太阳能屋顶工程技术与应用(下)

徐州市新型建筑技术应用中心 ■ 何水清

徐州市场《徐州墙改》编辑部 ■ 何劲波

采用这种结构设计完成的屋顶电站使太阳能发电方阵作为建筑屋顶与建筑本体同寿命，实现真正意义上的“光伏建筑一体化”。值得注意的是在采用该方式申报获批的“2012年太阳能光电建筑应用示范项目”中，却不合理地把该技术定性为支架安装型。

实践是检验真理的唯一标准，这种以建筑物为载体的用户侧并网太阳能发电模式具有显著的“三零”特性：“零”土地使用、“零”距离输电、用电黄金时段的“零”排放发电，完全符合资源节约、环境友好的科学发展观，是加快转变经济发展方式、实现低碳经济的有效技术手段，是城市中建设住宅小区、公共建筑、工厂厂房屋顶光伏电站，打造城市洁净能源的最佳解决方案。现该结构设计的屋顶电站集成技术已获得较大规模的成功应用，有的工程已超过3年的使用期，作为整体屋顶使用至今未发现任何问题。

要实现光伏建筑一体化必须首先做到光伏设计与建筑设计一体化。该技术较适合在新建的建筑屋顶应用，屋顶电站设计与建筑设计同步进行。这就要建筑设计师注入光伏灵魂，光伏专家需普及建筑知识，这样才能早日完成太阳能发电与建筑一体化的千秋大业。

四 太阳能屋顶工程上的应用

1 低层太阳能屋顶

(1) 低层太阳能建筑屋顶设计应用

在低层太阳能建筑屋顶设计中，和传统的供热方式有所不同的是，设计供热时要尝试新的供热方式，即利用层面板的空气间层，形成一个预加热的腔体，利用智能化设备来控制其温度的高低，以满足人们对居住舒适性的需要，如图5所示。冬季白天，盖口打开，外界空气从屋檐下进入屋面系统内部，空气在被太阳辐射能加热的同时缓慢上升，使用玻璃集热面使集热空气温度迅速上升并进入控制箱，由感温器对空气温度测定，并由独特的电热送风系统将适量热风送入竖向管道，并且通过地板热辐射采暖，满足室内人体舒适度的需要；夜间，盖口封闭，屋顶内部的上升空气送入电热关风系统，再次进行热循环，同样通过地板热辐射使冬季室内夜间温度相对比较舒适。

图5 冬季白天供热系统示意图

(2) 屋顶薄层绿化

屋顶薄层绿化技术体系，充分考虑屋顶绿化的特点，一方面大大减轻绿化种植层的重量和厚度，另一方面又很好地解决绿化层的排水入基质层的保水保肥、植物根系的呼吸和生长、屋顶防水层和屋面保护层等诸多困扰屋顶绿化发展的问题，是代表屋顶绿化未来发展方向的综合性技术解决方案。屋顶薄层绿化技术体系，是我国科技人员追踪国际上屋顶绿化的最新技术潮流研究开发。

屋顶薄层绿化技术，采用保水、保肥性能优良的轻质人工培养土，种植基质层的厚度可减半以上。由于人工培养土的湿容重约是普通土壤的1/2，单种植基质层的重量就可减少到1/4以下；其次，由于采用架空排水板取代陶粒排水层，可将排水层的重量减少到3 kg/m2，厚度减少到28 mm；第三，采用双层防根系穿透保护层，可省去屋面的保温层和混凝土保护面层，又可节省约80～140 kg/m2屋面荷载。

这样，传统绿化如果种植层厚度为1 240 mm，重量为1 540 kg/m2，则采用屋顶薄层绿化技术种植层厚度减少为430 mm，重量减轻为235kg/m2。利用屋顶薄层绿化技术，这些现有建筑就可轻松地披上“绿装”。如此极大地拓宽了屋顶绿化推广和普及范围，为城市生态环境建设开辟了新的、更广阔的空间。

(3) 屋顶池层

屋顶池层太阳房兼有冬季采暖和夏季降温两种功能，适合冬季不冷而夏季较热地区。用装满水的密封塑料袋作为储热体，置于屋顶顶棚之上，其上设置可水平推拉开闭的保护盖板。冬季白天晴天时，将保温盖板敞开，让水袋充分吸收太阳能辐射热，沙袋所储热量通过辐射和对流传至下面房间；夜间则关闭保温盖板，阻止相对的热损失。夏季保温板启闭情况与冬季相反，白天关闭保温板，隔绝阳光及室外热空气，同时用凉的水袋吸收下面房间的热量，使室温下降；夜间则打开保温盖板，让水袋冷却。保温盖板还可根据房间温度、水袋内水温和太阳辐射照度自动调节启闭。

2 模块式屋顶

目前一些太阳能企业推出“模块式太阳能住宅屋顶”，把集热器放在屋斜面、屋顶，它把建筑造型与太阳能集热技术有机结合起来，如图6所示。

图6 模块式太阳能住宅屋顶

在模块式光伏系统电气设计理念中，分交流模块结构和直流模块结构，如图7所示。北京市昌平区未来科技城华能集团人才创新创业基地实验楼A楼屋顶为模块式屋顶结构。

图7 光伏系统电气结构示意图

3 光电建筑屋顶

光电建筑一体化属于太阳能分布式应用中的一种形式，是目前太阳能利用中最好的形式，主要表现在太阳能屋顶和光伏幕墙等。由于屋顶光电建筑可调节太阳电池板的朝向，在应用方面比光伏幕墙更加广泛。

光电建筑一体化是我国东部地区缓解“电荒”的最好形式，“分散开发，就地使用”的屋顶光伏系统，是未来大规模应用的必然选择。例如江苏省的白兔科创新能源、苏州的震旦以及常州华音公司提出来的发展屋顶CPV概念，并推出样机基础构想了墙面、屋顶移动充电站等应用。

4 光伏建筑一体化分类及实例[1]

我国太阳电池组件已成为世界光伏产业发展最快的国家之一，被世界所瞩目。

(1) 分类

根据光伏方阵与建筑结合形式的不同，BIPV可分为两大类。一类是光伏方阵与建筑的结合，将光伏方阵依附于建筑上，建筑物作为光伏方阵载体起支撑作用，如图8和图9所示。另一类是光伏方阵与建筑的集成，光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等，如图10及表1所示。

图8 光伏方阵与建筑墙面的结合

图9 光伏方阵与建筑屋顶的结合

图10

表1 光伏建筑一体化的主要形式

(2) 光伏建筑一体化的主要形式

(3) 光伏建筑一体化应用实例

① 深圳国际园林花卉博览园光伏屋顶系统

由深圳市政府投资承建的1 MW太阳能光伏电站，是目前亚洲最大的并网太阳能光伏电站之一。该电站总容量1 000.322 kWp，年发电量约为100万kWh。工程采用了超过4 000个单晶硅及多晶硅光伏组件(160 W和170 W组件)。与建筑屋顶结合部分如图11所示。

图11 深圳园博园

② 深圳方天大厦10.7 kWp光电屋顶

方天大厦光伏建筑一体化工程是光伏组件与建筑的集成。光伏组件作为大厦电梯井顶部的采光顶与幕墙出现。光伏方阵总面积为93.8 m2，光伏组件采用多晶玻璃组件，并网发电系统，系统总容量为10.7 kWp，建成并投入使用，如图12所示。

图12 方天大厦

五 太阳能光伏屋顶应用

上海高密度的建筑群，光伏的应用主要集中于屋面和屋顶。光伏屋面、屋顶一体化应用形式多种多样，这里选择构件型和屋顶结合形式。

屋顶、墙面结合安装型多为外加型屋面光伏系统，即借用建筑屋面空间附着安装光伏组件，会增加荷载，电池板屋顶采用最佳倾角，使光伏组件尽可能多地吸收太阳光。

屋面外加型的第二种方式为贴合原屋面安装，多结合坡屋顶设计安装，外加的光伏组件在一定程度上起到屋顶隔热的功能。

该工程中，此种系统以两种形式出现在屋顶上，第一种是作为独立的屋面，架立于接待大厅上方高出金属屋面部分，如图13、图14所示。第二种是同金属屋面紧密结合，无论在高度还是保温防水上都处于同步处理，真正做到一体化。

图13 独立光伏屋面

图14 金属屋面与光伏屋面的交接

[1] 何水清. 节能住宅方面技术[M]. 北京：化学工业出版社，2010.

[2] 何水清, 何劲波,毛希元. 利用太阳能改善住宅热环境[J]. 太阳能, 2012, (11):50－54.

[3] 张俊林, 程忠江. 点式玻璃幕墙之特殊形式——玻璃采光顶的质量控制[J]. 门窗, 2009, (12): 53－55.

[4] 李博. 低层太阳能建筑设计策略与技术[J]. 太阳能, 2007, (11):35－41.

[5] 邱童, 徐强, 洪崇恩,等. 上海太阳能光伏一体化屋面应用现状与技术[J]. 太阳能, 2013, (9): 49－53.

[6] 余国光, 赵膑, 王恩政. 太阳能发电与建筑一体化现状剖析与技术[J]. 太阳能, 2012, (19): 50－54.