既有公共建筑轻质屋面光伏一体化探索与应用

杨新明 杨庆根 朱剑跃 蔡春华 宗永明 赵荣华 杨 磊 范文忠 戴 杰

1 项目背景

“既有公共建筑节能与新能源技术综合利用集成示范”课题主要研究利用光伏组件与实体建筑结合，探索光伏建筑一体化、规模化的可行性，同时搜集技术数据，为城市公共建筑光伏应用提供依据。

技贸大厦光伏项目采用屋顶太阳能系统，总共设计并安装112块功率为180W的光伏组件，总装机功率为20kW。其中在平屋顶上以传统钢结构支架安装方式安装10kW的系统，作为一个发电单元；在南侧露天区域则首次采用轻质采光天幕系统与光伏系统相结合的方式，安装10kW的发电单元。

2 应用难点

2.1 安装铺设面积小

目前既有公共建筑屋顶普遍可利用面积小，这种情况在上海市中心的各种高层、小高层等建筑尤其明显。由于屋面结构复杂，存在构筑物遮挡情况，一般屋顶实际能安装的太阳能系统装机功率普遍均不到20kW。另外，屋面的造型同样会影响太阳能系统的铺设。

2.2 屋顶复杂性

在既有公共建筑屋顶上，基本都装有水箱、大型通风管道、冷却塔、通讯基站、电梯间塔楼、卫星信号接收器、空调外机组等诸多设备。这些设备不仅占用大部分屋顶太阳能可铺设面积，而且不规则的位置，使得太阳能系统铺设变得更为复杂。

本文以技贸大厦屋顶改造工程为例，探索解决关于太阳能光伏系统安装应用面积小、屋顶结构复杂的问题。

3 解决方案

3.1 屋顶平改坡，增加有效面积

传统屋顶太阳能板安装需要足够的间距以保证无阴影遮挡条件，见图1。

轻质采光天幕系统的引入，以屋顶平改坡的方式，直接可以避开屋顶诸多障碍物，增加采光面积和太阳能系统的安装面积，既避开了部分屋顶设备所产生的阴影，又实现了太阳能光伏系统的安装角度，增加了装机功率（假设在上海以25°安装角度来计，要比相同条件下平屋顶多安装10%的容量），而且各种安装角度的调整还能满足太阳能在各地区安装本身所需要的倾斜角度和排水要求，图2为技贸大厦屋顶工程的解决方案。

3.2 创新型轻质屋面结构体系

3.2.1 结构接合安装

1）接合位置的重要性

在创新型轻质屋面结构体系中，太阳能光伏系统与下层屋面系统的接合点的处理，至关重要。我们在技贸大厦工程中采用登普采光天幕系统铝件接合形式，为课题探索的进展提供了可能性。登普采光天幕系统铝件接合形式见图3。

U型防水配件，既满足了采光天幕100%的防水要求，又满足了太阳能支架的安装要求，这一创新的结构方式，解决了屋面防水难题。

2）接合位置的安全性验算

为了保证系统稳固，切实抓好采光天幕系统与太阳能结合处的强度验算。

登普采光天幕系统通过专用铝件及自攻钉固定在檩条上，由檩条支撑，故屋面板的受力应为多跨连续梁的形式，为简化计算，在验算中，屋面板按多跨连续梁进行计算，取1m的宽度进行单位宽度的验算，在强度验算时，考虑结构重要性系数为1.1（λm=1.1）。登普板天幕系统自重为0.06 kN/m2，太阳能光伏系统自重为0.16 kN/m2，登普板天幕系统风荷载为-2.16 kN/m2，登普板天幕系统最大跨度1.2m。最终安全性验算值见表1。

从表1可以看出登普板天幕系统满足强度要求。

另外水平方向辅助措施，将太阳能系统下方支座直接和女儿墙相连，有效抵抗水平力的冲击。

3.2.2 结构可靠性

登普天幕系统由特级聚碳酸酯，即防弹玻璃的原材料制造，新型环保材料，方格式、蜂巢式中空双卡齿结构，强度高，系统整体抗风性能强，最高可达500kg/m2。

表1 最终安全性验算值表

3.2.3 采光节能

1）透光

技贸大厦屋面改造工程透光率选择在25%-30%之间，而且屋面上的太阳能光伏组件无疑成为有力的遮阳设施。目前技贸大厦顶楼白天多云天气时光线照度达100Lx，不需要另外配置额外的照明系统，充分利用自然光，节省能源。

2）保温隔热

登普板材传热系数K值见表2。

表2 登普板材传热系数K值表

技贸大厦屋面改造工程采用单层16mm厚登普采光天幕系统，K值为1.53W/m2℃ ，效果胜过K值为1.54W/m2℃的双层夹胶或中空玻璃，保温隔热性能好。

3.3 光伏太阳能系统发电

该系统中太阳能自2010年4月21日起每天不断发电供用户办公楼使用，至10月21日，系统没有出过一次故障，6个月内该20kW发电系统共发电14450kWh（其中包括了近2个月的雨季）。

4 结论

4.1 技术优势

经过技贸大厦安装和检验，肯定了轻质采光天幕系统与光伏系统的结合，该系统的设计和安装可以适用于绝大部分屋顶的各种特殊情况。这样既避免过去太阳能系统中每次都必须的重复结构设计，大大提高了结构的设计速度，同时也符合屋顶电站模块化成套建设的原则。

4.2 应用的重要性和推广价值

在一些新建建筑或者是大型厂房等，除了可以如前所提到的安装使用方式外，也可以直接作为屋顶建材使用。该天幕系统在功能上能满足屋顶本身所需要具备的所有防水、保温隔热、耐候、抗紫外线、抗风等功能，同时其结构强度早已在国外经过认证满足永久性屋顶建材的要求，并在国内外广泛被运用。而在此基础上直接加装太阳能系统，不仅避免了在屋顶安装二次钢结构的各种问题，同时其相结合的设计和安装方式也大大缩短了时间和成本。

在一些需要采光、透光屋顶建筑中，该天幕系统和作为BIPV材料而广泛使用的透光光伏组件相结合，不仅能达到发电节能作用，同时还能满足客户透光采光屋顶的要求。

本课题项目完成过程中，首次将这两大新型节能概念相结合，同时逐步引入到节能环保屋顶概念上，相信在不久的将来，会出现更多的太阳能节能保温屋顶。