基于ECOTECT软件应用的建筑光伏一体化设计

向 阳，喻 凯

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

基于ECOTECT软件应用的建筑光伏一体化设计

向 阳，喻 凯

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

在实际的建筑光伏一体化设计中，引入国际先进的ECOTECT可持续建筑设计及分析工具。以青海省鲁能共和20 MWp并网光伏发电项目管理区内监控楼BIPV屋顶方案设计为例进行探讨研究，着重对太阳辐射、朝向位置、采光系数等影响因素进行分析，并将其进行统筹优化，进而为建筑光伏一体化设计提供相应的参数依据。关键词：ECOTECT;光伏建筑一体化;建筑设计;光伏设计

0 前 言

建筑光伏一体化(Building Integrated Photovoltaie,简称BIPV)指将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术。将太阳能光伏发电作为建筑有机组成部分，纳入建设工程基本建设程序，同步设计、同步施工、与建设工程同时投入使用、同步后期管理，既能满足光伏发电功能，又能与建筑物有益结合[1-3]。

本文以青海省鲁能共和20 MWp并网光伏发电项目管理区内监控楼BIPV屋顶设计为例，运用英国Square One公司开发的生态建筑设计软件ECOTECT为研究工具，从区域气候入手，精确地对影响BIPV屋顶设计的因素进行定量分析和统筹优化，进而为建筑光伏一体化设计提供相应参数依据[4]。

1 项目背景

1.1 光资源概况

项目所在地为青海省海南州藏族自治区共和县，安装地点为北纬36.27°，东经100.62°，本工程基本光资源数据采用距离本工程场址区最近的共和气象站(N 36°16′)的数据资料，并以1983—2012年近30 a的太阳辐射资料进行分析。

由表1是共和气象站太阳总辐射量和日照时数汇总表，可以看出1983—2012年间共和县太阳辐射分布年际变化基本稳定，其数值稳定在6 280～6 710 MJ/m2之间，30 a平均太阳总辐射量为6 552.25 MJ/m2，近10 a间的年平均太阳总辐射量为6 590.32 MJ/m2，年平均日照时数在2 719 h以上，年平均日照百分率在55%～80%之间。

表1 共和气象站太阳总辐射量和日照时数汇总表

表1中的数据足以说明，项目区域内太阳能资源丰富，太阳辐射强度大，光照时间长，适宜安装太阳能发电系统[5]。

1.2 气候特征

本文利用Ecotect Analysis 2011软件(2009 Autodesk, Inc，U.S.A)附属开发的Weather Tool软件,从区域气候入手，统计分析共和县 (东经100.62°,北纬36.27°)30 a来气候大致变化情况[7]。

图1为共和县年均逐日、逐月太阳辐射强度和温度，7月份太阳直接辐射强度约为800 W/m2，是全年的最高值，太阳间接辐射强度约为100 W/m2，是全年的最低值；其中3、4、8、9和10月这几个月的太阳间接辐射强度大致相同，为230 W/m2左右。全年2月、12月日温差变化较大,最大日温差可达20 ℃左右； 6月日温差变化最小,在12～20 ℃的范围里波动。以上数据说明，项目地光照时间长，太阳辐射强，气候温凉寒冷。

共和县平均每周温度日变化，气候以温凉寒冷为主，年平均气温在4 ℃左右。一年中温度是以早晚低，中午高的“凸字”形变化的；1月份平均气温为-6.9 ℃，为全年最低；7、8月平均气温约为16.9 ℃，为全年最高。以上数据说明，项目地气温年变化量较小、日变化量较大。

共和县平均每周湿度日变化，一年中湿度是以早晚高，中午低的“凹字”形变化的。在40～44周期间还出现最低湿度值；在24～36周的6～8点期间出现了规则性的浅色“凸起”段，表示降雨主要集中在6月初—9月底这段时间。以上数据说明，项目地大气稀薄，干旱少雨，春季干旱多风，夏季短促凉爽，秋季阴湿多雨，冬季漫长干燥。

1.3 阴影分析

青海省鲁能共和20MWp并网光伏发电项目的定位是集光伏电站、光伏微网控制、建筑光伏一体化等可再生能源的应用展示[8]。

图2为管理区总平面布置图，管理区总占地面积为12 152.78 m2，总建筑面积3 137.86 m2；其中监控楼建筑高度4.5 m，为地上一层，建筑面积2 274.04 m2；配电室587.10 m2，地上一层；消防水泵房包括地上一层和地下一层，建筑面积73.44 m2；车库203.28 m2，地上一层。

监控楼BIPV屋顶在每年冬至日(12月22日)9:00-15:00这个有效发电时间段内不受场地周边建筑物的阴影遮挡，系统可以进行有效的发电。

图1 共和县年均逐日、逐月太阳辐射强度和温度图

图2 管理区总平面布置图

2 建筑设计

2.1 屋面采光顶

管理区监控楼的BIPV屋顶是其生态节能设计的最大亮点，也是本次BIPV设计的集中体现。采光顶面积达2 274.04 m2,占监控楼屋面面积的70%以上，在整个管理区中呈现出最为突出的肌理特征。采光顶将光伏电池组件与透明玻璃采用菱形穿插错落有序的方式有机地结合在一起，并且为了突出业主方鲁能集团的企业形象，特别将他们的企业logo作为设计的最大亮点置于屋顶中心位置，不仅增加了屋面的韵律感与灵活性，而且形成了良好的光影效果。这种“化零为整”的设计手法改变了传统大空间建筑屋面呆板的形象[9]。

光伏电池组件总安装面积达1 800 m2左右，总装机容量为59.25 kWp，主要安装多晶硅和双玻薄膜电池组件。BIPV屋顶的中心位置采用透光率较高的双玻薄膜电池组件主要是解决中庭的采光问题，其余部分采用多晶硅电池组件则是为了保证较高的发电量。

2.2 室内中庭布局

2.2.1 室内光环境

(1) 最佳朝向

图3为绿化最佳朝向分析。由于项目地太阳辐射强，气候温凉寒冷，受冬冷夏热天气的影响因素较大，运用ECOTECT模拟出中庭空间绿化设计的“最佳朝向”以期构建出良好舒适的室内环境。场地的最佳朝向为南偏东17.5°，最差朝向为北偏东72.5°。由此可以考虑，通过在中庭的东南向布置绿植来改善太阳辐射对建筑室内环境的影响，同时利用建筑小品来创造舒适的休闲环境。

(2) 光合有效辐射PAR变化

图4为中庭日平均PAR分布情况，通过Ecotect中的“Sky Factor & Photosynthetically Active Radiation (光合有效辐射PAR的变化)”模拟中庭内植物受到光合作用的情况[10]。中庭中心位置颜色由浅至深，表示光环境由强至弱，模拟出中庭内植物每日平均受到PAR值的范围为0.4～2.1 MJ/(m2·d)，平均值为1.22 MJ/(m2·d)。

将中庭内的植物布置在光合有效辐射摄入量较高的区域，这样就可以在寒冷季节增加中庭室内的辐射量，提高温度；炎热季节减少辐射量，降低温度。因此，适宜合理的利用光合有效辐射PAR值就能够充分实现对光照等自然资源的利用，改善环境的质量，提高生态性。

(3) 日照时数

日照时数是表明场地接受太阳光直接照射的时间，是衡量当地采光条件的一个重要指标，更是植物正常生长的一个重要光环境指标。本指标主要考察全年平均日照时数对中庭室内环境的影响[11]。

图3 绿化最佳朝向分析图

图4 中庭日平均PAR分布情况图

图5 中庭全年平均日照时数图

图5为中庭全年平均日照时数，颜色越深表示日照时间越短，颜色越浅表示日照时间越长。中庭内平均日照小时数为1.17 h，通过日照时数模拟可以看出图中浅色的区域多围绕于中庭中心位置周边，这表示中庭室内整体采光环境良好，有效的利用了光资源。

2.2.3 空间布局

通过第2.2.1节室内光环境的分析及模拟，中庭的空间布局形成“两轴、一心、三区”的规划结构形式。两轴:连接中庭两端对外次入口的纵轴以及贯穿对外主入口、小喷泉、木亭为对景元素的横轴；一心：纵、横两轴的交汇点；三区:员工健身区、景观绿化区、休闲活动区。监控楼中庭空间布局见图6。这样的中庭空间设计不仅巧妙地利用光照优势为室内提供良好的环境质量，而且与监控楼外严肃、规整的光伏阵列区形成强烈的反差，别有洞天。

图6 监控楼中庭空间布置图

3 光伏设计

监控楼的BIPV屋顶采用了多晶硅和双玻薄膜光伏电池组件相结合的布置方式。BIPV屋顶就是通过利用太阳辐射资源有效地改善建筑能量消耗和室内环境变化，从而实现建筑光伏一体化的有机统一[12]。

3.1 太阳能在光伏屋顶的利用

通过ECOTECT软件中的“Insolation Levels(入射辐射分析)”对监控楼BIPV屋顶进行太阳辐射模拟，旨在计算出太阳辐射对它的利用程度[13]。

经计算，BIPV屋顶在冬至日(12月22日)9:00-15:00累积辐射量超过每小时7.2 MJ /m2。这就意味着太阳辐射能被光伏电池组件所大量吸收，并且可以充分利用太阳能来进行能量转换，进行发电。

3.2 室内采光分析

监控楼的BIPV屋顶采用平铺式多晶硅和双玻薄膜光伏电池组件相结合的安装方式，光伏电池组件的平均光电转换率为15%、界面折射率为1.75、透光率为10%～15%，能够有效减少室内空间受到阳光的直射。

图7为监控楼中庭(光伏系统)采光分析，利用ECOTECT软件“Lighting Leves(采光和照明分析)”对室内空间进行采光分析。可以看出，室内空间的平均采光系数为21.82%，这说明监控楼中庭室内并没有因为屋面设置光伏电池组件而对室内光环境造成太大的遮挡影响，仍然得到了良好的光照条件。

图7 监控楼中庭(光伏系统)室内采光分析图

图8 监控楼中庭(全玻璃)室内采光分析图

反之，图8为监控楼中庭(全玻璃)室内采光分析，如果BIPV屋顶纯粹采用常规的有机玻璃进行布置，强烈的太阳直射虽然极大地提高了室内的光照条件(平均采光系数为45.57%)，然而如此高的采光系数却为使用者带来了不便，必须增设遮阳系统来抵御强烈的光照。这样不仅增加了设计成本，也不利于建筑美学的要求。

综上所述，本文以ECOTECT软件为研究工具，从项目地的区域气候入手，精确定量的分析BIPV屋顶设计的影响因素，适宜的将建筑的美学性与光伏的技术性完美的结合在一起。

4 结 语

随着现代科学的进步，大力发展分布式光伏是中国新能源领域的重要组成部分，其中与建筑相结合的BIPV设计为光伏发电提供了更广阔的发展空间[16]。运用ECOTECT软件的模拟可以在满足不损害和影响建筑美观的基础上，保证结构安全的可靠性，符合建筑营造的标准，在功能和寿命均不受影响的前提下，把传统的耗能建筑构件(屋顶、墙面、遮阳系统等)转换为能够吸收太阳能并转化为电能的建筑构件，以节约建筑用能，做出更加符合实际情况的可行性方案。将建筑光伏一体化的建筑美学性以及光伏技术性有机结合。

[1] 王宝华,刘峰,贾艳刚.Ecotect在BIPV方案中的应用[J].建筑节能，2010(05)：64-66.

[2] 易旷怡.太阳能光伏建筑一体化协同设计研究[D].北京：北京交通大学，2013.

[3] 孙颖,糜仲春,罗林.推广光伏建筑一体化(BIPV)的几个关键问题探析[J].建筑节能，2011(12)：47-49.

[4] 肖拓.Ecotect软件在基于被动式设计策略的应用研究[D].长沙：湖南农业大学硕士论文，2014.

[5] 徐勤,刘雄,王骅.太阳能建筑一体化应用分析[J].绿色建筑，2013(05)：33-35.

[6] 网络资源[EB/OL].[2016-11-18.]http://baike.baidu.com/item/网络资源.

[7] 殷利华.基于光环境的城市高架桥下桥阴绿地景观研究[D].武汉：华中科技大学博士论文，2012.

[8] 陈琨.高校太阳能光伏屋面电站的设计、安装及并用研究[D].山东建筑大学硕士论文，2013.

[9] 伯慕进业.Autodesk Ecotect Analysis应用教程[M].北京：电子工业出版社，2013.

[10] 龙文志.光伏建筑屋面[J].中国建筑防水，2010(07)：39-44.

[11] 王宝华,田介花,贾艳刚.太阳能光电建筑设计中的日照分析[J].中国建材科技，2011(05)：25-28.

[12] 昝锦羽.光伏温室大棚若干问题的研究[D].昆明：云南师范大学，2013.

[13] 杨梅兰.民用建筑节能技术发展趋势探讨[J].建筑技术，2012(02)：66-68.

[14] 何向涛,张卫.太阳能光伏系统在绿色建筑中的应用[J].绿色建筑，2014(01)：61-64.

[15] 黄春成.基于软件模拟的超低能耗建筑能耗状况研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2013.

[16] 严钧,赵能,梁智尧.Ecotect在建筑方案设计中的应用研究[J].高等建筑教育，2009(03)：145-149.

BIPV Design Based on ECOTECT Application

XIANG Yang, YU Kai

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

In BIPV design, the advanced ECOTECT sustainable architectural design and analyzing tools are introduced. With the design of BIPV roof of the control building in 20 MWp grid-connected PV power plant in Qinghai Province as example, factors such as the solar radiation, direction and solar collection coefficient, etc are analyzed and further optimized generally so as to provide BIPV design with parameter reference.Key words: ECOTECT; BIPV; architectural design; PV design

1006—2610(2016)06—0101—05

2016-05-05

向阳(1989- )，女，陕西省西安市人，助理工程师，主要从事土建设计工作.

TU18;TM615

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.026