太陽能光伏與建筑屋頂一體化構造深化研究*

□□ 崔靜恩，李 銳，范 磊，彭明強 (中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024)

引言

人類社會發展與能源開發息息相關。伴隨著化石類燃料能源存量的不斷減少，人類生存環境形勢日益嚴峻，可再生能源的開發與應用已成為當今社會的重要議題。太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，具備極高的應用價值和能源替代優勢。目前，在建筑工程領域與太陽能應用結合較為成熟的技術主要有兩種，分別為太陽能光伏應用技術和太陽能熱水應用技術。太陽能光伏應用技術與建筑屋頂結構相結合，在不占用額外用地的前提下，不僅可以為用戶就近提供熱水，還可以補充居民用電，節能效果明顯，是現代建筑領域的重點發展方向之一。對太陽能光伏與建筑屋頂一體化構件進行針對性的深化研究，不僅可以推進光伏建筑一體化應用，而且可以實現建筑節能減排，緩解社會能源短缺，具有十分重要的經濟意義和社會價值。

長期以來，工業建筑都是新材料和新技術的實驗載體。廠房建筑相對于傳統的民用建筑，構造形式更加多樣性，建筑空間應用更加豐富，而且我國現代工業化起步較晚，工業建筑能耗較高。因此，研究太陽能光伏技術在建筑屋頂領域的應用，擁有較大的應用價值和現實意義。

1 光伏建筑一體化構造深化原則

光伏建筑一體化技術，并不是把光伏面板單純地堆砌在建筑物上，它是一種相對復雜的集成化設計方式，不僅可以滿足光伏發電的需求，還充分考慮了建筑的使用性能以及美學需求，既保證了電氣安全與建筑結構安全，也實現了建筑節能環保的社會價值。所以，光伏建筑一體化的實現，需要多方面的共同努力。

光伏組件的深化設計應該與建筑設計同步進行，在光伏建筑設計過程中，應始終秉持一體化理念，堅持一體化設計、一體化制造、一體化施工的核心原則。

1.1 規劃先行原則

建筑行業必須堅持“規劃先行”的理念，而光伏建筑一體化，同樣要求規劃先行。首先，需要對建筑所處位置的太陽能資源、周邊環境、地理條件等情況進行充分調研，這將是光伏建筑一體化設計能否實現的前提條件；其次，針對建筑所在地的日照特點選擇合適的光伏陣列設計，盡量避免遮擋，使得光伏組件最大限度地接受太陽能，實現光伏發電效率的最大化。

1.2 多專業協同原則

光伏建筑一體化設計過程中，要求多專業信息交換，多部門集成合作，注重設計過程的連續性，進而保證各個設計主體對最終目標實現的一致性。

在建筑設計領域，建筑師往往是設計的主體，而其他相關專業圍繞建筑師的設計方案來開展工作，這種思路在光伏建筑一體化設計中同樣適用。建筑師在強調建筑藝術效果的同時，要求設備相關專業工程師對光伏發電、建筑節能等層面提供可行性方案，結構相關專業工程師對建筑安全美觀進行初步設計。只有從建筑造型、光伏利用、節能環保、結構安全等多個層面同時評估后，才能實現光伏與工業建筑相輔相成、相得益彰，最終實現光伏一體化的最終目標。

1.3 節能環保原則

光伏建筑一體化要求光伏與建筑的結合具備節能環保原則，主要體現在以下三個方面：

(1)建筑本身必須環保，光伏發電過程主要依賴太陽能，其應用過程不產生污染物，十分環保。

(2)光伏構件或者構件原材料必須環保，比如光伏幕墻，不能造成光污染。

(3)應用節能技術，比如在外墻光伏組件設計過程中，選擇透明圍護結構，在保證建筑物自然采光的前提下，還可以實現建筑物自然通風，緩解對空調的過度依賴，同時還可以選擇一些環境友好型設備，進而降低耗電量。

1.4 高效安全原則

光伏建筑一體化高效安全原則需注重以下兩個因素：

(1)光伏組件自身因素。一方面涉及到其結構安全性能，比如在高層建筑結構中，風荷載影響較大，不僅影響組件與建筑物連接部位的結構安全，還要充分考慮組件在較大風壓下是否會產生變形進而影響發電效率和結構安全；另一方面涉及其使用壽命，比如個別組件壽命低于建筑物，那么相對不便更換的組件，其使用壽命在設計過程中需要考慮新材料或者新工藝，盡量延長組件的使用壽命，爭取做到與建筑物同壽命或者更長。

(2)建筑電氣安全因素。也是設計過程的重中之重。因為安裝光伏組件過程中會涉及大量的金屬材料，如果發生漏電事故，會對建筑物甚至內部人員造成不可估量的損失和傷害。

1.5 可持續發展原則

首先，光伏建筑一體化設計過程中，在保證建筑外在風格的前提下，巧妙引入太陽能光伏系統，本身就承載綠色建筑理念，體現著可持續發展原則；其次，光伏建筑一體化在當前節能減排社會經濟環境下，肩負著引導和示范的責任；最后，對于光伏建筑一體化項目來說，也是堅持可持續發展原則的受益者，并不是只有付出沒有回報。因此，在光伏建筑一體化設計過程中，要始終秉持可持續發展理念，避免不必要的資源消耗和環境污染。

取干燥的具塞試管3支，分別編號為1、2、3，在3支試管中均加入5 mL乙醛、0.1 g乙醛脫氫酶和1.5 g余甘果果肉，分放在30℃、37℃和40℃下放置10 h，然后測定乙醛含量。每組實驗均做3組平行實驗。

2 光伏屋頂構造深化分析

2.1 屋頂支架構造深化

目前光伏組件安裝應用最廣泛的形式是支架法，它不僅可以結合光照角度進行調節，實現發電效率最大化，而且方便安裝，后期的清潔、維修工作也便利，同時支架與屋面之間的空氣層，有利于組件降溫。

但支架法也存在其自身弊端，比如易受到環境氣候條件的影響。在我國東南沿海地區，氣候炎熱多雨，支架會受到氣候影響銹蝕或者老化，進而影響其剛度和壽命；如果遇到大風天氣，如果支架安裝不當，很可能被大風掀離，存在較大隱患；同時東南沿海多雨潮濕，如果防水措施失效，對于預埋形式光伏組件，不僅影響其安全使用，而且還會對屋頂結構造成損壞，持續發展的話，還會造成建筑物結構破損，帶來嚴重的安全隱患。

因此，在光伏建筑設計過程中，應對當地氣候和周邊環境進行充分調研，比如海邊要考慮海鹽侵蝕，種植屋面要預防植物釋放氨氣等腐蝕性氣體。同時，支架材料選型要合理，對于鋁合金或不銹鋼材質，要做好防銹防腐處理，比如采取氟碳噴涂、熱浸鋅、電泳涂漆等方式。

支架與預埋件的連接往往選擇剛性連接，防滲環節是處理的關鍵。由于預埋件的螺栓會穿透防水結構表面，其周邊位置將成為防滲薄弱環節。同時由于建筑物混凝土自身沉降或收縮，也可能在螺栓底部形成滲水通道。因此，必須采取一定的防滲措施，如圖1所示。其方法是加焊止水環，或者在螺栓周圍嵌入密封膏，阻斷滲水路徑。然后在螺栓與支架連接位置加墊橡膠墊圈、尼龍墊圈，不僅可以起到防滲作用，還可以對服役過程由于連接點剛度降低引起的滲水起到預防作用。

圖1 預埋件防滲處理措施

如果光伏支架不采取預制基礎，直接與地面接觸的話，雨水沖刷易造成支架生銹腐蝕，同時易造成支架內部進水，導致螺栓與鋼管內壁銹蝕，最終影響光伏支架的結構安全性。

因此，如果選擇直接預埋件方式，則在設計階段，應盡量減少支架與地面接觸，采用點式襯墊，墊起一定高度，使支架被架空，其構造示意圖如圖2所示，類似于點式混凝土基礎結構。

圖2 支架墊塊點襯示意圖

2.2 通風降溫構造深化

光伏建筑一體化項目中，尤其是選擇晶體硅光伏電池的工程，其熱源包括太陽能直接輻射和光伏發電自身散熱。因此，建筑通風降溫極為重要，可結合屋面降溫措施進行深化。

圖3 屋頂通風隔熱層示意圖

太陽能光伏組件與屋頂構造形成的隔熱間層與傳統屋頂隔熱層有所區別，其主要因素是熱源不同。太陽能光伏組件熱源包括其背面與空氣間層的置換熱源及與屋面熱源互換后再同空氣間層的置換熱源。因此，設計過程中不僅需要注重空氣間層的風速流通，而且還需要考慮屋頂接收的熱輻射，并通過理論計算得出最佳保溫層厚度。

太陽能光伏組件選擇平鋪方式安裝，需結合屋面寬度及坡度對其設計高度進行控制，借助于熱環境模擬程序，模擬計算獲得最佳風速。除此之外，在條件允許的情況下，可以結合立面造型設計，選擇在對著女兒墻方向設置一定數量通風口，如圖4所示，進而保障架空層的空氣流通。

圖4 女兒墻通風口設置

平鋪式光伏組件的安裝軌道與排水方向平行，如果與夏季主導風向垂直的話，需選擇支架或者墊塊將軌道適當墊高，保證軌道與屋頂高度，進而滿足排風需求，如圖5所示；如果與夏季主導風方向平行的話，則可將安裝軌道向屋面方向貼近，形成“壟墻”，有利于引導風向，改善通風效果，如圖6所示。

圖5 垂直夏季主導風方向示意圖

圖6 平行夏季主導風方向示意圖

2.3 屋頂形式構造深化

在保證建筑外觀與結構安全的前提下，可以通過深化建筑屋頂的結構形式，增加光伏發電效率。

2.3.1 單坡或不等坡屋頂

坡屋頂是我國東南沿海地區應用最為廣泛的建筑屋頂形式，建筑工業廠房通常選擇單坡或者不等坡屋頂，如圖7所示。

不等坡屋頂的設計，主要是為了延長收光面，更好地利用光照角度，增加陽面光伏組件數量，提高發電效率。不等坡屋頂可以將上下坡錯開，在錯開處可設置通風口和采光窗，增加建筑采光和通風效果。

圖7 單坡或不等坡屋頂示意圖

2.3.2 鋸齒形屋頂

如果建筑設計對屋頂采光有一定要求，則可以選擇鋸齒形屋頂，如圖8所示。鋸齒形屋頂合理設計安裝角度，實現了光伏支架與屋頂的完美融合，在滿足采光要求的同時，保證光伏組件的發電效率。鋸齒形陰面設計玻璃采光，避免陽光直射。同時，鋸齒形屋頂設計可豐富室內空間感受，營造了較好的美學效果。

2.3.3 屋頂與立面融合型屋面

在傳統建筑理論中，屋頂被稱為建筑的第五立面，但屋頂與傳統建筑立面的作用又不盡相同。屋頂為水平構件，其主要作用是遮陽和避雨，而傳統建筑立面則為垂直構件，主要承擔建筑物的結構支撐作用。但隨著新材料、新設備、新技術的不斷發展，建筑師設計的建筑屋頂和傳統立面的概念變得越來越模糊，尤其是在工業建筑廠房領域，追求空間設計的最大化利用，催生了拱形廠房、膜結構廠房等新型建筑廠房結構形式，如圖9所示，此類廠房屋頂更適合通過采用薄膜柔性電池來實現光伏建筑一體化。弧形立面與屋頂的結合，相對于傳統屋頂立面結合，更有助于利用光照角度，提高太陽能的光伏發電效率。

圖8 鋸齒形屋頂采光示意圖

圖9 屋頂和立面融合的工業建筑及建筑剖面示意圖

除此之外，現在建筑還經常在方形建筑外表面設計一層外表皮，不僅可以增加建筑外觀藝術效果，而且有利于遮陽通風，提高光伏發電效率，如圖10所示。

圖10 外表皮光伏建筑剖面示意及工程實例

3 結語

針對我國東南沿海地區氣候條件和建筑屋頂特點，提出了對太陽能光伏與建筑屋頂一體化構造深化研究的設計原則。在此基礎上，對屋頂支架、通風降溫以及屋頂形式等構造展開了詳細的深化分析，并結合不同情況設計和模擬出多種深化類型，尤其對通風降溫構造深化策略進行了更為詳細的分析，提出了豐富的應用策略，為光伏建筑一體化的應用和推廣提供了理論借鑒。