中国(青海)光伏利用展示馆建筑光伏一体化设计

向 阳

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 项目背景

1.1 项目概况

中国(青海)光伏利用展示馆建设项目依托于新建展览馆屋面及南立面部分进行建筑光伏一体化设计。通过专项设计，实现光伏系统与建筑的良好结合。建筑主体总装机容量为195.864 kWp，其中会议室采光顶采用薄膜组件(64 Wp/块)36块、装机容量2.304 kWp；三角形采光窗采用薄膜组件(85 Wp/块)180块、装机容量15.3 kWp；展厅上空屋面采用薄膜光伏组件(135 Wp/块)1 056块、装机容量142.56 kWp；南立面采用薄膜光伏组件(85 Wp/块)420块、装机容量35.7 kWp。展览馆每年平均发电量为28.24万kWh，年平均综合利用小时数为1 441.86 h。

图1中国(青海)光伏利用展示馆建筑光伏一体化项目效果图

本文通过中国(青海)光伏利用展示馆建筑光伏一体化示范项目(如图1)，基于建筑分析图、数据采集以及构造详图分析，解读了建筑光伏一体化设计的理念和方法在实际项目中的运用，将建筑光伏一体化的建筑美学性及光伏技术性有机结合[1-3]。

1.2 项目场址及光资源情况

中国(青海)光伏利用展示馆位于青海省德令哈市，场址坐标为N37°20′、E97°19′，海拔2 969.00 m。基本光资源数据采用距离该工程场址区最近的德令哈气象站52737(地理坐标为N 37°22′、E 97°22′，观测场海拔高程为2 981.50 m。)的数据资料，为了有效地判断多年太阳总辐射量的变化趋势，根据该地区1983—2012年逐年太阳辐射量分析近30年太阳辐射量的变化，见图2。

图2 德令哈1983—2012年太阳总辐射量变化直方图

从图2可看出，近30年间德令哈太阳辐射量分布年际变化较平稳，整体变化无明显下降趋势，其数值区间在6 300 ～7 000 MJ/m2之间。30年间的年平均太阳能辐射量为6 727.44 MJ/m2，2002年出现最低值6 359.53 MJ/m2，1984年最高值达到6 910.94 MJ/m2。近10年间的年平均太阳能辐射量为6 633.32 MJ/m2，最大值出现在2006年，达到6 779.03 MJ/m2，最小值出现在2012年，为6 535.77 MJ/m2。

从太阳能资源利用角度来说，在德令哈市建设光伏发电项目是可行的[4]。

1.3 气候特征

德令哈市地处青藏高原腹地柴达木盆地南沿，由于受喜马拉雅山、唐古拉山和昆仑山等山脉层层阻隔，西南暖湿气流难以进入，从而形成了以干旱少雨为主的气候特点，即典型的高原大陆性气候。

2 建筑方案

2.1 总平面布置

本工程位于青海省海西州德令哈新区。工程用地呈长方形，东西长约150.33 m，南北长约190.90 m，用地总面积约28 697 m2，建筑密度15%，容积率0.16，绿地率34%。

为了充分展现光伏产业的特点，以“光伏”和“阳光”为设计理念，根据场地现状及功能属性将整个地块分为建筑周边环境空间、组件科普展示空间、光伏景观游览空间。为了将光伏市场上最新的光伏产品进行推广，组件科普空间又分为组件展示区、组件运行模式展示区、光伏小品展示区[5]。

2.2 建筑设计

太阳能光伏展览馆建筑面积约3 940 m2，建筑标高为12.8 m，总建筑面积4 876 m2，包括展陈和公共服务区2部分。展陈空间面积约2 992 m2，公共服务空间面积约1 884 m2。建筑设计在充分反应青海德令哈地域特色的基础上，重点考虑将光伏技术与建筑进行一体化设计。建筑形体运用2个简洁体块进行咬合穿插，具有很强的视觉冲击效果，建筑材料运用光电玻璃进行外立面铺设，体现科技感和时代感，力求将“光伏”元素明确表达于设计中[5]。

3 光伏技术

3.1 日照分析

项目用地位于德令哈新区，用地方正，地势较为平坦，周边无高大建筑物遮挡。运用Ecotect软件模拟太阳能光伏展览馆阴影变化范围，可以比较直观地看出展览馆每年冬至日(12月22日)9:00—15:00有效发电时间段内不受场地周边建筑物的阴影遮挡，系统可以进行有效的发电[6]。

3.2 光电幕墙及光伏采光顶设计

为了有效利用德令哈地区太阳辐射强烈的资源优势，通过Ecotect软件模拟展览馆阴影变化特点确定建筑屋面及南立面的光伏系统设计：建筑南立面采用薄膜光伏幕墙、会议室顶棚、展厅三角窗采用薄膜光伏采光顶。此设计可有效阻止强光的直接射入起到遮阳效果，同时又可将太阳能转换为电能提供展馆日常照明，很好地实现了建筑室内环境的改善与建筑节能的有机统一[7]。

(1) 建筑南立面采用双层薄膜光伏幕墙设计：① 光伏幕墙依靠太阳能发电所产生的电能可提供建筑室内日常照明及采暖通风设备运行；② 光伏幕墙可起到遮阳效果,减少室内辐射所产生的热量；③ 光电玻璃结合通风系统与建筑外表面形成一个空腔,有效地促进空腔和建筑室内的空气循环,减少建筑室内的热量,降低室内温度[8]。

(2) 会议室顶棚采用薄膜光伏采光顶设计：① 采用透光率为25%～30%的中空透光型薄膜组件进行平铺式铺设(64 Wp/块，规格:3.2 +5+9A+6LOW-E+6，单位：mm)能显著减少阳光对室内的直射光线，改善室内光线的舒适度，降低室内温度和冷负荷；② 平铺式安装可以避免日照不均匀所造成的发电量降低和逆变器等电气设备的浪费[9]。

(3) 展厅上空30°倾角的三角窗采用薄膜光伏组件设计：① 采光三角窗南面用透光率为10%的中空透光薄膜组件替换一般玻璃进行铺设(85 Wp/块，规格:3.2+5+9A+6LOW-E+6，单位：mm)；② 为了保证良好的通风，将三角窗北面设置为可开启的通风窗，通过通风对流降低室内温度，驱散光伏组件工作时吸收太阳辐射所产生的余热，最大程度地调节室内温度的适宜性[10]。

3.3 光伏通风驱动系统

建筑南立面的双层薄膜光伏幕墙安装在最外层钢架结构上，在屋顶上方1.3 m处设置通风三角窗和光伏动力通风系统(见图3)。光伏动力通风系统可以驱动建筑室内外的气流速度,加快热气流由下而上排走，以减少外墙和室内温度的冷负荷，有效提高热利用率,减少空调的能源消耗[11]。

图3 光伏驱动通风系统示意图 单位：高程，m；其它，mm

为了有效阻止阳光直射入室内影响参观者的视觉体验，本次光伏系统设计中选择日照条件最好、阳光照射最强烈的展厅屋顶安装薄膜中空透光型光伏组件。组件接收阳光的照射后加快了与屋顶之间的空气流速，从而带走了储存在屋顶的热量，加快室内空气循环，提高室内空气质量[12]。

3.4 光伏发电停车场及电动汽车离散型充电站

本项目在建筑周边设置太阳能光伏停车棚，车棚采用钢结构，钢柱采用方钢，横梁采用檩条，车棚柱距6.67 m，跨度6 m，长度51 m，车棚最低点距地面2.55 m，单坡结构，坡度15°，以最大限度提高发电量的同时，又可遮挡强光对停车场内汽车的辐射，从而降低汽车表面和车内温度，达到降低汽车空调冷负荷，减少汽车油耗和废气排放的效果，多余的电能可同时兼顾周边建筑(展馆)的用电需求[13-14]。

建设太阳能停车场(含充电桩)以光电替代石油既安全经济又环保节能。通过充放电控制器向动力电池充电或者把光能转换为电能储存在电池中(热效率可达到34%～40%)，再通过电池放电给电动汽车进行充电，90%的能量用于驱动车辆，达到清洁环保的效果[15-16]。

4 结 语

随着现代科学的进步，大力发展太阳能发电是中国新能源领域的重要组成部分，其中与建筑相结合的BIPV设计为太阳能发电提供了更广阔的发展空间。BIPV设计在不损害建筑美观性、结构安全性、营造标准性、功能使用性的前提下，把传统的耗能建筑构件(屋顶、墙面、遮阳系统等)转换为能够吸收太阳能并转化为电能的建筑构件，以节约建筑用能。