光伏发电技术在工业建筑中的应用方式简析

建筑节能降碳技术中的可再生能源利用一直是建筑研究领域的热点，目的是让建筑自身产生能量，进而减少或代替化石能源的使用。可再生能源中的太阳能源即光伏发电技术的应用在工业建筑中是可实施性强、可推广性高的技术手段，近年来为使建筑达到降碳目标在实际项目中不断得到推广。工业建筑电量消耗大、成本高，采取节能措施来降低运营成本需求强烈，而光伏发电技术对优化工业厂区能源结构、降低建筑运行阶段碳排放十分有效，这使得发掘光伏发电技术与建筑的有效结合方式变得更加紧迫。 

1   工业建筑节能降碳的困难

工业建筑相比民用建筑而言有其特殊性，通常以工艺流程与生产活动为设计重点，建筑设计过程少了较多的灵活性。基于工业建筑的工艺需求，建筑群的总图设计往往不能从建筑节能的角度出发，在实际工程中建筑设计人员缺少对总图布局是否产生节能不利影响的考虑。从单体建筑上讲，建筑的体形、空间组织、朝向等节能设计重点就有设备高度、安装条件、工艺生产等条件的制约。节能设计复杂程度增加，被动式节能设计在建筑设计中实施困难，导致建筑运行中依赖天然气、电力等能源的使用，无法在被动式节能方法中达到节能减排的目的。另外，设计人员不能左右消费端的用能需求，只能寻求让建筑自身节省能量、产生能量的方式。随着工业建筑设计中对光伏系统的政策推动，建筑设计人员已经不再满足于光伏系统在建筑屋顶上的简单附着，而是开始重新定义光伏与建筑的关系。光伏与建筑结合的趋势明显，这对建筑设计人员与光伏厂家都提出了新要求。

2   工业建筑光伏设计关键技术

光伏发电技术在建筑领域的应用是依据建设地点地理气候条件为新建或既有建筑增加太阳能光伏发电装置。近年来，根据项目中光伏方阵与建筑结合的方式不同可明显区分为两大类: 第一类是太阳能光伏发电方阵直接安装在建筑的围护结构外表面（Building Attached Photovoltaic，简称BAPV），这种方式是将光伏方阵安装在已有建筑的墙面、屋顶等结构上，建筑物无需做出调整且不影响原有建筑物的功能；第二类是光伏方阵充当的建筑材料与建筑构件集成在一起（Building-Integrated Photovoltaic，简称BIPV），这种方式使光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。由于光伏建筑一体化（BIPV）的概念是考虑将光伏系统直接作为建筑材料，试图让建筑构件自身成为产能和用能的主体，因此这种形式有益于增加建筑材料的绿色属性、增加建筑外观的整体性，也是一种符合光伏与建筑集成趋势的光伏技术。

工业建筑厂址多位于较为偏远的郊区，周边建筑物建筑高度较低，不易对设置在建构筑物的光伏组件产生遮挡，这种被照射的优越条件也使目前工业建筑中应用光伏发电技术具有可行性。另外，工业建筑功能相对单一且建筑形体不复杂，具有设计制约少的独特优势。即光伏建筑一体化（BIPV）技术于工业建筑中便于大面积安装光伏组件，增加电力供应并兼顾建筑的基本功能要求，是有助于光伏建筑长远发展的应用形式。因此将光伏建筑一体化（BIPV）技术作为工业建筑光伏设计的关键技术，也是对工业建筑节能降碳工作的一次突破性 尝试。

3   应用方式

3.1   厂区建筑物

（1）采光、遮阳构件的替换。

围合空间而不承担主体结构受力作用的采光、遮阳构件容易被替换为光伏组件。

1）用于采光的非承重构件。

建筑幕墙在工业配套建筑的办公楼、候工楼等建筑物中应用较多，而建筑幕墙由玻璃面板与支撑结构体系组成，相对主体结构也有一定的位移和变形能力；光伏幕墙是含有光伏构件并具有太阳能发电功能的幕墙；因此由光伏幕墙（含玻璃的光伏组件）一定比例上尝试替代普通建筑幕墙而使用是实际可行的。同理，普通砌体墙的外窗由玻璃材料与窗框组成并占外墙面较大比例，也是值得开发利用的不承重建筑构件之一。采光屋顶为特定空间、大进深空间追求天然采光而设置，由玻璃与支撑结构体系组成而不承担建筑主体受力作用，因此可以采用含有光伏构件、具有太阳能发电功能的光伏组件系统为建筑采光顶。

2）用于遮阳的非承重构件。

为了防止因夏季室内温度过高导致的空调能耗上升，建筑节能与可再生能源利用通用规范中规定夏热冬暖、夏热冬冷地区甲类公共建筑应采取遮阳措施，并且要进行一体化构件遮阳形式的设计，在实际项目中工业建筑永久性遮阳构件的设置也会只增不减；光伏遮阳系统是通过金属支架安装用玻璃封装的光伏电池，以其疏密程度控制遮阳效率调节室内光线；太阳能光伏发电与建筑遮阳技术结合能在兼顾建筑遮阳功能的同时进行太阳能发电，从建筑形式上来讲也更符合建筑的整体性， 因此用含光伏组件的遮阳构件作为一体化遮阳构件应用前景广阔。

（2）附着构件的替换。

围合空间而不承担主体结构受力作用的装饰构件容易被替换为光伏组件。

1）外围护结构的饰面层本身就是附着于建筑外墙或屋顶的建筑材料，与主体结构组合后承担自身重量，是处于建筑表面位置且太阳照射条件优越的建筑构件。建筑外墙面或屋面做法中可以考虑将光伏面砖、光伏瓦屋面、光伏屋檐等晶硅光伏材料直接作为建筑面层材料。例如建筑立面采用青砖保温一体板，既增加光伏有效面积又提升了建筑的节能效果；融合屋顶集成太阳能替代板岩，既为建筑增加色彩又能达到节能效果。由于这种方式不占建筑空间也不过分增加荷载，因此在既有建筑可再生能源利用的改造设计中也十分适用。

2）出入口雨篷、栏杆栏板、格栅等附着在建筑结构上的构件是建筑不可分割的一部分。雨篷多是悬于建筑物出入口上方挡雨、防高空落物的水平构件，位于建筑表面且具有吸收太阳辐射的角度优势，将具有一定尺寸的出入口雨篷作为光伏雨篷能增加光伏安装面积，或可作为安装光伏组件困难的特殊建筑的应用形式；工业建筑生产生活中需要防止人员坠落，对建筑护栏的使用较多。光伏栏板是将太阳能光伏组件嵌入安装在金属边框内，安装方式较为简单，因此光伏栏板与建筑护栏的结合是一种光伏建筑一体化的实用形式；用于防护空调外机的百叶窗格栅在建筑表面也占有一定面积，若项目中对光伏设计量要求较大，可以考虑将普通格栅替换为含光伏组件的格栅构件。雨篷、栏板的水平、垂直角度不可更改，具体设计使用时可以依据计算机模拟测试，如日照分析软件、采光模拟软件等程序出具的模拟结果，进一步确定光伏安装的使用价值。但由于建筑物中类似的附着构件实际面积相较立面、屋面而言仍然较少，因此对光伏安装比例有要求的建筑群宜与主要光伏发电方式同时设计和施工。

3.2   厂区构筑物

工业建筑厂区大型构筑物较多，因此除建筑物本身外，构筑物上方有大量的有效面积尚待开发和使用。以水处理工业建筑为例，相关环保政策对水处理的质量不断提高，水处理企业不断增加电费成本支出，同时已有相关文件明确要求自来水厂（不包含开放式净水池）、污水处理厂等公共基础设施的大型构筑物上空光伏构件安装面积要超过一定比例。因此光伏建筑一体化（BIPV）技术与厂区构筑物结合也是一种可实施性强的应用方式；污水处理厂厂区内调节池、接触池、生化池、滤池等大面积构筑物，其中不乏需要防雨、遮阳构件的池体，将上方普通张拉膜遮阳棚替换成防水、防雨的光伏一体化罩棚能大幅增加空间利用率，又能节省额外光伏系统的安装费用。

厂区构筑物围合栅栏、围合盖板等构配件与光伏结合存在可能性。工业厂区内具有用于储存设备、露天劳作的外部空间，其围护设施起运营管理作用。光伏组件形式多样，能起到围挡管理作用的光伏组件结构并不复杂，在满足防火、防爆要求的安全条件下围护设施与光伏组件的结合能大幅增加厂区内的光伏发电量。例如设备防护罩、隔声屏障、围合栅栏、盖板等构配件；可燃材料堆场、大型储罐存放区等场地附近不宜盲目安装光伏组件，应仔细注意储存物料性质、火灾危险性类别，以及其防火构造。需要注意的是，对于厂区构筑物来说若一体化设计方式厂区构筑物光伏安装面积不能达到规定比例时，也能适当考虑以安装光伏矩阵（BAPV）的方式配合使用，以实现对可再生能源的充分利用。

4   建筑属性需求

4.1   外观需求 

光电建筑物整体性并不单以构造方面为评价标准，光伏组件外观上的融合对重点项目来说会有更多侧重，另外光伏组件形式多样本身也为建筑的形式带来更多可能，从建筑美学角度去要求光伏组件发展可以促进设计人员主动采用光伏发电系统作为建筑节能方式。设计人员常常利用材料的语言手法去塑造建筑性格，例如处于历史文脉的建筑物容易偏向周围建筑群的材料特点，因此对立面材质的色彩和纹理会有仔细考量；不仅如此，不同建筑类型的设计手法还要求光伏组件或突出或隐藏，因此光伏组件要不断用不同形态去符合建筑设计中形式美的规律，如统一与对比、节奏与韵律、比例与尺度等。

已有项目实践表明光伏厂家设计人员可以与建筑师紧密配合：通过调色技术使光伏玻璃达到与建筑玻璃色彩的一致性；合理改变电池片在玻璃中的位置及密度丰富空间光影；采用不同尺寸的电池片来满足立面分格的要求等。建筑师也应善于利用晶硅组件、薄膜组件等各类光伏组件可以形成的外观特征，如由多块光伏单元重复排列形成的秩序感，由薄膜组件铺设形成外形的流畅感。总之依据建筑性格，选择合适的光伏组件以达到视觉上的和谐统一。在建筑外观要求过多时，对电量的转换效率产生减损，在达到美观效果的同时要权衡经济效果，还应该由各方参与人员共同决策而不仅是建筑设计人员。

4.2   安全、功能需求 

在光伏应用领域，关于光伏电池组件是否能够作为建筑材料至少要有两类检验，首先对光伏组件的工作性能是否满足太阳能电池的质检标准进行检验，另一种则是对光伏组件能否达到建筑材料质量标准进行检验。第二类如经过防冰雹、霰弹撞击测试证明光伏玻璃等组件满足不易脱落、碎片不飞溅等安全问题；经过湿漏电流试验测试证明不易发生漏电安全事故；经过光伏支架的抗风专业测试证明建筑构造的牢固性；经过多项专业测试证明光伏组件的防火性能不低于原建筑构件应达到的防火、防雷、防腐蚀要求，不降低建筑整体的防火性能。简单地从建筑设计角度上讲，在光伏建筑一体化应用中，所采用光伏组件还要达到原有建筑构件的基本功能。作为建筑外围护结构时不能降低建筑物室内环境品质，例如基本的保温、防冻、隔热、防潮等性能；作为建筑构配件时要达到构配件的主要用途，有时需要强化主要用途，如栏板的坚固性能、雨篷的防水性能、防晒棚的遮阳性能。总之，就是不改变建筑构件使用性质、不危及建筑物使用安全。设计人员也要注意因光伏构件对建筑物防火间距产生的影响，一方面能留出足够的安全距离，另一方面也能满足相关规范要求。

光伏组件作为建筑材料时其使用年限也十分重要。由于长期在自然环境下暴露而不可避免的老化问题，对建筑物和构筑物的设计使用年限产生影响。而光伏发电系统构配件耐久性的确很难与常见的由水泥、钢筋、混凝土、粘土砖等建筑材料组成的建筑构件相匹配，因此在尽可能延长光伏组件使用寿命的情况下，部分构件仍要做好周期更换的准备，即建筑构造上要预备易于更换的条件。同时光伏组件的清洁直接关乎光伏构件效率，易清洗性也要着重考虑，符合可持续发展的节能方式。

4.3   智能管理需求 

工业建筑功能布局中能明显划分人员操作区与非人员操作区部位、生产区与非生产区、强热源和一般热源区，同时不同房间其单位面积照明密度、单位面积人数、单位面积通风、单位人数通风情况不同，因此若能依据建筑功能分布实现光伏发电量的精准分配，有利于建筑不同功能房间节省耗电，才能使光伏系统融入建筑日常运转的方方面面。

将光伏系统产生的电量进行重新储备整合，例如将生产性功能房间的建筑构件中所产生电量应用于辅助性功能房间建筑的耗能场景，或将所产电量全部用于厂区耗电量多的大功率设备。污水处理厂具有24?h不停机运行的大功率设备（鼓风机曝气系统、取水泵电机、送水泵电机），是水厂用电负荷的主要部分，将光伏系统发电量集中用于该类设备的运行，不仅可以节能降耗还能抵消水厂运营成本。光伏与建筑能实现内在使用的相互融合，是实施光伏建筑一体化的真正意义，以此实现建筑低碳运转。

5   结论与展望

光伏建筑一体化技术在工业建筑中应用形式广泛，具有较高的可行性、经济性。以提高建筑空间利用率的方式实施光伏发电技术，在考虑建筑物整体性的基础上，降低以化石能源为主的电力耗量，这种形式能有效促进节能减排实施，符合可持续发展战略。虽然光伏发电系统作为建筑材料的使用仍受制于房屋建筑安全，但技术是不断进步的。建筑节能减排要求越来越高，设计人员应主动适应新技术的产生并将其考虑在建筑设计的早期阶段，在建筑全生命周期中进行节能设计。光伏发电技术亟须发展，各参与方共同努力才能使光伏建筑一体化技术逐渐成熟。可再生能源利用前景广阔，光伏发电技术在建筑业节能降碳工作中将起到关键作用。