基于建筑環(huán)境分析的光伏建筑一體化設計方法

在全球氣候變暖及化石能源日益枯竭的大背景下，可再生能源開發(fā)利用日益受到國際社會的重視，大力發(fā)展可再生能源已成為世界各國的共識。各種可再生能源中，太陽能以其清潔、安全、取之不盡用之不竭等顯著優(yōu)勢，已成為發(fā)展最快的可再生能源。開發(fā)利用太陽能對調整能源結構、推進能源生產和消費革命、促進生態(tài)文明建設均具有重要意義。近些年分布式發(fā)電成為發(fā)展重點，以2018年為例，新增地面電站裝機規(guī)模占新增裝機市場的52.7%，分布式光伏系統(tǒng)占比47.3%。隨著分布式光伏系統(tǒng)的發(fā)展，光伏建筑一體化系統(tǒng)逐漸成為電氣設計師與建筑設計師共同認可的建筑應用形式。

1工程概況濱海文化中心項目位于濱海新區(qū)核心區(qū)天堿解放路商業(yè)區(qū)，連接于家堡金融區(qū)、響螺灣商務區(qū)、開發(fā)區(qū)生活區(qū)、塘沽老城區(qū)和新港生活區(qū)，突出文化娛樂、休閑游憩、綠化景觀等功能，是連接各區(qū)域的紐帶(見圖1)。圖1

濱海文化中信位置根據《天津市太陽能資源評估報告》，近30年來天津太陽總輻射特征按照中國太陽能資源的區(qū)劃標準應屬于ⅡC/X(5/7)h?？傒椛錇?977.6MJ/m2，可利用的太陽輻射為3880MJ/m2，占總輻射的65%;天數為199天，占全年的54.5%。太陽能建筑應用實踐表明，較適合利用太陽能光伏發(fā)電。濱海文化中心由五棟獨立的文化建筑組成，通過文化長廊連接，形成一個文化綜合體。文化長廊跨過解放路下穿路，首層斷開，二層以中央大廳連通，兩層均能直通室外。項目總平面圖如圖2所示。圖2濱海文化中心總平面圖文化長廊為室內連廊，總長約340m，寬25m、高36.5m，是整個文化中心的主軸線。項目采用28把金色傘形鋼結構將5座文化場館串聯(lián)，形成多元復合的文化綜合體，全室內環(huán)境，塑造了四季宜人、便利舒適的空間通廊。2光伏發(fā)電系統(tǒng)設計天津濱海文化中心文化長廊高36m，其中中央大廳屋頂面積約1萬m2，鋪設光伏組件的區(qū)域為3276m2，有效光伏組件面積約2803m2，有效光伏組件數量1280塊，裝機容量為204.8kWp，并網點設置在地下文化長廊2號變電室低壓母線上。光伏組件安裝區(qū)域見圖3。圖3

光伏組件安裝區(qū)域2.1組件類型濱海文化中心屋頂玻璃采光頂并非整體平整的屋頂，而是朝四個方向找坡的采光頂，光伏組件類型、安裝形式、線纜敷設方式要做到既與建筑一體化設計，又能夠傳達綠色節(jié)能的建筑理念，就需要在組件選型時兼顧顏色要求、透光要求、安全性要求、密封性要求等多方面因素。透光型光伏組件主要分兩種類型:晶硅型雙玻組件和薄膜組件。晶硅型雙玻組件采用晶硅芯片，轉換效率較高，但透光效果不均勻，顏色比較單一，基本是藍黑色、藍色或黑色。其內部、外部安裝效果以及透光效果見圖4。圖4

晶硅型雙玻組件透光效果示意薄膜組件的透光效果可以做的很均勻，并且色彩多樣，但轉換效率較低。其內部、外部安裝效果以及透光效果見圖5。圖5

薄膜型組件透光效果示意經過多方面比較分析，結合本項目建筑、幕墻設計以及第五立面效果，最終選定點狀透光的晶硅雙玻組件，一方面整體系統(tǒng)能夠達到較高的轉換效率，經濟性較高;

另一方面，無論在室內抬頭仰望或在高空俯視鳥瞰，具有明顯視覺沖擊感的光伏組件晶硅片都能時刻傳達出綠色低碳的設計理念。2.2室內光環(huán)境分析室內光環(huán)境分析主要有靜態(tài)光環(huán)境模擬和動態(tài)光環(huán)境模擬兩種。Ecotect和Radiance主要用于靜態(tài)模擬分析，能夠模擬出最不利時刻或典型日中特定時刻點工作面的照度、亮度、采光系數等靜態(tài)指標，是評價建筑內部光環(huán)境質量的主要依據。Daysim主要用于動態(tài)光環(huán)境模擬分析，它是以Radiance作為計算核心，將地域性的逐時光氣候數據作為基礎，計算工作面的逐時自然采光照度。2.2.1傘形格柵區(qū)域文化長廊采用傘形結構撐起整個長廊屋頂，根據本項目實際情況，采用Sketchup建立建筑模型，選取其中一把“傘”狀區(qū)域，作為重點模擬分析的標準單元。傘形格柵的數量經過方案比選，最終確定了頂部桿件布置方案。具體比選如表1。經過光環(huán)境模擬，冬至全陰天16:00，平均照度達到210lx。依據150lx采光設計標準，文化長廊天然采光光環(huán)境優(yōu)越。經過分析，基本確定傘形格柵布置區(qū)域，也即確定了“傘”上光伏組件的安裝區(qū)域，見圖6～7。圖6傘形格柵圖7傘形格柵上組件安裝示意2.2.2光伏組件透光率為便于安裝，并兼顧視覺效果，本項目光伏組件的尺寸選擇與傘狀采光頂所使用玻璃組件尺寸一致，均為1480mm×1480mm。點狀透光型組件的透光率取決于晶硅片的布置及數量，同時也決定了單片組件的峰值功率。常規(guī)情況下，光伏組件的透光率處于10%～80%，當透光率低于10%時，使用光伏組件的經濟性就非常差了;而當透光率高于80%時，自然光幾乎進入不到室內，使用透光型組件也沒有意義了。本項目結合傘狀結構的格柵布置，將光伏組件的透光率從10%到80%之間進行調整，采用動態(tài)模擬軟件Daysim分析得出，采用50%左右透光率的組件，室內采光效果最佳。電池片在確定尺寸的光伏組件上詳細布置后確定，組件的電池片覆蓋率為46.7%，透光率為53.3%。光伏組件示意圖見8。圖8光伏組件示意2.3光伏發(fā)電系統(tǒng)接入設計根據采光屋頂可供安裝的場地面積和組件布置要求，共安裝具有透光率的多晶硅雙玻光伏組件1280塊，組件峰值均功率為160Wp，組件透光率約為43%，電池片轉換效率17.6%。系統(tǒng)總裝機容量為204.8kWp，占并網變壓器容量的12.8%。光伏組件分組形成4組方陣，經過直流保護箱后分別接入4臺組串型并網逆變器，每臺逆變器容量為50kW。光伏組件經逆變器后，通過交流配電柜、并網柜、接入地下室文化長廊2#變電站低壓側母線。光伏組件采用的支架與文化長廊采光屋頂結合安裝，安裝角度與采光屋頂一致，中間留出散熱空隙。根據本項目裝機容量及實際情況，并網接入系統(tǒng)選擇為表2中最后一項，即用戶配電室接入的自發(fā)自用/余量上網模式，具體參見圖9。光伏發(fā)電機房設置在美術館屋頂層，直流保護箱、逆變器、交流柜、并網柜、濾波柜、監(jiān)控系統(tǒng)機柜、UPS及電池柜等設置在光伏發(fā)電機房。位置示意見圖10。圖9并網接入方案示意圖圖10

機房位置示意圖3設計效果經過PVsyst模擬，最終預計光伏系統(tǒng)年發(fā)電量為210MWh，相當于本項目地下一層北區(qū)停車場(1.2萬m2)的日常照明用電量，模擬分析如圖11所示。圖11光伏發(fā)電系統(tǒng)模擬分析光伏組件與采光頂同角度安裝，鋁框內敷設線纜，組件結構支柱與采光頂結構支柱一體化設計實施，降低相互之間的負面影響。采用晶硅型透光組件，敷設區(qū)域與傘下遮光欄柵正投影重合，改善室內光環(huán)境。光伏組件與采光頂分離，二者結構支柱一體化設計實施，降低漏水風險，拆卸時僅影響所屬組件塊和本范圍內的采光頂。將光伏設備機房設置在就近的美術館屋頂機房層，并網點選擇在正下方變電站內，機房距離、并網距離合適，光伏消納徹底。圖12～14是現(xiàn)場安裝的部分實景照片。圖12

光伏發(fā)電機房圖13室內視覺效果圖14室外安裝效果4結束語運用基于建筑環(huán)境分析的光伏建筑一體化設計方法，能夠將室內光環(huán)境、建筑造型與光伏組件安裝充分結合，在最大限度地利用自然采光的前提下，合理調整建筑造型，優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)設計。在光伏建筑一體化設計中，需要重點考慮以下幾點。(1)一體化設計:

采光玻璃