太阳能光伏与建筑屋顶一体化构造深化研究*

□□ 崔静恩，李 锐，范 磊，彭明强 (中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024)

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 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 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。

取干燥的具塞试管3支，分别编号为1、2、3，在3支试管中均加入5 mL乙醛、0.1 g乙醛脱氢酶和1.5 g余甘果果肉，分放在30℃、37℃和40℃下放置10 h，然后测定乙醛含量。每组实验均做3组平行实验。

2 光伏屋顶构造深化分析

2.1 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。

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所示，类似于点式混凝土基础结构。

图2 支架垫块点衬示意图

2.2 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。

图3 屋顶通风隔热层示意图

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。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。

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6所示。

图5 垂直夏季主导风方向示意图

图6 平行夏季主导风方向示意图

2.3 屋顶形式构造深化

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坡屋顶，如图7所示。

不等坡屋顶的设计，主要是为了延长收光面，更好地利用光照角度，增加阳面光伏组件数量，提高发电效率。不等坡屋顶可以将上下坡错开，在错开处可设置通风口和采光窗，增加建筑采光和通风效果。

图7 单坡或不等坡屋顶示意图

2.3.2 锯齿形屋顶

如果建筑设计对屋顶采光有一定要求，则可以选择锯齿形屋顶，如图8所示。锯齿形屋顶合理设计安装角度，实现了光伏支架与屋顶的完美融合，在满足采光要求的同时，保证光伏组件的发电效率。锯齿形阴面设计玻璃采光，避免阳光直射。同时，锯齿形屋顶设计可丰富室内空间感受，营造了较好的美学效果。

2.3.3 屋顶与立面融合型屋面

在传统建筑理论中，屋顶被称为建筑的第五立面，但屋顶与传统建筑立面的作用又不尽相同。屋顶为水平构件，其主要作用是遮阳和避雨，而传统建筑立面则为垂直构件，主要承担建筑物的结构支撑作用。但随着新材料、新设备、新技术的不断发展，建筑师设计的建筑屋顶和传统立面的概念变得越来越模糊，尤其是在工业建筑厂房领域，追求空间设计的最大化利用，催生了拱形厂房、膜结构厂房等新型建筑厂房结构形式，如图9所示，此类厂房屋顶更适合通过采用薄膜柔性电池来实现光伏建筑一体化。弧形立面与屋顶的结合，相对于传统屋顶立面结合，更有助于利用光照角度，提高太阳能的光伏发电效率。

图8 锯齿形屋顶采光示意图

图9 屋顶和立面融合的工业建筑及建筑剖面示意图

除此之外，现在建筑还经常在方形建筑外表面设计一层外表皮，不仅可以增加建筑外观艺术效果，而且有利于遮阳通风，提高光伏发电效率，如图10所示。

图10 外表皮光伏建筑剖面示意及工程实例

3 结语

针对我国东南沿海地区气候条件和建筑屋顶特点，提出了对太阳能光伏与建筑屋顶一体化构造深化研究的设计原则。在此基础上，对屋顶支架、通风降温以及屋顶形式等构造展开了详细的深化分析，并结合不同情况设计和模拟出多种深化类型，尤其对通风降温构造深化策略进行了更为详细的分析，提出了丰富的应用策略，为光伏建筑一体化的应用和推广提供了理论借鉴。