既有建筑场地光伏阵列布置可行性研究——以北方某高校21号公寓楼场地为例

张玉平,张永超,王学勇

既有建筑场地光伏阵列布置可行性研究——以北方某高校21号公寓楼场地为例

张玉平1,张永超2,王学勇1*

1. 山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 2. 北京交通大学 建筑与艺术学院, 北京 100089

光伏建筑一体化设计的创作研究和实践日渐成熟，但是如何在建筑场地中实现光伏组件的精细化布置研究尚且不足，导致了土地资源和生态资源的浪费。该文以北方某高校公寓楼场地为例，通过相关软件和公式，进行场地周边互遮挡和光伏组件自遮挡计算，明确场地中可铺设光伏组件的位置区间和光伏组件间的排列方式，进而计算出可铺设光伏组件的具体数量并预估出铺设后可产生的效益，为实现在建筑场地中光伏阵列的精细化设计提供思路。

建筑节能; 光伏; 陈列布置

太阳能光伏发电技术的迅速崛起和应用普及，是当前应对能源问题的有利举措。目前，对于光伏组件在建筑上的研究，大多着力于光伏建筑一体化设计（BIPV、BAPV），即如何将晶硅、非晶硅、薄膜等各种类型的光伏组件，通过结合或集合的方式更好地应用于建筑创作的实践中，实现建筑节能和建筑审美的统一[1-3]。在IEA SHC Task41中，明确提出了光伏建筑一体化的几种组合方式[4]，渐渐演变成一种光伏建筑创作的固有模式。

7月20日，国务院办公厅发布《关于全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见》，其中小区内建筑节能改造部分明确提出要提高既有建筑能效水平，推广可再生能源应用，“光伏”成为最高效的手段。但是在光伏布置应用中，仅仅将研究对象局限于建筑单体上，是不利于光伏建筑的深入研究和持续发展的。一方面，组件的能量密度低、造价高，建筑围护结构通常不足以产生建筑物所需的所有能量，建筑节能的目标不应当在建筑规模而应在集群规模上实现；另一方面，对于光伏建筑的定义还在“在建筑上的”和“在建筑场地上的”两种约束条件下摇摆，光伏建筑的外延正在由建筑本体向建筑场地，乃至城市环境、景观环境的方向上扩展[5,6]。市场分析可以预见到光伏组件将在全球建筑创作实践上得到持续推广[7]，但是如何高效利用光伏组件，获得更大的生态节能效益，值得建筑师深入研究。尤其是在有限的建筑场地中，在保障光伏组件可获得有效光照的前提下，进行精细而又高效的光伏阵列布置，是目前亟待解决的问题之一。本文以北方某高校21号公寓楼及周边场地为例，梳理出光伏组件在建筑场地中如何进行精细化设计的基本思路，进而通过软件和公式推导出光伏阵列的最佳布置方式，以期促进光伏组件在建筑中的推广应用，创造出更大的经济和生态价值。

1 案例选择

公寓楼竣工于2000年，设计方为北方某勘察设计研究院。竣工之初，其南侧方向上尚未有明显遮挡建筑（见图1），现在南侧新建科研楼（高层建筑）和学生集体宿舍（多层建筑），对21号公寓楼形成明显的遮挡，加之该处现有场地条件较为局促（见图2），因此选择该楼为案例进行分析，其结果对于其他现有条件相对较好的建筑场地更具借鉴意义。

图 1 公寓楼竣工图纸

图 2 公寓楼周边现状

2 研究方法

本文采用如图3所示的研究思路进行场地的设计和分析，以获得光伏方阵的最佳布置位置区间，进行场地的精细化设计。

图 3 研究思路

2.1 场地分析

2.1.1 基本限定条件若干个光伏组件在机械和电气上按一定方式组装在一起并且有固定的支撑结构而构成直流发电单元，即光伏方针。其选址与布局必须符合《民用建筑设计通则》、《建筑设计防火规范》、《光伏发电站设计规范》等相关设计规范中对场地设计的要求，满足建筑防火疏散、日照标准等方面的具体要求。

2.1.2 周边互遮挡分析根据《光伏发电站设计规范》（GB50797-2012）要求，需要保证在冬至日真太阳时，上午九点到下午三点的时间段内，光伏方阵不被遮挡[8]，以提高系统的发电效率。这就需要在光伏组件的布置过程中需要考虑周边环境对组件遮挡的影响，根据数值分析和计算确定场地中的可利用区域。在实操中，可以采用两种方法，一种是利用Sketchup和Ecotect软件进行阴影的模拟分析与计算；另一种是根据场地所在地的经纬度，代入经验公式，确定影子倍率，进而计算出光伏组件南北、东西方向遮挡物的阴影范围。这两种方式都能起到对场地精细化利用的作用，基于软件进行计算得到的阴影范围的精度更高，但对软件操作的专业性要求较高，难以在实践中推广开来。本案例在进行周边互遮挡分析时采用软件分析，在进行光伏组件自遮挡分析时采用经验公式计算。

2.2 光伏组件分析

2.2.1 光伏组件选用常用的光伏组件的类型包括晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池，相关技术更新迭代迅速，产品性能不断提高（见表1），从一定程度上也促使着建筑实践中的技术创新[9-10]。第二代和第三代太阳能电池多用于和建筑单体的结合或集合，在建筑场地或景观设计中，常使用第一代太阳能电池，原因在于单晶硅和多晶硅光伏组件的光电转换率较高，且封装技术成熟，便于实现在场地中大面积的组装[11]。

表 1 四种光伏电池的主要技术经济数据

本研究中选用晶科能源控股有限公司生产的Eagle Dual 72 350 Watt单晶硅太阳能组件和Eagle Dual 72 335 Watt多晶硅太阳能组件，两者的组件尺寸相同，但多晶硅光伏组件受限于原材料本身的光电转换效率，其功率值略低于单晶硅光伏组件。两者的具体的参数见表2、表3。

表 2 Eagle Dual 72 350 Watt单晶硅太阳能组件相关参数

表 3 Eagle Dual 72 335 Watt多晶硅太阳能组件相关参数

2.2.2 组件自遮挡分析光伏组件遮挡问题不仅会影响发电效率，甚至会产生“孤岛效应”，影响光伏系统的正常运转。因此，在场地中进行光伏阵列的布置，还需要考虑各个光伏组件之间互相的遮挡问题，沿阴影产生方向上前后成排地布置光伏组件时，需要通过计算确定阴影的长度，以规避前排光伏组件对后排光伏组件的遮挡，避免无效光照带来的不良影响。

2.3 确定场地内光伏布置

通过场地分析，确定了光伏方阵的最佳布置位置区间，通过光伏分析，确定了光伏类型选用和光伏组件摆放间距。以上两个步骤完成后，即可在确定的场地中进行光伏组件的空间组合，以形成包含光伏组件数量最多、发电效率最高、便于检修的光伏阵列。

3 分析和讨论

3.1 场地分析

首先考虑现有场地是否满足消防和日照等规范的要求，发现现有场地中消防车道的宽度不足，在后期设计中应当予以调整，同时，应当在光伏铺设区域和建筑之间预留出足够的缓冲距离，以减少后期使用过程中，人为因素对光伏阵列的干扰和破坏。

图 4 阴影范围图

图 5 光伏可铺设区域图

其次，根据场地的CAD文件资料，通过数据转换形成Sketchup建筑模型，利用Ecotect2011进行周边环境的遮挡分析，得到如图4所示的阴影范围图，进而可以确定场地中光伏组件的可铺设区域如图5所示。

3.2 光伏分析

利用影子倍率计算阴影范围是光伏阵列设计中常见的方法，21号公寓楼所在地为北纬39.9°，此处取值40°，根据表4数据可得该楼南北向影子倍率为2.99[12]，即该楼在冬至日时，最长影长与其高度的比值为2.99。通常，光伏组件的安放朝向赤道，倾斜角度等于当地纬度时，光伏阵列可获得最大的年发电量[13]。因此，本案例中将光伏组件的倾斜角度确定为40°。

表 4 影子倍率表

图 6 光伏组件遮挡计算示意图

如图6所示，已知光伏组件的高度为1968 mm（不考虑安装时下端支架长度），光伏组件的倾角为40°，可求得单个光伏组件最长阴影范围为：=2.99×1968·sin40°=3782 mm，即为了消除前后排光伏组件相互遮挡对发电数量和效率上的影响，其最小间距为3782 mm。

图 7 光伏组件阴影示意图

图 8 光伏阵列布置图

3.3 场地内光伏布置

根据如上数据信息，在铺设光伏组件数量多、发电效率高、便于检修的原则指导下，利用AutoCAD 2016软件对已确定的可铺设光伏组件的区域进行光伏阵列的模拟摆放，经过多种摆放方案的比较后，选择出光伏阵列的最佳布置方案，如图8所示。该方案可布置光伏组件（Eagle Dual 72 350 Watt单晶硅太阳能组件或Eagle Dual 72 335 Watt多晶硅太阳能组件）123片，且满足前后方向上无阴影遮挡的要求，并在中间留有检修通道。

3.4 收益预计算

通过总装机功率和预计年发电量可以预估出该光伏阵列设计方案的收益情况[14]，经计算可得，无论是在该建筑场地上安放单晶硅组件还是多晶硅组件，均能达到40000 W以上的总装机功率，年发电量可达8.0×104 W·h（见表5），经济效益显著，同时，也可产生巨大的生态节能效益。

表 5 收益预计算结果

注：年发电量按每年有效日照时间2000h计算

4 结 论

经过本文的计算与分析，可以得出如下结论：

（1）除了光伏建筑一体化中光伏组件与建筑单体的结合或集合，在建筑场地中布置光伏组件也是可行的。即便是在建筑场地局促的情况下，仍然可以通过精细化的场地设计和数据软件计算，合理布置光伏阵列，带来经济效益，实现生态节能价值；

（2）在既有建筑场地中如何精细化布置光伏阵列，如何使之融入场地环境并通过相应围护结构提高安全使用性能，尚需要进一步深入研究。

[1] 赵伟,俞天琦.光伏建筑一体化设计研究及应用[J].建筑与文化,2017(2):137-138

[2] 丁世磊,贾艳刚,王宝华,等.光伏建筑一体化应用技术与案例[J].太阳能,2013(1):46-51

[3] 郭顺智,田智华,李笑.光伏建筑一体化设计与运行分析[J].建筑节能,2014(7):40-44

[4] SHC. Solar Energy and Architeteecure [EB/OL].http://task41.iea-shc.org/

[5] Scognamiglio A, Røstvik HN. Photovoltaics and zero energy buildings: a new opportunity and challenge for design [C]//Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2012,21(6):1319-1336. Frankfurt, Germany: 27thEU PVSEC

[6] Mostafavi M, Doherty G. Ecological Urbanism: Harvard Graduate School of Design [M]. Baden: Lars Müller Publishers,2016

[7] Curtius HC. The adoption of building-integrated photovoltaics: barriers and facilitators [J]. Renewable Energy, 2018,126:783-790.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部,国家质量监督检验检疫总局.光伏发电站设计规范GB50797-2012[S].北京:中 国计划出版社,2012

[9] 杨洪兴,周伟.建筑与太阳能一体化技术与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2009

[10] 罗多,班广生.光伏建筑设计与实践[M].北京:中国建筑工业出版社,2016:74

[11] 金毅.光伏建筑一体化设计的策略初探[D].天津:天津大学,2015

[12] 张文华,司德亮,徐淑通,等.太阳影子倍率的计算方法及其对光伏阵列布局的影响[J].太阳能,2011(9):28-31

[13] Zomer CD, Costa MR, Nobre A,. Performance compromises of building-integrated and building-applied photovoltaics (BIPV and BAPV) in Brazilian airports [J]. Energy and Buildings, 2013,66:607-615

[14] Bayod AA, Ortego A, Martínez A. Photovoltaics on flat roofs: energy considerations [J]. Energy, 2011,36(4):1996–2010

Study on the Feasibility for Photovoltaic Array Layout on Existing Building Site——Take the site of No. 21 apartment building of a university in the north as an example

ZHANG Yu-ping1, ZHANG Yong-chao2, WANG Xue-yong1*

1.271018,2.100089,

The creative research and practice of photovoltaic building integrated design is becoming more and more mature, but the research on how to realize the fine layout of photovoltaic modules in the building site is still insufficient, which leads to the waste of land resources and ecological resources. This article takes the site of Building 21 of a university in Beijing as an example, uses relevant software and formulas to calculate the mutual shielding around the site and the self-shielding of photovoltaic modules, and clarifies the location interval of photovoltaic modules in the site and the arrangement of photovoltaic modules. Calculate the specific number of photovoltaic modules that can be laid and estimate the benefits that can be generated after laying, providing ideas of the realization of the refined design of photovoltaic arrays of the construction site.

Building energy saving; photovoltaic; array layout

TU111.19+5

A

1000-2324(2021)01-0070-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.012

2019-10-02

2020-01-21

教育部产学合作协同育人项目(202002042036)

张玉平(1997-),男,本科生,主要研究方向为建筑设计及其理论. E-mail:854333141@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wxy199@163.com