装配式钢结构被动房太阳能屋顶发电的探索

杨鹏宇，杨玉栋，常 江

(1.大同市建筑设计研究院有限公司，山西 大同 037010； 2.大同泰瑞集团建设有限公司，山西 大同 037010)

1 工程概况

坐落在严寒地区的大同市云山府被动房项目，是一个创新型项目，它首先采用全装配钢结构，从竖向构件的钢管束到水平构件的钢梁和桁架楼承板及楼梯、阳台板、空调板全部采用钢结构，装配率达到70%；它还是一项近零能耗的被动房项目，250 mm厚的石墨聚苯板外保温系统，导热系数低于0.85的被动窗，具有热交换功能的新风系统，完整的气密性设计和优秀的隔热构造措施，保证着室内温度始终在20 ℃～26 ℃之间，湿度保持在30%～60%之间，室内新风量大于30 m3/(h·人)，气密性N50<0.6。它同时也是一项绿色三星的示范性项目，其中的“合理利用可再生能源”项，完全满足《绿色建筑评价标准》的要求。在建有22栋被动房，总建筑面积18.94万m2，7种户型，总户数为1 108户，全部精装修交付，户型面积为130 m2～320 m2。云山府鸟瞰图见图1。

2 太阳能的利用是被动式住宅的正确选择

被动式住宅是相对于传统的采暖住宅(主动式)而言的。与传统的主动安装供暖设施的住宅相比，仅仅靠住宅本身的构造设计就能达到舒适的室内温度，在冬季不需要主动供暖消耗能量，在夏季不需要通过空调消耗电力制冷，满足冬暖夏凉的要求。这样一种房子正符合我国节能减排的政策，符合碳达峰、碳中和的目标。利用住宅屋顶空间实现太阳能的转换，可以减少能源的消耗，实现节能的目标，达到低能耗向超低能耗和近零能耗及零能耗目标[1]。

被动式住宅是以节能和舒适为目的的房子，是人们在基本的居住条件满足之后，对更高品质住房的追求。节能是被动式房屋的基本要求之一，它要求全年能耗指标低于18 kWh/(m2·a)。为了达到这样的目标，除了通过保温和气密性的设计来降低能源的消耗外，另一个重要的方法就是充分利用太阳能来替代部分化石能源的消耗，因为太阳能是取之不尽用之不竭的无污染的清洁能源。这也就成了该项目的重要选择。

3 太阳能光热系统和光伏系统的选择

太阳能的利用有两种方式，一种是太阳能热水方式；一种是太阳能光伏发电方式。在太阳能利用早期，太阳能热水在住宅上的应用比较普遍，各家各户在屋顶上安装太阳能热水器，从屋顶引入卫生间洗浴，这对于多层建筑来说是可行的。随着太阳能光伏的发展，光伏材料价格大幅下降，并趋于合理，采用光伏发电成为可能。从省城乡建设厅关于《绿色建筑创新示范技术指导清单》也可以看出，在“可再生能源技术”项下“光伏建筑一体化”为首选[2]。

我们参观过的前期建设的被动房项目在太阳能的应用方面，都处于早期太阳能热水阶段，每一户在南向阳台上挂一片太阳能集热板，阳台侧墙上装一个热水箱。一般地，需要热水的卫生间在北向，只有通过管道才能送到，管线长，热效率低。云山府最初的设计中，在利用再生能源的选项上，设计单位选定采用的也是太阳能集中热水系统。每一栋楼顶上都安装屋顶太阳能热水系统，每一单元屋顶设置集中热水箱，收集太阳能转换的热水，通过热水管道送到每家每户。为了保证热水能够随时随地的使用，设置有加压循环系统，通过不停顿的运转来保证每家每户适时用热水。但这样也会造成更多的二次能源消耗，特别是屋顶水箱间工程费用和水箱设备的费用及加压循环系统的费用，每一单元大约需要20多万元，总共约800多万元，是一笔很大的费用。集中供应热水还必须考虑系统的除垢问题(大同地区水质较硬)，软化水成本较高，无论采用哪种软化水方式(电子软水、阳离子树脂软水等)，都是一笔需要用户承担的费用。对于多层建筑来说，太阳能集热器在屋顶上还可以安排得下，而对于高层建筑来说，比如两单元18层64户的用水量，集热板在屋顶上是怎么也安排不下来的[3]。

云山府项目22栋住宅楼屋顶平均可利用面积为644 m2，总计为14 168 m2，可以安装1 357 kW的太阳能光伏发电组件，日发电(按日均5.5 h计算)量为7 464 kW·h，年发电量为2 724 360 kW·h，按1 108户计算，每户每年平均可免费享用2 459 kW·h。光伏板稳定运行期为25 a，太阳能光伏电站3 a可回收成本，其余22 a总发电量(或为用户免费提供总用电量)59 935 920度电。可以减少碳排放，节约标准煤18 162 t。按照目前晶硅发展的技术水平，即使25 a后发电量仍能保持原来初装总容量额的85%。这非常符合国家节能减排政策。在整个运行年限中完全自动控制，几乎是免维护。太阳能发电不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不利影响，建设周期短，方便灵活，而且可以根据负荷的增减任意添加或减少太阳能方阵容量，避免浪费，经济效益和社会效益都非常可观。云山府项目在与本地供电部门沟通后，将全部可以利用的屋面安排光伏发电阵列，实行“应发尽发，能用尽用，自发自用，余电上网”的政策，把云山府项目作为屋顶太阳能发电示范项目[4]。

4 太阳能光伏组件阵列排布

太阳能光伏组件受光面的朝向、与水平面的倾角、前后排组件阵列之间的距离等都与发电量多少有着极其重要的关系。晶硅光伏组件对入射角比较计较，光伏组件有一定厚度，光线若不是垂直进入，就会产生折射，会降低光照强度减少发电量。太阳能光伏电站阵列上，组件的采光朝向一定要设计成正南向，阵列与地平面也要有一定的夹角。大同地区最佳计算夹角为37°左右，根据具体安装地点和位置可在±5°范围调整，同等光伏材料组件，同等装机容量有合理的倾角比没倾角平铺发电量要高得多[5]。

为防止光伏组件在任何季节阳光被遮挡，组件阵列在屋顶上相互之间的最短的有效距离，应保证在每年冬至日，前排组件阵列受光面对后排组件阵列受光面无任何遮挡。特别是在平屋顶上，光伏组件需要通过光伏支架来调整光伏组件的高度和角度，尽可能设计成37°左右，便于光照，提高发电量，而且，这样春、夏、秋雨水也能够方便冲刷组件表面的污垢灰尘，冬季积雪也能够自由滑落。

屋顶上设计有女儿墙，会影响到光伏组件的布置，有的屋檐，檐口还会向内伸出，必须考虑它们对于光伏组件的影响。在没有特别要求时，通过光伏组件支架来调整高度，避免女儿墙的遮挡；同时避开内伸水平屋檐的影响，还应该考虑检查维修的方便，光伏板平面布置图见图2。在这个小区有一栋公共用房的屋顶上，因其为单层建筑，设计师考虑屋顶的观瞻性，提出了屋顶太阳能光伏板高度不超过女儿墙和倾斜角不超过5°要求，这样光伏板几乎平铺，就会对光伏发电产生不利的影响。但这样做满足了设计师对于屋面造型和效果的要求，当然这是一个特殊要求。除此之外，全部光伏发电板均采用37°左右的角度，光伏板立面图见图3。

5 太阳能光伏发电的上网接入方式

在屋顶上安装太阳能光伏板，配置小型的光伏发电供电系统，将每一栋楼顶的光伏板所发的电进行汇集，就近送往各家各户使用，富余的电量可以馈送给大电网，也就是“自发自用余电上网”。这种分散式小型并网光伏工程，利用屋顶闲置空间，投资小建设快，符合产业政策，利用天然的太阳能清洁能源发电，减少了污染，增加了项目的经济效益。

所安装的太阳能光伏发电装置，按系统分类为分布式光伏发电系统，一种在用电现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电系统，可以满足特定用户需求，支持现存配电网的经济运行。分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏阵列支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳光照辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电能通过并接国家电网进行调节。系统组成原理框图如图4所示。并网光伏逆变器是光伏电站的核心部件，在白天阳光充足时，它检测到光伏功率大于用户负荷功率时就向用户供电，而超出用户负荷的多余电量会送入电网，即自发自用余电上网。电表1用来计量光伏阵列总发电量，电表2是具有双向计量功能的电度表，正向可以计量用户所用国家电网市电用量，反向可以计量用户使用后剩余而馈入电网的电量。每栋楼屋顶太阳能光伏发电站，可以通过一根导线截面积与本楼光伏电站装机量相符的五芯护套电缆，将电能传送至本栋楼动力配电柜，并与园区电网连接即可。住宅楼屋顶的太阳能光伏发电站都可以单独计量发电电量，只需在每栋楼顶太阳能光伏电站输出端安装的一块电度表即可计量发电电量。

由于每栋楼的楼顶所建光伏电站装机容量，都小于设计院原设计提供的每栋楼的电功率，因此不需要改变或增大原设计的电力线路容量，摒弃了以往通行的太阳能光伏发电的“全额并网，高进高计”电能计量方式，充分利用原有供电系统的资源(既有输电线路的线缆、电力变压器及电力控制柜中的全部既有设备)，不需要增加新的设备，大大节约了成本。22栋住宅楼的太阳能光伏电站的电能按照就近原则分别并入园区内不同方位的四个变压器(四个变压器容量分别为A:800 kVA；B:800 kVA；C:630 kVA；D:630 kVA)低压接入点上，1号、4号、7号、8号、9号楼接入A；2号、3号、5号、6号、12号、13号楼接入B；22号楼接入C；10号、11号、14号、15号、16号、19号、20号、21号楼接入D。

6 太阳能光伏板基础的选择

这是一个新建住宅项目，太阳能光伏板支架应当植根于现浇屋面板上，较为妥当。对于一般的住宅屋面，完全可以这么选择。但是，对于被动式住宅，如果在钢筋混凝土屋面上预埋钢板，在钢板上焊接钢管支架，第一要解决钢管导热问题，需要加设隔热垫块，再就是由于支架密度一般在小于3 m的范围，一个屋面可能需要几十个埋件，要处理这些钢管的气密性问题，是一个比较大的工作。埋件钢管首先要穿越隔气层，再穿越保温层，再穿越最上面的屋面防水层，做不好失效的几率很大。被动房的保温和气密性要求非常严格，一旦有失效的情况，那将是不可弥补的损失，因此，这个方法似有不妥。

我们首先要保证这些房子的气密性和保温性能要求。于是，有人提出可以考虑在屋顶保护层之上，做成条状的预埋基础。沿纵向将支架基础连在一起，宽度大约为600 mm～900 mm，高度大约为250 mm～300 mm，支架预埋在条状基础上，既保证支架的稳定性，又可以保证不与被动房的气密层和防水层有连接。但这样存在一个问题，在屋面上会出现200 mm～300 mm高的条状突出物，屋面排水需要重新确定分水线，另外还有一个值得注意的问题是，一旦屋面防水出现老化，需要翻修，屋面上的混凝土怎么处理，存在重大隐患，建筑设计师不同意这么做[6]。

既然300 mm厚混凝土条状基础可以满足支架的稳定性，而所有这样的基础加在一起等于占用了1/3的屋面，也就相当于屋面平铺了100 mm厚的混凝土。那么，我们完全可以将原来我们防水层上的50 mm保护层和新增的相当于100 mm厚的混凝土做成150厚的刚性屋面。刚性屋面一方面可以有效地防止屋面防水层的老化变质，另一方面，屋面排水保持通畅，没有阻碍，支架在150厚的混凝土内，安全稳固有保证。但是经过结构设计人员计算后，发现原结构的楼板和顶层的梁承受不了这么大的荷载，只好作罢。

比较下来，还是采用在顶层现浇楼板上预埋太阳能支架较为合适，只是在气密性和隔热方面应保证按工艺要求执行，不能有任何偏差，不可以出现任何纰漏。目前的作法是在支架底端与预埋钢板之间增加一块隔热垫板，并在上面覆盖一块保温材料，用以隔断细石混凝土找坡层与支架钢管之间的热传递，目前选择的隔热材料为环氧树脂玻璃纤维布绝缘板，光伏支架隔热处理见图5。

7 结语

中国在格拉斯哥国际气候大会上郑重宣布，将在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和，这既是一个庄严的承诺，也是一个非常艰巨的任务。如此，2030年非化石能源风能、太阳能、生物质能源占一次能源消费比重必须达到25%以上，总装机达到12亿kW以上，这就是未来能源体系发展的明确的时间表。在新建项目屋面上设计太阳能光伏发电，对已建项目 屋面改造增加太阳能光伏发电，屋顶小型太阳能光伏发电集小而成多，也是一项把可再生清洁能源开发并合理利用的巨大工程，是一项利国利民的好事。云山府项目利用屋顶进行太阳能光伏发电，正是响应政府号召，发展绿色建筑的极好的示范工程。本文从太阳能光伏利用方式的选择、阵列排布要求、上网接入方式、光伏板基础的选择等多方面完整地记述了云山府工程的全过程工作，有得有失，希望得到各位同行的支持和指导，也希望我们的工作对于今后太阳能光伏发电事业的发展提供一些有益的经验和教训。