裝配式鋼結構被動房太陽能屋頂發電的探索

楊鵬宇，楊玉棟，常 江

(1.大同市建筑設計研究院有限公司，山西 大同 037010； 2.大同泰瑞集團建設有限公司，山西 大同 037010)

1 工程概況

坐落在嚴寒地區的大同市云山府被動房項目，是一個創新型項目，它首先采用全裝配鋼結構，從豎向構件的鋼管束到水平構件的鋼梁和桁架樓承板及樓梯、陽臺板、空調板全部采用鋼結構，裝配率達到70%；它還是一項近零能耗的被動房項目，250 mm厚的石墨聚苯板外保溫系統，導熱系數低于0.85的被動窗，具有熱交換功能的新風系統，完整的氣密性設計和優秀的隔熱構造措施，保證著室內溫度始終在20 ℃～26 ℃之間，濕度保持在30%～60%之間，室內新風量大于30 m3/(h·人)，氣密性N50<0.6。它同時也是一項綠色三星的示范性項目，其中的“合理利用可再生能源”項，完全滿足《綠色建筑評價標準》的要求。在建有22棟被動房，總建筑面積18.94萬m2，7種戶型，總戶數為1 108戶，全部精裝修交付，戶型面積為130 m2～320 m2。云山府鳥瞰圖見圖1。

2 太陽能的利用是被動式住宅的正確選擇

被動式住宅是相對于傳統的采暖住宅(主動式)而言的。與傳統的主動安裝供暖設施的住宅相比，僅僅靠住宅本身的構造設計就能達到舒適的室內溫度，在冬季不需要主動供暖消耗能量，在夏季不需要通過空調消耗電力制冷，滿足冬暖夏涼的要求。這樣一種房子正符合我國節能減排的政策，符合碳達峰、碳中和的目標。利用住宅屋頂空間實現太陽能的轉換，可以減少能源的消耗，實現節能的目標，達到低能耗向超低能耗和近零能耗及零能耗目標[1]。

被動式住宅是以節能和舒適為目的的房子，是人們在基本的居住條件滿足之后，對更高品質住房的追求。節能是被動式房屋的基本要求之一，它要求全年能耗指標低于18 kWh/(m2·a)。為了達到這樣的目標，除了通過保溫和氣密性的設計來降低能源的消耗外，另一個重要的方法就是充分利用太陽能來替代部分化石能源的消耗，因為太陽能是取之不盡用之不竭的無污染的清潔能源。這也就成了該項目的重要選擇。

3 太陽能光熱系統和光伏系統的選擇

太陽能的利用有兩種方式，一種是太陽能熱水方式；一種是太陽能光伏發電方式。在太陽能利用早期，太陽能熱水在住宅上的應用比較普遍，各家各戶在屋頂上安裝太陽能熱水器，從屋頂引入衛生間洗浴，這對于多層建筑來說是可行的。隨著太陽能光伏的發展，光伏材料價格大幅下降，并趨于合理，采用光伏發電成為可能。從省城鄉建設廳關于《綠色建筑創新示范技術指導清單》也可以看出，在“可再生能源技術”項下“光伏建筑一體化”為首選[2]。

我們參觀過的前期建設的被動房項目在太陽能的應用方面，都處于早期太陽能熱水階段，每一戶在南向陽臺上掛一片太陽能集熱板，陽臺側墻上裝一個熱水箱。一般地，需要熱水的衛生間在北向，只有通過管道才能送到，管線長，熱效率低。云山府最初的設計中，在利用再生能源的選項上，設計單位選定采用的也是太陽能集中熱水系統。每一棟樓頂上都安裝屋頂太陽能熱水系統，每一單元屋頂設置集中熱水箱，收集太陽能轉換的熱水，通過熱水管道送到每家每戶。為了保證熱水能夠隨時隨地的使用，設置有加壓循環系統，通過不停頓的運轉來保證每家每戶適時用熱水。但這樣也會造成更多的二次能源消耗，特別是屋頂水箱間工程費用和水箱設備的費用及加壓循環系統的費用，每一單元大約需要20多萬元，總共約800多萬元，是一筆很大的費用。集中供應熱水還必須考慮系統的除垢問題(大同地區水質較硬)，軟化水成本較高，無論采用哪種軟化水方式(電子軟水、陽離子樹脂軟水等)，都是一筆需要用戶承擔的費用。對于多層建筑來說，太陽能集熱器在屋頂上還可以安排得下，而對于高層建筑來說，比如兩單元18層64戶的用水量，集熱板在屋頂上是怎么也安排不下來的[3]。

云山府項目22棟住宅樓屋頂平均可利用面積為644 m2，總計為14 168 m2，可以安裝1 357 kW的太陽能光伏發電組件，日發電(按日均5.5 h計算)量為7 464 kW·h，年發電量為2 724 360 kW·h，按1 108戶計算，每戶每年平均可免費享用2 459 kW·h。光伏板穩定運行期為25 a，太陽能光伏電站3 a可回收成本，其余22 a總發電量(或為用戶免費提供總用電量)59 935 920度電。可以減少碳排放，節約標準煤18 162 t。按照目前晶硅發展的技術水平，即使25 a后發電量仍能保持原來初裝總容量額的85%。這非常符合國家節能減排政策。在整個運行年限中完全自動控制，幾乎是免維護。太陽能發電不會產生任何廢棄物，沒有污染、噪聲等公害，對環境無不利影響，建設周期短，方便靈活，而且可以根據負荷的增減任意添加或減少太陽能方陣容量，避免浪費，經濟效益和社會效益都非常可觀。云山府項目在與本地供電部門溝通后，將全部可以利用的屋面安排光伏發電陣列，實行“應發盡發，能用盡用，自發自用，余電上網”的政策，把云山府項目作為屋頂太陽能發電示范項目[4]。

4 太陽能光伏組件陣列排布

太陽能光伏組件受光面的朝向、與水平面的傾角、前后排組件陣列之間的距離等都與發電量多少有著極其重要的關系。晶硅光伏組件對入射角比較計較，光伏組件有一定厚度，光線若不是垂直進入，就會產生折射，會降低光照強度減少發電量。太陽能光伏電站陣列上，組件的采光朝向一定要設計成正南向，陣列與地平面也要有一定的夾角。大同地區最佳計算夾角為37°左右，根據具體安裝地點和位置可在±5°范圍調整，同等光伏材料組件，同等裝機容量有合理的傾角比沒傾角平鋪發電量要高得多[5]。

為防止光伏組件在任何季節陽光被遮擋，組件陣列在屋頂上相互之間的最短的有效距離，應保證在每年冬至日，前排組件陣列受光面對后排組件陣列受光面無任何遮擋。特別是在平屋頂上，光伏組件需要通過光伏支架來調整光伏組件的高度和角度，盡可能設計成37°左右，便于光照，提高發電量，而且，這樣春、夏、秋雨水也能夠方便沖刷組件表面的污垢灰塵，冬季積雪也能夠自由滑落。

屋頂上設計有女兒墻，會影響到光伏組件的布置，有的屋檐，檐口還會向內伸出，必須考慮它們對于光伏組件的影響。在沒有特別要求時，通過光伏組件支架來調整高度，避免女兒墻的遮擋；同時避開內伸水平屋檐的影響，還應該考慮檢查維修的方便，光伏板平面布置圖見圖2。在這個小區有一棟公共用房的屋頂上，因其為單層建筑，設計師考慮屋頂的觀瞻性，提出了屋頂太陽能光伏板高度不超過女兒墻和傾斜角不超過5°要求，這樣光伏板幾乎平鋪，就會對光伏發電產生不利的影響。但這樣做滿足了設計師對于屋面造型和效果的要求，當然這是一個特殊要求。除此之外，全部光伏發電板均采用37°左右的角度，光伏板立面圖見圖3。

5 太陽能光伏發電的上網接入方式

在屋頂上安裝太陽能光伏板，配置小型的光伏發電供電系統，將每一棟樓頂的光伏板所發的電進行匯集，就近送往各家各戶使用，富余的電量可以饋送給大電網，也就是“自發自用余電上網”。這種分散式小型并網光伏工程，利用屋頂閑置空間，投資小建設快，符合產業政策，利用天然的太陽能清潔能源發電，減少了污染，增加了項目的經濟效益。

所安裝的太陽能光伏發電裝置，按系統分類為分布式光伏發電系統，一種在用電現場或靠近用電現場配置較小的光伏發電系統，可以滿足特定用戶需求，支持現存配電網的經濟運行。分布式光伏發電系統的基本設備包括光伏電池組件、光伏陣列支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網逆變器、交流配電柜等設備，另外還有供電系統監控裝置和環境監測裝置。其運行模式是在有太陽光照輻射的條件下，光伏發電系統的太陽能電池組件陣列將太陽能轉換輸出的電能，經過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網逆變器逆變成交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電能通過并接國家電網進行調節。系統組成原理框圖如圖4所示。并網光伏逆變器是光伏電站的核心部件，在白天陽光充足時，它檢測到光伏功率大于用戶負荷功率時就向用戶供電，而超出用戶負荷的多余電量會送入電網，即自發自用余電上網。電表1用來計量光伏陣列總發電量，電表2是具有雙向計量功能的電度表，正向可以計量用戶所用國家電網市電用量，反向可以計量用戶使用后剩余而饋入電網的電量。每棟樓屋頂太陽能光伏發電站，可以通過一根導線截面積與本樓光伏電站裝機量相符的五芯護套電纜，將電能傳送至本棟樓動力配電柜，并與園區電網連接即可。住宅樓屋頂的太陽能光伏發電站都可以單獨計量發電電量，只需在每棟樓頂太陽能光伏電站輸出端安裝的一塊電度表即可計量發電電量。

由于每棟樓的樓頂所建光伏電站裝機容量，都小于設計院原設計提供的每棟樓的電功率，因此不需要改變或增大原設計的電力線路容量，摒棄了以往通行的太陽能光伏發電的“全額并網，高進高計”電能計量方式，充分利用原有供電系統的資源(既有輸電線路的線纜、電力變壓器及電力控制柜中的全部既有設備)，不需要增加新的設備，大大節約了成本。22棟住宅樓的太陽能光伏電站的電能按照就近原則分別并入園區內不同方位的四個變壓器(四個變壓器容量分別為A:800 kVA；B:800 kVA；C:630 kVA；D:630 kVA)低壓接入點上，1號、4號、7號、8號、9號樓接入A；2號、3號、5號、6號、12號、13號樓接入B；22號樓接入C；10號、11號、14號、15號、16號、19號、20號、21號樓接入D。

6 太陽能光伏板基礎的選擇

這是一個新建住宅項目，太陽能光伏板支架應當植根于現澆屋面板上，較為妥當。對于一般的住宅屋面，完全可以這么選擇。但是，對于被動式住宅，如果在鋼筋混凝土屋面上預埋鋼板，在鋼板上焊接鋼管支架，第一要解決鋼管導熱問題，需要加設隔熱墊塊，再就是由于支架密度一般在小于3 m的范圍，一個屋面可能需要幾十個埋件，要處理這些鋼管的氣密性問題，是一個比較大的工作。埋件鋼管首先要穿越隔氣層，再穿越保溫層，再穿越最上面的屋面防水層，做不好失效的幾率很大。被動房的保溫和氣密性要求非常嚴格，一旦有失效的情況，那將是不可彌補的損失，因此，這個方法似有不妥。

我們首先要保證這些房子的氣密性和保溫性能要求。于是，有人提出可以考慮在屋頂保護層之上，做成條狀的預埋基礎。沿縱向將支架基礎連在一起，寬度大約為600 mm～900 mm，高度大約為250 mm～300 mm，支架預埋在條狀基礎上，既保證支架的穩定性，又可以保證不與被動房的氣密層和防水層有連接。但這樣存在一個問題，在屋面上會出現200 mm～300 mm高的條狀突出物，屋面排水需要重新確定分水線，另外還有一個值得注意的問題是，一旦屋面防水出現老化，需要翻修，屋面上的混凝土怎么處理，存在重大隱患，建筑設計師不同意這么做[6]。

既然300 mm厚混凝土條狀基礎可以滿足支架的穩定性，而所有這樣的基礎加在一起等于占用了1/3的屋面，也就相當于屋面平鋪了100 mm厚的混凝土。那么，我們完全可以將原來我們防水層上的50 mm保護層和新增的相當于100 mm厚的混凝土做成150厚的剛性屋面。剛性屋面一方面可以有效地防止屋面防水層的老化變質，另一方面，屋面排水保持通暢，沒有阻礙，支架在150厚的混凝土內，安全穩固有保證。但是經過結構設計人員計算后，發現原結構的樓板和頂層的梁承受不了這么大的荷載，只好作罷。

比較下來，還是采用在頂層現澆樓板上預埋太陽能支架較為合適，只是在氣密性和隔熱方面應保證按工藝要求執行，不能有任何偏差，不可以出現任何紕漏。目前的作法是在支架底端與預埋鋼板之間增加一塊隔熱墊板，并在上面覆蓋一塊保溫材料，用以隔斷細石混凝土找坡層與支架鋼管之間的熱傳遞，目前選擇的隔熱材料為環氧樹脂玻璃纖維布絕緣板，光伏支架隔熱處理見圖5。

7 結語

中國在格拉斯哥國際氣候大會上鄭重宣布，將在2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和，這既是一個莊嚴的承諾，也是一個非常艱巨的任務。如此，2030年非化石能源風能、太陽能、生物質能源占一次能源消費比重必須達到25%以上，總裝機達到12億kW以上，這就是未來能源體系發展的明確的時間表。在新建項目屋面上設計太陽能光伏發電，對已建項目 屋面改造增加太陽能光伏發電，屋頂小型太陽能光伏發電集小而成多，也是一項把可再生清潔能源開發并合理利用的巨大工程，是一項利國利民的好事。云山府項目利用屋頂進行太陽能光伏發電，正是響應政府號召，發展綠色建筑的極好的示范工程。本文從太陽能光伏利用方式的選擇、陣列排布要求、上網接入方式、光伏板基礎的選擇等多方面完整地記述了云山府工程的全過程工作，有得有失，希望得到各位同行的支持和指導，也希望我們的工作對于今后太陽能光伏發電事業的發展提供一些有益的經驗和教訓。