【门窗展分享】夏热冬暖地区光伏建筑一体化的新实践
日期:2015-05-05

1.前言

   1991年光伏建筑一体化(Building-integrated Photovoltaics)的概念被正式提出,简单地讲,就是将光伏组件或材料作为建筑物的一部分,同时发挥其发电功能[1]。BIPV的出现,实现了光伏发电由边远地区和特殊应用向城市过渡,由集中电站向分布式供电模式过渡,该技术可进一步结合发电侧运行优化和用户侧需求预测管理技术,必将成为最具前景的建筑节能技术之一。

    BIPV的优点相当明显:1)使用清洁能源,减少燃煤发电的使用量,减轻了环境污染;2)发电就地使用,减少发输配电过程的损耗;3)具有保温隔热及采光通风功能,可降低空调和采暖负荷;4)充当建筑物的外围护结构,节约了外装材料,也节省了宝贵的城市用地资源[2]。

我国在2006年6月实施的GB/T50378-2006 《绿色建筑评价标准》中也明确提出:将可再生能源发电作为绿色建筑评价的最优选项;2014年《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》发布后,各地区积极制定配套政策和实施方案,有力推动了分布式光伏发电的多种方式利用,截止2013年底,我国分布式光伏发电累计总装机容量突破300万千瓦[3,4],
光伏产品与建筑集成到一起,统一规划、设计和施工,在满足建筑功能的同时,又可产能,是一种先进的绿色建筑技术。目前,光伏建筑一体化的常见应用形式有:光伏幕墙、光伏采光顶、光伏栏杆、光伏百叶以及光伏小品。光伏百叶在建筑的应用实例较少,大面积应用的更是屈指可数。

顺德区第一人民医院易地新建项目光伏发电工程,是一个光伏建筑一体化应用的典型案例,该项目在立面大面积使用光伏百叶的元素,并且在建筑群屋面的花架安装了光伏系统,在不改变建筑外观的前提下,既为建筑供能,又成为夏热冬暖提供方便。


2.工程概况
本项目位于广东省佛山市顺德区(地区环境温度:年平均温度22摄氏度,最高气温39.3摄氏度,最低气温达4.1摄氏度;日照时间:年均日照1489.2小时,全年平均辐射量5361.1MJ/m2),在顺德人民医院的立面和屋顶安装光伏发电系统(其中立面面积10360平方米),共安装光伏百叶百叶9807块,光伏组件2464块,总功率1013.6kW。


3.光伏建筑一体化设计
本项目光伏系统的安装区域分为屋面花架和立面两个部分。其中,屋面花架分别有1#、5#、6#、7#楼,立面分别有1#、2#、3#、5#、6#、7#楼。


3.1建筑设计
3.1.1屋面花架光伏系统
屋面花架作为建筑结构的一部分,其作用主要是装饰,少部分可以遮阳,这在建筑设计中是一个非常常见的元素。然而,这类飘板、格栅、花架等,往往是不具备遮阳、导光、导风、载物、辅助绿化等功能作用的装饰构件。在花架安装光伏系统,特别是已建建筑,是改变花架使用功能的重要手段,使其既保持观赏性、遮阳,还可以发电,为建筑产能。以顺德人民医院为例:

(1)安装区域
本系统安装于顺德人民医院1#、5#、6#、7#楼的花架上。该医院建筑群设计的花架凸出于建筑,只具框架不具有功能,安装光伏系统以后,不会改变现有建筑造型和外观,使其成为建筑的遮阳构件,还可以发电。

(2)结构安装
光伏系统利用花架梁为主体梁,Z型钢为次横梁,通过后置连接埋板固定次横梁于花架梁上,形成光伏系统龙骨结构,支撑上部光伏组件。光伏组件通过不锈钢螺栓与次横梁有效连接。经计算,符合建筑结构相关规范。

图3-6 安装节点图一


 
图3-7 安装节点图二


3.1.2 立面百叶光伏系统
光伏幕墙、光伏百叶是光伏系统在立面运用的主要形式。相比于幕墙,百叶有其独有的特点:可根据不同地区太阳高度角以最佳倾角安装、通风、遮阳、可以安装在普通幕墙外起到装饰建筑的效果。本文以顺德人民医院为例,介绍光伏百叶在建筑的运用。

(1)建筑设计
顺德人民医院建筑群的设计是在玻璃幕墙外安装光伏百叶。此种设计决定了光伏百叶分格必须服从于玻璃幕墙的分格。而因建筑造型或使用功能的原因,玻璃幕墙的分格有多种尺寸,使得光伏百叶组件的尺寸多达15种。整个建筑群共安装光伏百叶组件1369块,总功率1013.6kW。
经过阴影分析和计算,确定光伏百叶的最小间距为650mm,倾角为15°。如图:
 
图3-10 5#楼光伏百叶竖剖图

(2)结构安装
光伏百叶的立柱必须与建筑玻璃幕墙的竖向分格缝对齐,在层间与建筑结构连接,在能满足结构安全的同时,使整个系统与建筑形成有机整体。

光伏百叶因其结构特点,不可能使用幕墙框架结构来安装。通常玻璃百叶的安装,归纳起来通常为两种形式,一是点玻式,而是夹板式。点玻百叶安装方便、形式美观,适应绝大部分安装环境,但是价格昂贵。夹板式则需要在合适的安装环境下使用,才能达到形式美观、安装方便的效果,但其价格相比点玻式便宜不少。本项目使用了夹板安装技术,安装节点如下图。


   
图3-12 5#楼光伏百叶节点一 

图3-13 5#楼光伏百叶节点二


 
图3-14 5#楼光伏百叶节点三


3.2防雷措施
光伏系统安装在建筑的外围,特别是屋顶,位置高金属结构多,很容易遭受雷电袭击。为避免昂贵的光伏组件和逆变器受到损伤,系统的防雷是很有必要的。光伏系统飞防雷可分为两个部分:第一,外部选用热镀锌圆钢与主体结构的防雷体系可靠连通,连接的长度不小于120mm。这种防雷思路,主要是依托建筑主体的防雷体系,将遭受的雷电转嫁给建筑主体,依靠建筑本体的防雷体系消除雷击的危害。要特别注意的是,如果选用避雷针或其他高于光伏组件的防雷方式,应避免在组件表面产生投影,影响光伏发电的效率。第二,安装浪涌保护器。在逆变器的每路直流输入端、防雷汇流箱、并网接入控制柜等进行一级防雷保护,安装防雷保护器,设计防雷模块,安装防雷过电压浪涌保护器,减少电涌和雷电过电压对设备造成损坏。


 图3-22 屋面防雷节点图


 
图3-23 立面防雷节点图


4.设计执行的行业标准和规范
此项目所用的光伏组件及幕墙玻璃需满足各自相应产品和工程(包括光伏组件、建筑安全玻璃等)的测试标准,光伏系统设计主要参考《顺德区建筑太阳能光伏系统设计导则》 2010(试行)、《顺德区建筑太阳能光伏系统规划与建筑设计导则》 2010(试行)、《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》 JGJ203-2010、《光伏发电站设计规范》GB50797- 2012 、《光伏系统并网技术要求》 GB/T  19939-2005和《光伏发电站接入电力系统技术规范》 GBZ 19964-2005等标准为设计依据,严格按照其规定的强制性条文执行。本项目为在既有建筑物上增设光伏发电系统,经过对其建筑物结构和电气的安全复核,满足建筑结构及电气的安全性要求,参见相关文件。 
另外对于建筑节能和采光的要求,BIPV建筑的设计必须满足GB50189《公共建筑节能标准》对于节能和传热系数的规定;BIPV工程的设计必须满足GB50189《公共建筑节能标准》对于遮阳的规定和GB/T50033-2014《建筑物采光设计标准》对于采光的规定。


5.社会效益
光伏建筑一体化系统具有良好的社会效益,可节省燃油标准煤,减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放和因火力发电产生的粉尘,节约净水。

经计算,本光伏系统的年发电量1132000度,可省燃油295吨或节省标准煤407.5吨,这也意味着少排放1128吨的二氧化碳及13.3吨的二氧化硫,同时减少因火力发电产生的308吨粉尘,节约4528吨净水。


6.结语
光伏组件作为屋面花架和光伏百叶,可以成为夏热冬暖地区建筑的一个观赏点和具有遮阳功能的构件,同时,光伏发电是一种可再生清洁能源,光伏建筑一体化是值得大力推广的绿色建筑技术,广泛适合于医院、体育馆、酒店及火车站台等公共建筑。BIPV光伏工程在其产品和工程设计过程中,须执行严格的建筑和电气安全标准,还需满足建筑节能和采光规范要求,因此同步规划、同步设计、同步施工和同步验收、运营,有利于BIPV工程的施工质量和高品质运行。

参考文献:
[1] 邓鑫 建筑用光伏的设计与优化方法研究 湖南大学硕士论文2012年  
[2] 靳静,顾承红,艾芊等,城市光伏建筑一体化 建筑节能 2007(8):47-50
[3] 
http://www.nea.gov.cn/2014-04/28/c_133296165.htm
[4] http://xtlxsh.com/zxdt/view/2/4305.htm

致谢:本文得到“863”子课题“建材型光伏构件制造与测试关键技术及装备”(编号:2011AA05A307)的支持。

全文摘自2015全国铝门窗幕墙行业年会论文集《夏热冬暖地区光伏建筑一体化的新实践》,作者罗多、刘玉凤 、余国保、王晓丹、 陈征转载请注明出自广州门窗展官网http://www.windoorexpo.com/和作者。
更多展会精彩内容,请加微信号 muqiangzhan 或关注新浪微博@门窗幕墙博览及广州门窗展官网
扫一扫,更精彩




关键词:门窗展、幕墙展、幕墙工程、学术交流、光伏建筑
预定展位
参观门票
在线咨询