装配式民宅加装光伏板屋顶空间设计

袁 磊，卓献荣

（仲恺农业工程学院机电工程学院，广州 510550）

屋顶起到保护房屋免受自然因素影响的作用。同时，屋顶也是一种文化，可以将某个地域、某个时代的建筑和文化的特色具体地展现出来[1]。屋顶空间的设计不仅仅影响到建筑结构的完整性，也在一定程度上对于建筑文化的传承和建筑形象的塑造起到关键性作用。因此，屋顶空间的设计具有非常重要的意义。

在对装配式建筑加装光伏发电系统的屋顶空间进行设计时，要根据装配式建筑和光伏系统各自的特性合理安排，合理的屋顶空间设计不仅对建筑物的形象美观起着极其重要的作用，还能够提高装配式建筑屋顶光伏板的使用效率，节约资源，保护环境。

在乡村振兴等战略的推动下，在装配式建筑上装载光伏发电这种建筑节能和新能源开发利用相结合的形式应用于岭南农村建设，不仅能够解决岭南地区因夏季漫长而用电能耗巨大的问题，还能够改善农村居住环境，加快农村经济发展，加速乡村振兴步伐[2]。

1 装配式建筑简述

随着建造方式的变革和工程建设的不断发展、完善，工厂预制建筑部件在施工场地装配成建筑的装配式建筑形式得到广泛应用[3]。相较于传统建筑，装配式建筑能够节约建造成本、降低建筑能耗、减少施工污染，提高建筑质量和建造效率，进一步推进我国供给侧结构性改革和城镇化发展。为了推进建筑节能的高效发展，我国于近几年大力探索与创新装配式建筑技术，在政策与技术的扶持下，取得了可观成果。但跟发达国家相比，我国装配式建筑起步较晚，技术水平较低、成本管控方面也略有不足，处于相对落后阶段。因此，作为现代建筑中前沿技术的装配式建筑在我国不仅有很大的发展前景，还有漫长且艰巨的道路要走。

装配式建筑有如下特点。

第一，在工厂车间生产加工完成内外墙板、阳台、楼梯和预制板等建筑部件，运输至施工场地进行装配。因其大部分部件都是制作好的装配件，这将大大降低建筑和人工成本，减少现场浇筑的工作量，缩短建筑建造的工期，比传统建筑模式具有更高的性价比。

第二，装配式建筑在生产与施工过程比传统建筑工艺有着更少的废水和废气排放，能够减少对环境的污染，也能在一定程度上降低建筑能耗，符合节能减排的理念和绿色建筑的要求。

第三，装配式配件的设计遵循标准化原则，通过工厂车间的工业化、信息化生产，利用装配化理念进行施工，降低了生产成本，提高了施工效率。

2 光伏发电系统概述

2.1 技术原理

光伏发电是半导体光伏电池板界面吸收太阳光照，然后通过光生伏特效应将光能转化为电能的一种发电技术。半导体表面在受到光照后经过一系列的反应产生带电的光电子，光电子的离散现象促使电子进行移动形成电势差进而产生电压，成为太阳能电池[4]。将若干太阳能电池单体进行串、并联连接，然后用封装材料（EVA、POE 等）严密封装和保护，再配以钢化玻璃、功能背板、接线盒等部件形成太阳能电池组件。太阳能电池组件配合功率控制器使用就形成了光伏发电装置。太阳能电池组件、控制器、逆变器和蓄电池（组）是光伏发电系统主要的组成部件，相关简介如下。

太阳能电池组件：太阳能电池组件是光伏发电的核心部分，也叫作太阳能电池板和光伏组件，主要作用是促使太阳能转化为电能供给负载使用或储存在蓄电池中。电池组件的光电转换效率较高，具有很高的可靠性，该部分的质量和成本直接决定光伏发电整个系统的质量和成本。目前，太阳能电池组件主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池3 类。

控制器：控制器是光伏发电系统的重要组成部分，全称为太阳能充放电控制器，主要用来调控太阳能电池组件的电能输出、负载的工作状态及蓄电池（组）的充放电以确保光伏系统的正常、安全运行。

逆变器：逆变器的工作原理是通过控制电路来控制整个光伏发电系统的运行，将太阳能电池组件产生的直流电转换为稳定的交流电，以供交流负载的使用。

蓄电池（组）：其作用是将太阳能电池组件产生的电能储存起来，在需要用电时进行放电使用，一般与控制器联合使用，用来控制蓄电池（组）的充放电并起到保护作用，防止蓄电池（组）寿命受损。

2.2 技术优势

光伏发电系统与常规发电系统相比，有如下优势。

首先，太阳能资源非常丰富，广泛分布在全球各处，只要存在光照，便有利用光伏发电系统进行发电的可能。光伏发电系统的应用领域繁多，建筑、畜牧、交通、海洋和沙漠等领域都与光伏发电系统有着很好地结合。

其次，太阳能安全、无污染、可再生。光伏发电过程不产生温室气体和废气、废液等对环境有害的物质。光伏组件可进行回收处理，避免造成污染。光伏发电与建筑结合能降低建筑能耗，满足居民电能需求。

最后，光伏发电系统结构简单、安装容易，对场地要求也不高，只要有光照，沙漠、海洋、建筑屋顶与立面空间等场地，均可安装光伏系统进行发电。

3 装配式民宅加装光伏板屋顶空间设计的原则

3.1 人本性原则

以人为本是基础，屋顶空间的设计主要是为满足人们对于建筑空间使用的需求，以提供更好的居住体验。在进行屋顶设计时要充分考虑到居民的行为习惯、心理需求，及其对于屋顶外观造型、保温隔热等相关要素的要求，设计出满足人们使用和审美相统一的建筑[5]。

3.2 实用性原则

在进行建筑屋顶空间设计时，使用合理的设计方法，提高屋顶空间的利用率，充分发挥屋顶空间的实用性能。

3.3 美观性原则

在设计建筑屋顶空间时，不仅要满足实用性原则，还要考虑添加一些美感的设计。处理好地方文化特色、自然环境及建筑风格样式等影响因素，建筑屋顶的美观性才能有所保障。

3.4 经济性原则

要充分考虑整体经济性原则，并善于利用新技术和新材料来提高使用效率和经济效应，减少后期的管理与维修成本。

3.5 个性化原则

遵循个性化原则，应做到在进行建筑空间设计时不能一概而论，要根据不同的使用对象对建筑空间的不同使用需求来进行个性化设计。

3.6 整体性原则

建筑屋顶空间形象对建筑整体的外部形象有着很大的影响作用。因此，在设计屋顶造型与艺术效果的同时，也需要考虑到与建筑主体的协调统一[6]。建筑往往是与周围环境一同存在的，并且会互相影响，所以要充分考虑建筑与环境的有机结合。

4 装配式民宅加装光伏板屋顶空间设计的要求

装配式建筑屋顶的空间设计是在完备的建筑屋顶结构的基础上进行的，因此，每一块预制件都必须严格按照标准来生产，不仅要满足基本的实用功能还要兼顾美观性。此外，在安装光伏发电组件后不能影响建筑本身承重、采光、通风和防水等实用功能，还要在最大程度上提高空间利用率。

在装配式建筑屋顶加装光伏板需要满足固定荷重和风压、雪压、地震等荷载；同时，还要有足够能力来承载光伏组件、支架、光伏线缆的重量及施工或维修人员、工具等临时性活荷载。

装配式民宅屋顶在预制时所选取的建筑材料要具有不易燃烧和能阻止火势蔓延的性能。

农村地区的屋顶消防措施也是必不可少的，但是需要兼顾实用性和经济性。

装配式建筑屋顶加装光伏板后要根据相关规定的要求来合理安装防雷与接地系统。

在岭南乡镇装配式建筑屋顶安装的光伏板朝向最适宜为向南安装，且需要根据场地的纬度来设计光伏板安装的角度，这样才能得到最多的太阳辐射和最高的发电量。合理地设计光伏板朝向和角度，可以最大程度上实现能源的超值利用。

要合理布置光伏导线，防止因布线的不合理造成故障，带来危害。电缆线路的选择及施工也都应该严格遵循规范要求。

如果要将装配式建筑加装光伏板的屋顶空间作为居住空间来使用的话，要满足建筑对于采光、通风等基本要求，而且屋顶居住空间环境也要适宜，方便居住。

光伏板需与建筑屋面平行且有机结合，不得超出屋面外沿，光伏板最高点不得高过屋脊。

要确保光伏组件能够正常且安全地运行，还要考虑到相关设备后期的保养与维修。要提前为乡村规划、水电增容等预留合适的空间[7]。

屋顶空间设计不应只考虑到太阳能的利用，还应该将雨水与植物等其他资源结合应用。建筑屋顶的绿化不仅可以提高建筑屋顶空间的利用率，还可以加强建筑的美观性和提高生态效益[8]。而通过设计雨水循环系统将收集的雨水用来浇灌植物，可以有效节约和循环利用雨水资源，减少资源的浪费。在与其他资源结合利用时，要避免对建筑屋顶空间结构造成破坏，也要避免对光伏系统产生影响。

5 装配式民宅加装光伏板屋顶空间设计的影响因素

5.1 装配式建筑与太阳能一体化程度的影响

在既有的装配式建筑屋顶加装光伏组件，所展现出的一体化程度并不高。真正想要做到装配式建筑光伏一体化需要有效融合建筑材料与光伏发电的功能，将光伏组件作为建筑材料来使用[9]。因此，为了最大程度体现出装配式建筑与光伏发电的优势，加强装配式建筑与光伏一体化程度，要在新建装配式建筑屋顶的预制时，要求其不仅具备光伏发电功能，还要满足一般建筑材料对于防水性、安全性、美观性等方面的要求。将光伏发电系统与装配式建筑屋顶相结合，不仅可以充分利用装配式建筑屋顶空间，还能极大地提高对于太阳能资源的利用，增加建筑屋顶功能的同时又添加了一些建筑美感。

5.2 建筑美学的影响

美学因素对建筑的设计有着很大的影响，建筑的设计不能脱离了建筑美学。建筑美由建筑功能美和建筑形式美所组成。建筑功能美着重体现在建筑的功能能够满足人物质和精神的一般需求。形式美是功能美的外在形式，是动态的、不断地发生变化的[10]。在建筑屋顶空间的设计时，要将功能美与形式美相统一，才能创造出具有艺术构思与美学理念的高水平建筑作品。

5.3 人文及文化的影响

乡镇作为文化的载体，承载着中国悠久历史中无尽的人文文化底蕴。乡镇建筑也在浓厚文化氛围的晕染下，具备了灵活多变的风格和特色。乡镇建筑屋顶空间的设计也因此深受当地人文及文化底蕴的影响[11]。因此，岭南乡镇装配式民宅安装光伏板屋顶空间的设计应结合当地人文特色和建筑文化内涵，从而形成富有岭南地域文化特点的建筑艺术。

5.4 乡镇环境的影响

环境因素对建筑的设计有着至关重要的作用，建筑的外形及功能都要考虑到环境的影响[12]。装配式建筑构件在预制时就要选择具有合适性能的建筑材料以满足环境对建筑的要求。装配式建筑与周围地形、绿化环境等自然因素的有效融合，不仅能够提高建筑美观性，也能进一步将建筑整体与周边环境有机结合，达到一个和谐统一的效果。建筑的周边环境也很重要，阴影的遮挡不仅会影响屋顶光伏的发电效率，也会严重影响光伏组件的寿命。因此，在光伏系统周边区域避免有障碍物的存在。

总而言之，在岭南乡镇低层装配式民宅加装光伏板屋顶空间设计的过程中，要结合装配式民居实际的建设情况，还需要考虑到周边环境因素的干扰，并对岭南乡镇文化特色做到全面了解，才能够与现有的建筑空间相融合，构建出合理的屋顶空间设计[13]。

5.5 光伏组件的影响

光伏组件安装不恰当，可能会破坏屋顶的防水结构，不仅造成一定的危害，也会对后期的养护和维修造成困难。因此，在装配式建筑屋顶安装光伏系统时，要谨慎安装，避免造成破坏。此外，在满足经济适用、美观合理设计理念的基础上，再对光伏立面进行一定的设计，不仅能够提高屋顶空间利用率、增强光伏发电的效率，还能对建筑形象起到优化作用[14]。

5.6 经济因素的影响

我国大部分乡村经济水平都较为落后。在进行设计时，不仅要以适应当地经济水平为前提，还应严格遵循建筑经济指标的相关规范，做到不滥用高级建筑材料，也不因盲目节约而导致建筑实用功能的不合理。为了降低能耗和后期维护成本，需要在适用性和安全性条件下，合理选择技术上可行、经济上合理的屋顶空间设计方案[15]。善于利用新技术和新材料来提高使用效率和经济效益。

5.7 设计者自身因素的影响

设计者自身不仅需要有专业的学科知识和丰富的设计经验，还要具备较高的审美能力。要学习先进设计理念，敢于创新，敢于实践，不断地提高自身设计水平，设计出合理、安全、高性能的作品。

6 结束语

在“碳达峰”“碳中和”要求的时代背景下，实现装配式建筑与光伏发电系统的有机结合是“双碳”目标能够顺利达成的重要方式之一。装配式建筑加装光伏板屋顶空间的设计对于提高建筑物的形象美观和光伏板的使用效率都具有十分重要的意义。文章针对装配式建筑屋顶空间设计进行深入分析和探讨，提出相关原则、要求和影响因素，希望能通过装配式建筑加装光伏板屋顶空间的设计切实有效地降低建筑自身的能耗与碳排放量，提高乡镇经济效益和社会效益，加快岭南乡镇向着具有岭南特色的现代化新型城镇前进的步伐。