)具有獲得額外電價(jià)收益、節(jié)能減排、隔熱降溫、節(jié)省傳統(tǒng)彩鋼瓦屋頂投資等優(yōu)勢(shì)，將成為建筑能源發(fā)展的趨勢(shì)。

2 光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)

建筑行業(yè)是我國能耗產(chǎn)生的主要領(lǐng)域之一，改變建筑高能耗格局已成為推動(dòng)我國建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。近幾年，伴隨著能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、綠色發(fā)展等國家戰(zhàn)略實(shí)施，光伏和建筑融合已成為必然趨勢(shì)。全國現(xiàn)有工商業(yè)（含公共建筑）屋頂可安裝光伏總面積約60 億㎡，立面約16 億㎡，合計(jì)近80 億㎡，光伏屋頂潛力巨大。

2000 年初提出光電幕墻應(yīng)用形式的光電建筑，作了一些示范項(xiàng)目，由于早期的光伏材料與建筑融合度不夠，光電建筑項(xiàng)目主要是光伏材料生產(chǎn)廠家主導(dǎo)，且沒有制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，只能參照地面電站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，部分項(xiàng)目取得了一定的應(yīng)用效果和示范效應(yīng)[1]。但由于早期光伏發(fā)電成本較高、缺乏國家統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)認(rèn)證，大部分項(xiàng)目均沒有達(dá)到預(yù)期結(jié)果。截至2018 年底，國內(nèi)BIPV 市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)容量僅1.1GW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上分布式光伏的發(fā)展速度，市場(chǎng)規(guī)模不足50 億元，行業(yè)仍處在孕育階段。

以往的在工業(yè)廠房應(yīng)用的光電建筑一體化，大多數(shù)是“建筑附加式光伏”(BAPV: Building attached PV)模式，采用分期建設(shè)，建筑土建施工完畢，彩鋼瓦屋頂安裝結(jié)束后，后期在屋頂安裝組件支架和其他設(shè)備，需要增加不必要的投資，屋頂結(jié)構(gòu)會(huì)限制光伏的設(shè)計(jì)安裝，而且美觀度不足。隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，目前很多工業(yè)建筑采用“建筑集成式光伏”(即BIPV)模式，采用特殊設(shè)計(jì)的集成式BIPV 光伏組件作為建材，直接取代原有屋頂。

3 光伏建筑一體化在工業(yè)廠房應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

工商業(yè)屋頂是安裝光伏發(fā)電的優(yōu)質(zhì)載體，屋頂面積大、工商業(yè)電價(jià)較高、標(biāo)準(zhǔn)化、節(jié)能減排、隔熱降溫等都是工商業(yè)屋頂安裝光伏發(fā)電的動(dòng)力。

3.1 額外的發(fā)電收益

假設(shè)一個(gè)1 萬㎡的工業(yè)廠房采用BIPV 設(shè)計(jì)，安裝了1.2MW 的組件和配套發(fā)電系統(tǒng)，總投資不到500 萬元，資源一般的地區(qū)每年發(fā)電144 萬KW ·h，若能全部自發(fā)自用，按照白天工商業(yè)用電平均0.8 元（/KW ·h）計(jì)算，則每年可節(jié)省115 萬元的電費(fèi)，不到5a 即可回本。

3.2 節(jié)省廠房屋頂?shù)某杀?/h3>

新建工業(yè)廠房屋頂，不需要安裝彩鋼瓦，直接在屋頂安裝光伏BIPV 屋頂發(fā)電系統(tǒng)，節(jié)省彩鋼瓦的購置和安裝成本；對(duì)于彩鋼瓦壽命到了需要更換的工業(yè)廠房屋頂，不需要改變廠房原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不需要額外增加屋頂承載，直接用光伏BIPV 屋頂予以替換。彩鋼瓦成本基本在每平米100 元左右，BIVP 通過完美替代傳統(tǒng)屋頂從而節(jié)省屋頂成本。

3.3 更長的使用壽命

一般傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)屋面使用年限僅為10a ～15a 就需要大修或更換屋面材料，BIPV 光伏屋面發(fā)電壽命為25a，對(duì)比傳統(tǒng)彩鋼瓦屋頂使用過程中維護(hù)更換拆裝所需要的投資和時(shí)間，BIPV 可謂一勞永逸。

3.4 零碳、零能耗建筑的發(fā)展

為加快綠色建筑的發(fā)展，降低建筑的能耗，逐步實(shí)現(xiàn)超低能耗、近零能耗建筑的目標(biāo)，國家發(fā)布了多項(xiàng)關(guān)于綠色建筑發(fā)展的方案和實(shí)施意見，并出臺(tái)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，一些省份還制定了綠色建筑項(xiàng)目補(bǔ)貼和激勵(lì)措施。《中國制造2025》對(duì)未來高端制造提出了全新要求，智能和綠色成為未來制造業(yè)工廠的兩大主題。BIPV 建筑自身產(chǎn)生的能量能夠抵消建筑物的能耗，甚至多于建筑物的能耗，完美契合綠色建筑綠色、環(huán)保、節(jié)能的概念。

4 應(yīng)用案例

4.1 BIPV 光伏屋面替代彩鋼瓦

江西豐城市中某倉庫老廠房屋頂為石棉瓦屋面，屋面坡度達(dá)到18 度。通過采用BIPV 設(shè)計(jì)，針對(duì)屋頂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、建筑特性，拆除原來屋頂?shù)氖尥摺_條，加固新檁條結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計(jì)，安裝了40.9MW 的BIPV 系統(tǒng)。此項(xiàng)目不僅利用原有閑置的屋頂進(jìn)行高效發(fā)電，還節(jié)省了屋頂維修的資金成本與時(shí)間，預(yù)計(jì)可將屋頂使用壽命延長至25a。

4.2 新建工業(yè)廠房屋頂

江蘇常州金壇直溪工業(yè)園某廠房在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段就引入和BIPV 概念，采用節(jié)能增效及建筑一體化思路，在廠房建設(shè)過程中直接安裝BIPV 屋頂發(fā)電系統(tǒng)，鋪設(shè)了2.05MW 的光伏組件，節(jié)省了工業(yè)廠房傳統(tǒng)屋頂?shù)耐顿Y，獲得了電價(jià)的收益。

5 設(shè)計(jì)關(guān)注要點(diǎn)

由于BIPV 光伏屋面具有發(fā)電功能外，還替代了建筑物原有屋面的構(gòu)件，具備屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)和使用功能，作為建筑不可分割的組成部分，不僅要滿足發(fā)電要求，還需要滿足建筑材料的必備的耐候性、安全性、防水、通風(fēng)，結(jié)合方式的牢固性和密閉性等要求。

5.1 火災(zāi)隱患

高壓直流電弧是引發(fā)光伏系統(tǒng)火災(zāi)最主要的因素，該因素約占屋頂分布式光伏發(fā)電火災(zāi)因素的45%。在BIPV 直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，建議參考《光電建筑技術(shù)應(yīng)用規(guī)程》（T/CBDA 39-2020）中提出“在發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少使用直流線路。直流系統(tǒng)電壓不宜高于80V。”和“光伏系統(tǒng)控制中要有電弧發(fā)生檢測(cè)能力、單個(gè)光電建筑構(gòu)件與系統(tǒng)斷開裝置。”的要求，組件的內(nèi)外側(cè)為防火耐燃材料，組件支架和支撐基礎(chǔ)選用不可燃的類型，采用防雷安全設(shè)計(jì)等。

5.2 散熱

太陽能組件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，若通風(fēng)措施差，熱量會(huì)進(jìn)入室內(nèi)，造成耗能與節(jié)能的自相矛盾，且光伏的發(fā)電效率會(huì)隨著溫度的升高逐漸降低[2]。建議根據(jù)不同的建筑結(jié)構(gòu)，通過氣樓、無動(dòng)力風(fēng)機(jī)等合理設(shè)計(jì)散熱通道，利用空氣的對(duì)流帶走產(chǎn)生的熱量，解決BIPV 的散熱問題。

5.3 防水

防水是建筑一體化中必須考慮重要因素，以往有些項(xiàng)目在防水上沒有進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致后期出現(xiàn)漏水的情形[3]。目前國內(nèi)的 BIPV 市場(chǎng)，有多種防水技術(shù)路線，包括導(dǎo)水槽 BIPV、光伏彩鋼瓦BIPV 和構(gòu)件式BIPV 等，某項(xiàng)目通過合理的導(dǎo)水槽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用在U 型防水槽和W 導(dǎo)水槽進(jìn)行橫向防水和縱向防水，水槽采用卡扣式無穿孔連接，底部用橡膠條固定和密封，整個(gè)屋面表面無穿孔連接，避免了漏水的隱患。

5.4 美觀

BIPV 產(chǎn)品作為建筑材料產(chǎn)品，為具有良好的建筑美學(xué)效果，應(yīng)合理設(shè)計(jì)方陣和檢修通道，減少電池片與彩鋼瓦的間隙，實(shí)現(xiàn)最佳外觀一致性，同時(shí)將直流電纜隱藏在組件和彩鋼瓦下方，達(dá)成良好的建筑美學(xué)效果[4]。

5.5 運(yùn)維

BIPV 產(chǎn)品的運(yùn)維跟傳統(tǒng)BAPV 分布式光伏組件的運(yùn)維有一定的差異，BIPV 與建筑物緊密結(jié)合在一起的，無法便利的直接拆除或者更換，所以一方面應(yīng)合理設(shè)計(jì)檢修通道，兼顧檢修方便和屋面的功能和結(jié)構(gòu)。另一方面使用可靠優(yōu)質(zhì)的組件，比如某組件使用半片技術(shù)，減少熱斑發(fā)生帶來的發(fā)熱量，降低由于熱斑導(dǎo)致的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)；正面更強(qiáng)的機(jī)械荷載，減少運(yùn)維過程中帶來組件隱裂；使用鍍鋁鋅鋼板邊框，雙玻封裝，減少PID（Potentian Induced Degradation）電勢(shì)誘導(dǎo)衰減現(xiàn)象的發(fā)生。

6 結(jié)論及展望

光伏發(fā)電建筑一體化屋面系統(tǒng)由于額外的電價(jià)收益、節(jié)省投資、造型美觀、使用壽命高、防水性能好等優(yōu)勢(shì)，未來將在工業(yè)屋頂具有良好的發(fā)展前景。由于BIPV 光伏屋面具備屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)和使用功能，需關(guān)注耐候性、安全性、防水、通風(fēng)、密封、牢固等要求。