基于建筑環(huán)境分析的光伏建筑一體化設(shè)計(jì)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(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)均具有重要意義。近些年分布式發(fā)電成為發(fā)展重點(diǎn)，以2018年為例，新增地面電站裝機(jī)規(guī)模占新增裝機(jī)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(shè)計(jì)師與建筑設(shè)計(jì)師共同認(rèn)可的建筑應(yīng)用形式。

1工程概況濱海文化中心項(xiàng)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(wù)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(jù)《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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(shù)為199天，占全年的54.5%。太陽能建筑應(yīng)用實(shí)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(dú)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(xiàng)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(nèi)連廊，總長約340m，寬25m、高36.5m，是整個文化中心的主軸線。項(xiàng)目采用28把金色傘形鋼結(jié)構(gòu)將5座文化場館串聯(lián)，形成多元復(fù)合的文化綜合體，全室內(nèi)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(shè)計(jì)天津?yàn)I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(shè)光伏組件的區(qū)域?yàn)?276m2，有效光伏組件面積約2803m2，有效光伏組件數(shù)量1280塊，裝機(jī)容量為204.8kWp，并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)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(shè)方式要做到既與建筑一體化設(shè)計(jì)，又能夠傳達(dá)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(zhuǎn)換效率較高，但透光效果不均勻，顏色比較單一，基本是藍(lán)黑色、藍(lán)色或黑色。其內(nèi)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(zhuǎn)換效率較低。其內(nèi)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(jīng)過多方面比較分析，結(jié)合本項(xiàng)目建筑、幕墻設(shè)計(jì)以及第五立面效果，最終選定點(diǎn)狀透光的晶硅雙玻組件，一方面整體系統(tǒng)能夠達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)濟(jì)性較高;

另一方面，無論在室內(nèi)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(dá)出綠色低碳的設(shè)計(jì)理念。2.2室內(nèi)光環(huán)境分析室內(nèi)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(diǎn)工作面的照度、亮度、采光系數(shù)等靜態(tài)指標(biāo)，是評價建筑內(nèi)部光環(huán)境質(zhì)量的主要依據(jù)。Daysim主要用于動態(tài)光環(huán)境模擬分析，它是以Radiance作為計(jì)算核心，將地域性的逐時光氣候數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，計(jì)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(jié)構(gòu)撐起整個長廊屋頂，根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)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(diǎn)模擬分析的標(biāo)準(zhǔn)單元。傘形格柵的數(shù)量經(jīng)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(jīng)過光環(huán)境模擬，冬至全陰天16:00，平均照度達(dá)到210lx。依據(jù)150lx采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，文化長廊天然采光光環(huán)境優(yōu)越。經(jīng)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(xiàng)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(diǎn)狀透光型組件的透光率取決于晶硅片的布置及數(shù)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(dāng)透光率低于10%時，使用光伏組件的經(jīng)濟(jì)性就非常差了;而當(dāng)透光率高于80%時，自然光幾乎進(jìn)入不到室內(nèi)，使用透光型組件也沒有意義了。本項(xiàng)目結(jié)合傘狀結(jié)構(gòu)的格柵布置，將光伏組件的透光率從10%到80%之間進(jìn)行調(diào)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(nèi)采光效果最佳。電池片在確定尺寸的光伏組件上詳細(xì)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(shè)計(jì)根據(jù)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(zhuǎn)換效率17.6%。系統(tǒng)總裝機(jī)容量為204.8kWp，占并網(wǎng)變壓器容量的12.8%。光伏組件分組形成4組方陣，經(jīng)過直流保護(hù)箱后分別接入4臺組串型并網(wǎng)逆變器，每臺逆變器容量為50kW。光伏組件經(jīng)逆變器后，通過交流配電柜、并網(wǎng)柜、接入地下室文化長廊2#變電站低壓側(cè)母線。光伏組件采用的支架與文化長廊采光屋頂結(jié)合安裝，安裝角度與采光屋頂一致，中間留出散熱空隙。根據(jù)本項(xiàng)目裝機(jī)容量及實(shí)際情況，并網(wǎng)接入系統(tǒng)選擇為表2中最后一項(xiàng)，即用戶配電室接入的自發(fā)自用/余量上網(wǎng)模式，具體參見圖9。光伏發(fā)電機(jī)房設(shè)置在美術(shù)館屋頂層，直流保護(hù)箱、逆變器、交流柜、并網(wǎng)柜、濾波柜、監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)柜、UPS及電池柜等設(shè)置在光伏發(fā)電機(jī)房。位置示意見圖10。圖9并網(wǎng)接入方案示意圖圖10

機(jī)房位置示意圖3設(shè)計(jì)效果經(jīng)過PVsyst模擬，最終預(yù)計(jì)光伏系統(tǒng)年發(fā)電量為210MWh，相當(dāng)于本項(xiàng)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(nèi)敷設(shè)線纜，組件結(jié)構(gòu)支柱與采光頂結(jié)構(gòu)支柱一體化設(shè)計(jì)實(shí)施，降低相互之間的負(fù)面影響。采用晶硅型透光組件，敷設(shè)區(qū)域與傘下遮光欄柵正投影重合，改善室內(nèi)光環(huán)境。光伏組件與采光頂分離，二者結(jié)構(gòu)支柱一體化設(shè)計(jì)實(shí)施，降低漏水風(fēng)險，拆卸時僅影響所屬組件塊和本范圍內(nèi)的采光頂。將光伏設(shè)備機(jī)房設(shè)置在就近的美術(shù)館屋頂機(jī)房層，并網(wǎng)點(diǎn)選擇在正下方變電站內(nèi)，機(jī)房距離、并網(wǎng)距離合適，光伏消納徹底。圖12～14是現(xiàn)場安裝的部分實(shí)景照片。圖12

光伏發(fā)電機(jī)房圖13室內(nèi)視覺效果圖14室外安裝效果4結(jié)束語運(yùn)用基于建筑環(huán)境分析的光伏建筑一體化設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)⑹覂?nèi)光環(huán)境、建筑造型與光伏組件安裝充分結(jié)合，在最大限度地利用自然采光的前提下，合理調(diào)整建筑造型，優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)。(1)一體化設(shè)計(jì):

采光玻璃