DOI:10.13923/j.cnki.cn14-1291/tu.2021.02.016 建筑设计 文章编号： 1009－9441（ 2021） 02－0048－06 太阳能光伏与建筑屋顶一体化构造深化研究 □□ 崔静恩， 李 摘 锐， 范 磊， 彭明强 （ 中国建筑材料科学研究总院有限公司 ，北京 要： 随着全球城市环保节能需求的不断增加及太阳能开 发技术的日益发展，光伏建筑一体化技术势必主导未来建筑 工程对新能源利用的潮流。我国东南沿海地区太阳能资源 丰富，深化该地区建筑屋顶太阳能光伏一体化构造设计，既 可以加快光伏建筑一体化技术在我国建筑领域的应用与推 广，又可以实现一种独特的建筑艺术效果，为光伏建筑一体 化在国内建筑领域的应用提供参考。 关键词： 光伏建筑一体化； 建筑屋顶； 光伏组件 中图分类号： TU 18 文献标识码： A 引言 人类社会发展与能源开发息息相关 。 伴随着 化石类燃料 能 源 存 量 的 不 断 减 少 ，人 类 生 存 环 境 形势日益严 峻 ，可 再 生 能 源 的 开 发 与 应 用 已 成 为 当今社会的重要议题 。 太阳能作为一种取之不尽 用之不竭的 清 洁 能 源 ，具 备 极 高 的 应 用 价 值 和 能 源替代优 势 。 目 前 ，在 建 筑 工 程 领 域 与 太 阳 能 应 用结合较为 成 熟 的 技 术 主 要 有 两 种 ，分 别 为 太 阳 能光伏应用技术和太阳能热水应用技术 。 太阳能 光伏应用技 术 与 建 筑 屋 顶 结 构 相 结 合 ，在 不 占 用 额外用地的 前 提 下 ，不 仅 可 以 为 用 户 就 近 提 供 热 水 ，还可以 补 充 居 民 用 电 ，节 能 效 果 明 显 ，是 现 代 建筑领域的重点发展方向之一 。 对太阳能光伏与 建筑屋顶一 体 化 构 件 进 行 针 对 性 的 深 化 研 究 ，不 仅可以推进 光 伏 建 筑 一 体 化 应 用 ，而 且 可 以 实 现 建筑节能减排 ，缓解社会能源短缺 ，具有十分重要 的经济意义和社会价值 。 长期以来，工业建筑都是新材料和新技术的实 验载体。厂房建筑相对于传统的民用建筑，构造形 式更加多样性，建筑空间应用更加丰富，而且我国现 代工业化起步较晚，工业建筑能耗较高。因此，研究 太阳能光伏技术在建筑屋顶领域的应用，拥有较大 的应用价值和现实意义。 ① ① 1 100024） 光伏建筑一体化构造深化原则 光伏建筑一体化技术，并不是把光伏面板单纯 地堆砌在建筑物上，它是一种相对复杂的集成化设 计方式，不仅可以满足光伏发电的需求，还充分考虑 了建筑的使用性能以及美学需求，既保证了电气安 全与建筑结构安全，也实现了建筑节能环保的社会 价值。所以，光伏建筑一体化的实现，需要多方面的 共同努力。 光伏组件的深化设计应该与建筑设计同步进行， 在光伏建筑设计过程中，应始终秉持一体化理念，坚 持一体化设计、 一体化制造、 一体化施工的核心原则。 1. 1 规划先行原则 建筑行业必须坚持“规划先行”的理念，而光伏 建筑一体化，同样要求规划先行。首先，需要对建筑 所处位置的太阳能资源、周边环境、地理条件等情况 进行充分调研， 这将是光伏建筑一体化设计能否实现 的前提条件； 其次，针对建筑所在地的日照特点选择 合适的光伏阵列设计，尽量避免遮挡，使得光伏组件 最大限度地接受太阳能， 实现光伏发电效率的最大化。 1. 2 多专业协同原则 光伏建筑一体化设计过程中，要求多专业信息 交换，多部门集成合作，注重设计过程的连续性，进 而保证各个设计主体对最终目标实现的一致性 。 在建筑设计领域，建筑师往往是设计的主体，而 其他相关专业围绕建筑师的设计方案来开展工作 ， 这种思路在光伏建筑一体化设计中同样适用 。建筑 师在强调建筑艺术效果的同时，要求设备相关专业 工程师对光伏发电、建筑节能等层面提供可行性方 案，结构相关专业工程师对建筑安全美观进行初步 设计。 只有从建筑造型、光伏利用、节能环保、结构 安全等多个层面同时评估后，才能实现光伏与工业 基金项目： 国家重点研发计划资助（ 2018YFD1101005） 。 · 48· Ｒesearch ＆ Application of Building Materials 建筑相辅相成、相得益彰，最终实现光伏一体化的最 终目标。 1. 3 节能环保原则 光伏建筑一体化要求光伏与建筑的结合具备节 能环保原则，主要体现在以下三个方面： （ 1） 建筑本身必须环保，光伏发电过程主要依 赖太阳能，其应用过程不产生污染物，十分环保。 （ 2） 光伏构件或者构件原材料必须环保，比如 光伏幕墙，不能造成光污染。 （ 3） 应用节能技术，比如在外墙光伏组件设计 过程中，选择透明围护结构，在保证建筑物自然采光 的前提下，还可以实现建筑物自然通风，缓解对空调 的过度依赖，同时还可以选择一些环境友好型设备 ， 进而降低耗电量。 1. 4 高效安全原则 光伏建筑一体化高效安全原则需注重以下两个 因素： （ 1） 光伏组件自身因素。 一方面涉及到其结构 安全性能，比如在高层建筑结构中，风荷载影响较 大，不仅影响组件与建筑物连接部位的结构安全 ，还 要充分考虑组件在较大风压下是否会产生变形进而 影响发电效率和结构安全； 另一方面涉及其使用寿 命，比如个别组件寿命低于建筑物，那么相对不便更 换的组件，其使用寿命在设计过程中需要考虑新材 料或者新工艺，尽量延长组件的使用寿命，争取做到 与建筑物同寿命或者更长。 （ 2） 建筑电气安全因素。 也是设计过程的重中 之重。因为安装光伏组件过程中会涉及大量的金属 材料，如果发生漏电事故，会对建筑物甚至内部人员 造成不可估量的损失和伤害。 1. 5 法，它不仅可以结合光照角度进行调节 ，实现发电效 率最大化，而且方便安装，后期的清洁、维修工作也 便利，同时支架与屋面之间的空气层，有利于组件 降温。 但支架法也存在其自身弊端，比如易受到环境 气候条件的影响。 在我国东南沿海地区，气候炎热 多雨，支架会受到气候影响锈蚀或者老化 ，进而影响 其刚度和寿命； 如果遇到大风天气，如果支架安装不 当，很可能被大风掀离，存在较大隐患； 同时东南沿 海多雨潮湿，如果防水措施失效，对于预埋形式光伏 组件，不仅影响其安全使用，而且还会对屋顶结构造 成损坏，持续发展的话，还会造成建筑物结构破损， 带来严重的安全隐患。 因此，在光伏建筑设计过程中，应对当地气候和 周边环境进行充分调研，比如海边要考虑海盐侵蚀， 种植屋面要预防植物释放氨气等腐蚀性气体 。 同 时，支架材料选型要合理，对于铝合金或不锈钢材 质，要做好防锈防腐处理，比如采取氟碳喷涂、热浸 锌、电泳涂漆等方式。 支架与预埋件的连接往往选择刚性连接，防渗 环节是处理的关键。由于预埋件的螺栓会穿透防水 结构表面，其周边位置将成为防渗薄弱环节。 同时 由于建筑物混凝土自身沉降或收缩，也可能在螺栓 底部形成渗水通道。 因此，必须采取一定的防渗措 施，如图 1 所示。其方法是加焊止水环，或者在螺栓 周围嵌入密封膏，阻断渗水路径。 然后在螺栓与支 架连接位置加垫橡胶垫圈、尼龙垫圈，不仅可以起到 防渗作用，还可以对服役过程由于连接点刚度降低 引起的渗水起到预防作用。 可持续发展原则 首先，光伏建筑一体化设计过程中，在保证建筑 外在风格的前提下，巧妙引入太阳能光伏系统，本身 就承载绿色建筑理念，体现着可持续发展原则； 其 次，光伏建筑一体化在当前节能减排社会经济环境 下，肩负着引导和示范的责任； 最后，对于光伏建筑 一体化项目来说，也是坚持可持续发展原则的受益 者，并不是只有付出没有回报。因此，在光伏建筑一 体化设计过程中，要始终秉持可持续发展理念，避免 不必要的资源消耗和环境污染。 2 2. 1 光伏屋顶构造深化分析 屋顶支架构造深化 目前光伏组件安装应用最广泛的形式是支架 建材技术与应用 2 /2021 图1 预埋件防渗处理措施 如果光伏支架不采取预制基础，直接与地面接 触的话，雨水冲刷易造成支架生锈腐蚀，同时易造成 支架内部进水，导致螺栓与钢管内壁锈蚀，最终影响 光伏支架的结构安全性。 因此，如果选择直接预埋件方式，则在设计阶 · 49· 段，应尽量减少支架与地面接触，采用点式衬垫，垫 起一定高度，使支架被架空，其构造示意图如图 2 所 太阳能光伏组件与屋顶构造形成的隔热间层与 传统屋顶隔热层有所区别，其主要因素是热源不同。 示，类似于点式混凝土基础结构。 太阳能光伏组件热源包括其背面与空气间层的置换 热源及与屋面热源互换后再同空气间层的置换热 源。因此，设计过程中不仅需要注重空气间层的风 速流通，而且还需要考虑屋顶接收的热辐射 ，并通过 理论计算得出最佳保温层厚度。 太阳能光伏组件选择平铺方式安装，需结合屋 面宽度及坡度对其设计高度进行控制，借助于热环 境模拟程序，模拟计算获得最佳风速。除此之外，在 条件允许的情况下，可以结合立面造型设计，选择在 图2 2. 2 支架垫块点衬示意图 对着女儿墙方向设置一定数量通风口 ，如图 4 所示， 进而保障架空层的空气流通。 通风降温构造深化 光伏建筑一体化项目中，尤其是选择晶体硅光 伏电池的工程，其热源包括太阳能直接辐射和光伏 发电自身散热。因此，建筑通风降温极为重要，可结 合屋面降温措施进行深化。 在建筑屋顶设置通风隔热层，如图 3 所示，在上 层表面可以降低太阳对屋顶的直射，中间层通过热 压与风压的作用将热空气排走。太阳能光伏组件选 择平铺的方式安装，与屋面形成隔热间层。所以，太 阳能光伏组件的设计一定要满足隔热间层的要求 。 图4 女儿墙通风口设置 平铺式 光 伏 组 件 的 安 装 轨 道 与 排 水 方 向 平 行 ，如果与夏季主导风向垂直的话 ，需选择支架或 者垫块将轨道适当垫高 ，保证轨道与屋顶高度 ，进 而满足排风需求 ，如图 5 所示 ； 如果与夏季主导风 方向平行的话 ，则可将安装轨道向屋面方向贴近 ， 形成“垄墙 ”，有利 于 引 导 风 向 ，改 善 通 风 效 果 ，如 图3 屋顶通风隔热层示意图 图 6 所示 。 图5 · 50· 垂直夏季主导风方向示意图 Ｒesearch ＆ Application of Building Materials 图6 平行夏季主导风方向示意图 坡屋顶，如图 7 所示。 屋顶形式构造深化 2. 3 在保证建筑外观与结构安全的前提下，可以通 过深化建筑屋顶的结构形式，增加光伏发电效率。 2. 3. 1 单坡或不等坡屋顶 坡屋顶是我国东南沿海地区应用最为广泛的建 筑屋顶形式，建筑工业厂房通常选择单坡或者不等 图7 2. 3. 2 如