关于建设光伏建筑一体化的四大要点

在将光伏系统应用于新型工业和民用建筑时，必须在规划和设计阶段综合考虑施工现场当前的环境条件、建筑规模、建筑的不同功能要求以及各种规划要素。同时，还需要充分考虑影响太阳能系统光伏应用的地理气候、太阳能资源、能源消耗、施工条件等因素，以确定建筑的布局方向、间距、密度以及道路、绿化和空间的组合，使建筑在规划阶段就具备满足太阳能光伏系统应用技术要求的必要条件。

一、光伏系统的选择

光伏系统的选择是建筑设计的关键内容。建筑师不仅要创造新颖美观的建筑外观，还要根据建筑类型和功能需求合理选择光伏系统的类型和光伏材料的颜色，并与建筑结构和建筑电气专业相协调。共同确定光伏系统组件在建筑各部分的安装位置，且不得影响建筑的功能需求。光伏系统产品供应商应向建筑设计单位提供光伏模块的规格、尺寸和荷载，以及嵌入件的规格、尺寸、安全位置和安全要求等技术指标，如光伏系统的发电性能和测试报告，以确保产品质量和性能，并向建筑电气工程师提出用电要求。电气工程师负责设计光伏系统、布置管道并确定管道方向；结构工程师在设计建筑结构时应考虑光伏系统的荷载，以确保结构安全，并嵌入嵌入件，为光伏组件的锚固和安装提供安全可靠的条件。各方的紧密合作是确保光伏系统与建筑一体化的重要保障。

二、光伏模块的安装与安全

安装在建筑屋顶、阳台、墙壁、窗户或其他部位的光伏模块必须满足电气安全和结构安全要求，并根据电气设计规范设置带电警示标志，同时采取安全防护措施。直接构成建筑围护结构的光伏模块，不仅要满足电气安全和结构安全要求，还需按电气设计规范设置带电警示标志。对既有建筑进行光伏系统增设或改造时，会增加建筑荷载，且安装过程也会对建筑结构、建筑功能和建筑热工性能产生影响。因此，必须对建筑结构安全、建筑电气安全等进行审查检验，光伏模块的安装不得降低建筑部分的热工要求。在建筑设计中，还应考虑防止光伏组件损坏、脱落伤人的措施，如设置挑檐、入口设置雨棚、建筑附近种植绿化等，以减少人们接近的可能，防止坠物伤人。

三、光伏模块与建筑的兼容性

通常情况下，建筑的设计寿命是光伏系统的2-3倍。光伏模块等系统组件的结构和类型应便于安装在建筑围护结构上，便于维护、修理和局部更换。因此，建筑设计不仅要考虑地震、风荷载、雪荷载、冰雹等自然损坏因素，还应为光伏系统的日常维护提供必要的安全便捷操作条件，特别是光伏模块的安装、维护、日常保养和更换。对于平屋顶，应设置屋顶出入口，便于安装和维护人员进出；对于坡屋顶，应在屋脊适当位置预留金属钢架或挂钩，便于固定安装和维护人员穿戴安全带，确保维护人员操作安全。

四、光伏建筑一体化的规划与设计

1. 规划布局

在确定新工业和民用建筑的光伏系统应用时，设计师应根据地理位置条件，在规划和设计或总体布局时，尽可能将建筑单元或建筑组群布置成南北朝向，以便光伏系统接收更多太阳能。对于既有建筑应用光伏系统时，应尽量选择朝南的建筑，以提高光伏系统的应用效率。使用光伏系统的建筑，其建筑间距应满足当地日照间距要求，且不应因应用光伏系统而降低相邻建筑的日照标准。景观、树木绿化和被阴影遮挡的部分也应注意避免建筑自身阴影遮挡光伏模块上的阳光。由于建筑平面常呈四凸形状，易造成建筑自身遮挡阳光。此外，对于L形和U形平面，还应注意避免自身遮挡，以确保光伏模块的正常运行。

2. 建筑设计

光伏模块安装在建筑屋顶、阳台、墙壁或其他部位时，不得有障碍物遮挡阳光。光伏模块的总面积根据所需功率、建筑上允许的安装面积及当地地理气候条件等因素确定。安装位置必须满足冬至日全天日照时间超过4小时的要求。在建筑上安装光伏模块时，基座与建筑的连接部分应避免破坏该部分的节能结构，影响节能效果。如有必要，应采取适当的结构措施进行防护。光伏模块不应影响建筑的安装部分，且雨水系统设计不应造成局部积水、防水层损坏、渗漏等问题。光伏模块在安装时应采取必要的通风降温措施，控制其表面温度升高。通常，在组件与安装面层之间设置大于50mm的间隙，组件之间也有间隙，这将有效控制组件背面的温升。

3. 屋顶应用

当光伏模块应用于屋顶时，应满足以下要求：

• 材料性能：作为建筑材料的光伏模块材料性能应满足相应建筑材料的要求。
• 支架选择：使用自动跟踪和手动调节支架可增加系统发电量。自动跟踪支架还需配备包括太阳辐射测量设备和计算机控制步进电机在内的自动跟踪系统。手动调节支架经济可靠，适合月度和季度周期的调节系统。
• 阴影管理：光伏阵列设置在屋顶时，前排光伏模块的阴影不应影响后排光伏模块的正常运行。应考虑满足冬至日不少于6小时的日照要求，通常指9:00~15:00期间无遮挡。同时，注意组件的聚光效应。
• 防水处理：光伏模块与屋顶连接处应做好防水处理，确保垂直荷载、风荷载和地震荷载的可靠传递。
• 排水设计：在屋顶安装光伏模块支架时，应选择点状基座形式，便于屋顶排水。特别要避免使用与屋顶排水方向垂直的条形基座，并在基座底部增设防水层。
• 维护通道：光伏模块周围需要频繁维护的区域应提供刚性保护层，如铺设水泥砖。
• 防水套管：光伏模块引线穿过屋顶时，应预埋防水套管并做好防水密封处理。

4. 坡屋顶应用

当光伏模块用于坡屋顶时，应满足以下要求：

• 坡度设计：新建筑坡屋顶设计应考虑排水功能，同时考虑全年获得最多太阳能的光伏模块倾角。屋顶坡度可根据当地纬度±10°确定，一般可采用22°~26°进行设计。
• 安装方式：根据建筑实际情况，光伏模块可沿坡面安装或架空安装。架空安装时，支架基座与结构层应用螺栓固定，确保排水顺畅并做好防渗漏密封处理。
• 连接密封：沿坡面嵌入的光伏模块与坡屋顶连接处应密封处理。
• 通风间隙：架空安装的光伏模块与坡屋顶之间应留有大于100mm的通风间隙，以降低组件背面温升并确保安装维护空间。

5. 阳台与平台栏杆应用

当光伏模块用于阳台或平台栏杆时，应满足以下要求：

• 倾角设计：阳台栏杆上安装或镶嵌的光伏模块应具有适当的倾角，确保接收更多阳光。光伏模块及其支架应牢固连接至阳台栏杆上的嵌入件，并通过计算确定嵌入件的尺寸和深度。
• 安全要求：直接用作阳台和平台栏杆的光伏模块应符合建筑阳台栏杆的强度和高度要求。
• 防护措施：为防止高温或电气连接损坏导致的安全事故，应采取必要的防护措施，避免与光伏模块直接接触。

6. 墙体应用

当光伏模块应用于墙体时，应满足以下要求：

• 材料性能：作为外墙材料的光伏模块（建筑材料型）应满足建筑的隔热要求，并具备相应的功能。
• 结构设计：通过其他方式（如外挂）安装在建筑外墙的光伏模块（安装型），其结构设计应作为墙上的永久荷载考虑。在墙上安装光伏模块可能导致墙体局部变形和裂缝，需采取结构措施防止。
• 遮阳性能：当光伏模块用作建筑遮阳构件时，应进行遮阳性能计算。
• 照明与通风：光伏模块安装在建筑外墙和窗面时，应满足不同性质建筑的采光和通风要求，并符合外窗的节能要求。
• 防水处理：光伏模块的引线应隐藏，并在墙上预埋防水套管以防止水渗入墙体结构层。

五、结构设计

光伏建设项目的结构设计包括两个方面：一是光伏模块本身的安装结构设计；二是支撑光伏系统的主体结构和构件的设计及相关连接器的设计。设计主体结构时，应根据光伏系统组件在建筑中的位置准确把握其荷载效应，确保其结构系统的安全；同时，要确定安装方法和安装位置对结构局部强度的要求。光伏系统的重量应结合永久荷载效应进行考虑。对于形状复杂、风荷载环境较大的光伏建筑，包括光伏森林墙等，风荷载值应更准确。因此，在没有可靠参考依据的情况下，应通过风洞试验确定风荷载值。光伏建筑的结构设计应区分是否需要抗震设计。对于6度设防区，一般只需考虑系统自重、风荷载和雪荷载；对于6度及以上设防区，还应考虑地震作用。在既有建筑上安装光伏系统时，应调查原建筑的设计资料，确认原建筑结构材料的状况和耐久性，必要时进行材料取样试验。确认后，将新增光伏系统的荷载量作为新增永久荷载效应进行结构复核验证，以确保结构安全。光伏模块的支架及各连接节点主要承受系统自重、风荷载、雪荷载和地震作用。支架结构构件的截面形式和连接方式应通过计算确定。连接器和其基座（主体结构）的锚固承载力应大于连接器本身的承载力，任何情况下都不允许出现锚固失效。光伏幕墙的连接和锚固必须可靠，其承载力必须通过计算或物理试验确认，并留有裕量。为确保与主体结构的可靠连接，连接部分主体结构的混凝土强度等级不应低于C20。在大多数情况下，支撑基座相对容易满足稳定性要求（防滑、防倾覆），但在风荷载较大的地区，支撑基座的稳定性对结构安全起控制作用，必须进行检查和保证。考虑到光伏系统的有效生命周期，嵌入件的设计周期应与主体结构相同，以避免在更新光伏模块时损坏。