2021 年 12 月 智能建筑电气技术 Electrical Technology of Intelligent Buildings 第 15 卷 第 6 期 81 DOI:10.13857/j.cnki.cn11-5589/tu.2021.06.018 基于建筑环境分析的光伏建筑一体化设计方法 ——— 以天津滨海文化中心项目为例 孙 1 2 2 玲 ， 李晓纲 ， 田战胜 （ 1． 天津市建筑设计研究院有限公司 ，天津 300074； 2． 河南九域恩湃电力技术有限公司 ，郑州 450052） ［摘要］ 本文分析光伏建筑一体化特点，介绍基于建筑环境分析的光伏建筑一体化设计方法，通 过室内热环境、光环境分析，获得优化后的光伏组件布置，实现光伏组件布置与室内环境结合，光 伏组件在发电的同时优化室内环境 ，最后以天津滨海文化中心项目为例进行验证 。 ［关键词］ 光伏建筑一体化； 建筑环境分析； 光伏组件； PVsyst； 透光率 中图分类号： TM615 文献标识码： A 文章编号： 1729-1275（ 2021） 06-0081-05 BIPV Design Method Based on Building Environment Analysis ———Take Tianjin Binhai Cultural Center Project as an Example Sun Ling 1 ，Li Xiaogang 2 ，Tian Zhansheng 2 （ 1．Tianjin Architecture Design Institute Co．，Ltd．，Tianjin 300074，China； 2．Henan Jiuyu EPRI Electric Power Technology Co．，Ltd．，Zhengzhou 450052，China） Abstract： This paper analyzes the characteristics of current photovoltaic building integration，introduces the design method of photovoltaic building integration based on building environment analysis，obtains optimized photovoltaic module layout through indoor thermal environment and light environment analysis， and realizes the combination of photovoltaic module layout and indoor environment． The indoor environment is optimized while generating electricity． Finally，the Tianjin Binhai Cultural Center project is used as an example for verification． Keywords： BIPV （ building integrated photovoltaic ） ； building environment analysis； PV module； PVsyst； light transmittance 0 引言 1 工程概况 在全球气候变暖及化石能源日益枯竭的大背 景下 ，可再生 能 源 开 发 利 用 日 益 受 到 国 际 社 会 的 滨海文化中心项目位于滨海新区核心区天碱 解放路商业区，连接于家堡金融区、响螺湾商务区、 重视 ，大力发 展 可 再 生 能 源 已 成 为 世 界 各 国 的 共 识 。 各种可 再 生 能 源 中 ，太 阳 能 以 其 清 洁 、安 全 、 开发区生活区、塘沽老城区和新港生活区，突出文 化娱乐、休闲游憩、绿化景观等功能，是连接各区域 取之不尽用 之 不 竭 等 显 著 优 势 ，已 成 为 发 展 最 快 的可再 生 能 源 。 开 发 利 用 太 阳 能 对 调 整 能 源 结 的纽带（ 见图 1） 。 根据《天津市太阳能资源评估报告 》，近 30 年 构 、推进能源生产和消费革命 、促进生态文明建设 均具有重要意义 。 近些年分布式发电成为发展重 来天津太阳总辐射特征按照中国太阳能资源的区划 2 标准应属于ⅡC / X（ 5 /7） h。总辐射为 5 977. 6MJ / m ， 点 ，以 2018 年 为 例 ，新 增 地 面 电 站 装 机 规 模 占 新 增 装 机 市 场 的 52. 7%，分 布 式 光 伏 系 统 占 比 2 可利 用 的 太 阳 辐 射 为 3 880MJ / m ，占 总 辐 射 的 65%； 天数为 199 天，占全年的 54. 5%。太阳能建筑 47. 3%。 随着分布 式 光 伏 系 统 的 发 展 ，光 伏 建 筑 应用实践表明，较适合利用太阳能光伏发电。 一体化系统逐渐成为电气设计师与建筑设计师共 同认可的建筑应用形式 。 作者简介： 孙 玲，硕 士 研 究 生，高 级 工 程 师，Email： sunlinghome @ 163．com。 智能建筑电气技术 82 2021 年 图3 光伏组件安装区域 的屋顶，而是朝四个方向找坡的采光顶，光伏组件 类型、安装形式、线缆敷设方式要做到既与建筑一 体化设计，又能够传达绿色节能的建筑理念，就需 要在组件选型时兼顾颜色要求、透光要求、安全性 要求、密封性要求等多方面因素。 图1 滨海文化中心位置 滨海文化中心由五栋独立的文化建筑组成 ，通 过文化长廊连接，形成一个文化综合体。 文化长廊 跨过解放路下穿路，首层断开，二层以中央大厅连 通，两层均能直通室外。项目总平面图如图 2 所示。 透光型光伏组件主要分两种类型： 晶硅型双玻 组件和薄膜组件。 晶硅型双玻组件采用晶硅芯片， 转换效率较高，但透光效果不均匀，颜色比较单一， 基本是蓝黑色、蓝色或黑色。 其内部、外部安装效 果以及透光效果见图 4。 图4 图2 滨海文化中心总平面图 文化长廊为室内连廊，总长约 340m，宽 25m、高 36. 5m，是整个文化中心的主轴线。 项目采用 28 把 晶硅型双玻组件透光效果示意 薄膜组件的透光效果可以做的很均匀，并且色 彩多样，但转换效率较低。 其内部、外部安装效果 以及透光效果见图 5。 金色伞形钢结构将 5 座文化场馆串联，形成多元复 合的文化综合体，全室内环境，塑造了四季宜人、便 利舒适的空间通廊。 2 光伏发电系统设计 天津滨海文化中心文化长廊高 36m，其中中央 2 大厅屋顶面积约 1 万 m ，铺设光伏组件的区域为 3 276 m 2 ，有效光伏组件面积约 2 803m 2 ，有效光伏 组件数量 1 280 块，装机容量为 204. 8kWp，并网点 设置在地下文化长廊 2 号变电室低压母线上。光伏 组件安装区域见图 3。 2. 1 组件类型 滨海文化中心屋顶玻璃采光顶并非整体平整 图5 薄膜型组件透光效果示意 经过多方面比较分析，结合本项目建筑、幕墙 设计以及第五立面效果，最终选定点状透光的晶硅 第 15 卷 第 6 期 孙 玲，等． 基于建筑环境分析的光伏建筑一体化设计方法 83 双玻组件，一方面整体系统能够达到较高的转换效 率，经济性较高； 另一方面，无论在室内抬头仰望或 要依据 。Daysim 主要用于动态 光 环 境 模 拟 分 析 ， 它是以 Radiance 作为计算核心 ，将 地 域 性 的 逐 时 在高空俯视鸟瞰，具有明显视觉冲击感的光伏组件 晶硅片都能时刻传达出绿色低碳的设计理念 。 光气候数据作为基 础 ，计 算 工 作 面 的 逐 时 自 然 采 光照度 。 2. 2 室内光环境分析 2. 2. 1 伞形格栅区域 室内 光 环 境 分 析 主 要 有 静 态 光 环 境 模 拟 和 动态光环境 模 拟 两 种 。 Ecotect 和 Radiance 主 要 文化长廊采用伞形结构撑起整个长廊屋顶 ，根 据本项目实际情况，采用 Sketchup 建立建筑模型， 用于静态模拟分析 ，能 够 模 拟 出 最 不 利 时 刻 或 典 型日中特 定 时 刻 点 工 作 面 的 照 度 、亮 度 、采 光 系 选取其中一把“伞”状区域，作为重点模拟分析的标 准单元。伞形格栅的数量经过方案比选，最终确定 数等静态指标 ，是评 价 建 筑 内 部 光 环 境 质 量 的 主 了顶部杆件布置方案。具体比选如表 1。 伞形结构顶部杆件方案 方案编号 1（ 初始方案） 方案概况 调整格栅数量 （ 基于初始方案的对比值） 表1 5（ 最终方案） 2 3 4 杆件变细 杆件 150mm、 间距 100mm 变细后隔一删一 渐变一 渐变二 顶部杆件删除 杆件 150mm、间距 150mm， 减去顶部杆件 0 37 18 28 74 示意图 经过光环境模拟，冬至全阴天 16 ∶00，平均照度 达到 210lx。依据 150lx 采光设计标准，文化长廊天 然采光光环境优越。 经过分析，基本确定伞形格栅布置区域，也即 确定了“伞”上光伏组件的安装区域，见图 6 ～ 7。 图7 图6 伞形格栅 伞形格栅上组件安装示意 进入不到室内，使用透光型组件也没有意义了。 本 项目结合伞状结构的格栅布置，将光伏组件的透光 2. 2. 2 光伏组件透光率 为便于安装，并兼顾视觉效果，本项目光伏组 率从 10% 到 80% 之间进行调整，采用动态模拟软件 Daysim 分析得出，采用 50% 左右透光率的组件，室 件的尺寸选择与伞状采光顶所使用玻璃组件尺寸 一致，均为 1 480mm × 1 480mm。点状透光型组件的 内采光效果最佳。 电池片在确定尺寸的光伏组件 上 详 细 布 置 后 确 定，组 件 的 电 池 片 覆 盖 率 为 透光率取决于晶硅片的布置及数量，同时也决定了 单片组件的峰值功率。 46. 7%，透光率为 53. 3%。光伏组件示意图见 8。 常规情况 下，光 伏 组 件 的 透 光 率 处 于 10% ～ 80%，当透光率低于 10% 时，使用光伏组件的经济性 根据采光屋顶可供安装的场地面积和组件布 置要求，共安装具有透光率的多晶硅双玻光伏组件 就非常差了； 而当透光率高于 80% 时，自然光几乎 1 280 块，组件峰值均功率为 160