張玉平,張永超,王學勇

既有建筑場地光伏陣列布置可行性研究——以北方某高校21號公寓樓場地為例

張玉平1,張永超2,王學勇1*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學 水利土木工程學院, 山東 泰安 271018 2. 北京交通大學 建筑與藝術(shù)學院, 北京 100089

光伏建筑一體化設(shè)計的創(chuàng)作研究和實踐日漸成熟，但是如何在建筑場地中實現(xiàn)光伏組件的精細化布置研究尚且不足，導(dǎo)致了土地資源和生態(tài)資源的浪費。該文以北方某高校公寓樓場地為例，通過相關(guān)軟件和公式，進行場地周邊互遮擋和光伏組件自遮擋計算，明確場地中可鋪設(shè)光伏組件的位置區(qū)間和光伏組件間的排列方式，進而計算出可鋪設(shè)光伏組件的具體數(shù)量并預(yù)估出鋪設(shè)后可產(chǎn)生的效益，為實現(xiàn)在建筑場地中光伏陣列的精細化設(shè)計提供思路。

建筑節(jié)能; 光伏; 陳列布置

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的迅速崛起和應(yīng)用普及，是當前應(yīng)對能源問題的有利舉措。目前，對于光伏組件在建筑上的研究，大多著力于光伏建筑一體化設(shè)計（BIPV、BAPV），即如何將晶硅、非晶硅、薄膜等各種類型的光伏組件，通過結(jié)合或集合的方式更好地應(yīng)用于建筑創(chuàng)作的實踐中，實現(xiàn)建筑節(jié)能和建筑審美的統(tǒng)一[1-3]。在IEA SHC Task41中，明確提出了光伏建筑一體化的幾種組合方式[4]，漸漸演變成一種光伏建筑創(chuàng)作的固有模式。

7月20日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于全面推進城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的指導(dǎo)意見》，其中小區(qū)內(nèi)建筑節(jié)能改造部分明確提出要提高既有建筑能效水平，推廣可再生能源應(yīng)用，“光伏”成為最高效的手段。但是在光伏布置應(yīng)用中，僅僅將研究對象局限于建筑單體上，是不利于光伏建筑的深入研究和持續(xù)發(fā)展的。一方面，組件的能量密度低、造價高，建筑圍護結(jié)構(gòu)通常不足以產(chǎn)生建筑物所需的所有能量，建筑節(jié)能的目標不應(yīng)當在建筑規(guī)模而應(yīng)在集群規(guī)模上實現(xiàn)；另一方面，對于光伏建筑的定義還在“在建筑上的”和“在建筑場地上的”兩種約束條件下?lián)u擺，光伏建筑的外延正在由建筑本體向建筑場地，乃至城市環(huán)境、景觀環(huán)境的方向上擴展[5,6]。市場分析可以預(yù)見到光伏組件將在全球建筑創(chuàng)作實踐上得到持續(xù)推廣[7]，但是如何高效利用光伏組件，獲得更大的生態(tài)節(jié)能效益，值得建筑師深入研究。尤其是在有限的建筑場地中，在保障光伏組件可獲得有效光照的前提下，進行精細而又高效的光伏陣列布置，是目前亟待解決的問題之一。本文以北方某高校21號公寓樓及周邊場地為例，梳理出光伏組件在建筑場地中如何進行精細化設(shè)計的基本思路，進而通過軟件和公式推導(dǎo)出光伏陣列的最佳布置方式，以期促進光伏組件在建筑中的推廣應(yīng)用，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟和生態(tài)價值。

1 案例選擇

公寓樓竣工于2000年，設(shè)計方為北方某勘察設(shè)計研究院。竣工之初，其南側(cè)方向上尚未有明顯遮擋建筑（見圖1），現(xiàn)在南側(cè)新建科研樓（高層建筑）和學生集體宿舍（多層建筑），對21號公寓樓形成明顯的遮擋，加之該處現(xiàn)有場地條件較為局促（見圖2），因此選擇該樓為案例進行分析，其結(jié)果對于其他現(xiàn)有條件相對較好的建筑場地更具借鑒意義。

圖 1 公寓樓竣工圖紙

圖 2 公寓樓周邊現(xiàn)狀

2 研究方法

本文采用如圖3所示的研究思路進行場地的設(shè)計和分析，以獲得光伏方陣的最佳布置位置區(qū)間，進行場地的精細化設(shè)計。

圖 3 研究思路

2.1 場地分析

2.1.1 基本限定條件若干個光伏組件在機械和電氣上按一定方式組裝在一起并且有固定的支撐結(jié)構(gòu)而構(gòu)成直流發(fā)電單元，即光伏方針。其選址與布局必須符合《民用建筑設(shè)計通則》、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)設(shè)計規(guī)范中對場地設(shè)計的要求，滿足建筑防火疏散、日照標準等方面的具體要求。

2.1.2 周邊互遮擋分析根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB50797-2012）要求，需要保證在冬至日真太陽時，上午九點到下午三點的時間段內(nèi)，光伏方陣不被遮擋[8]，以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。這就需要在光伏組件的布置過程中需要考慮周邊環(huán)境對組件遮擋的影響，根據(jù)數(shù)值分析和計算確定場地中的可利用區(qū)域。在實操中，可以采用兩種方法，一種是利用Sketchup和Ecotect軟件進行陰影的模擬分析與計算；另一種是根據(jù)場地所在地的經(jīng)緯度，代入經(jīng)驗公式，確定影子倍率，進而計算出光伏組件南北、東西方向遮擋物的陰影范圍。這兩種方式都能起到對場地精細化利用的作用，基于軟件進行計算得到的陰影范圍的精度更高，但對軟件操作的專業(yè)性要求較高，難以在實踐中推廣開來。本案例在進行周邊互遮擋分析時采用軟件分析，在進行光伏組件自遮擋分析時采用經(jīng)驗公式計算。

2.2 光伏組件分析

2.2.1 光伏組件選用常用的光伏組件的類型包括晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池，相關(guān)技術(shù)更新迭代迅速，產(chǎn)品性能不斷提高（見表1），從一定程度上也促使著建筑實踐中的技術(shù)創(chuàng)新[9-10]。第二代和第三代太陽能電池多用于和建筑單體的結(jié)合或集合，在建筑場地或景觀設(shè)計中，常使用第一代太陽能電池，原因在于單晶硅和多晶硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)換率較高，且封裝技術(shù)成熟，便于實現(xiàn)在場地中大面積的組裝[11]。

表 1 四種光伏電池的主要技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù)

本研究中選用晶科能源控股有限公司生產(chǎn)的Eagle Dual 72 350 Watt單晶硅太陽能組件和Eagle Dual 72 335 Watt多晶硅太陽能組件，兩者的組件尺寸相同，但多晶硅光伏組件受限于原材料本身的光電轉(zhuǎn)換效率，其功率值略低于單晶硅光伏組件。兩者的具體的參數(shù)見表2、表3。

表 2 Eagle Dual 72 350 Watt單晶硅太陽能組件相關(guān)參數(shù)

表 3 Eagle Dual 72 335 Watt多晶硅太陽能組件相關(guān)參數(shù)

2.2.2 組件自遮擋分析光伏組件遮擋問題不僅會影響發(fā)電效率，甚至會產(chǎn)生“孤島效應(yīng)”，影響光伏系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。因此，在場地中進行光伏陣列的布置，還需要考慮各個光伏組件之間互相的遮擋問題，沿陰影產(chǎn)生方向上前后成排地布置光伏組件時，需要通過計算確定陰影的長度，以規(guī)避前排光伏組件對后排光伏組件的遮擋，避免無效光照帶來的不良影響。

2.3 確定場地內(nèi)光伏布置

通過場地分析，確定了光伏方陣的最佳布置位置區(qū)間，通過光伏分析，確定了光伏類型選用和光伏組件擺放間距。以上兩個步驟完成后，即可在確定的場地中進行光伏組件的空間組合，以形成包含光伏組件數(shù)量最多、發(fā)電效率最高、便于檢修的光伏陣列。

3 分析和討論

3.1 場地分析

首先考慮現(xiàn)有場地是否滿足消防和日照等規(guī)范的要求，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有場地中消防車道的寬度不足，在后期設(shè)計中應(yīng)當予以調(diào)整，同時，應(yīng)當在光伏鋪設(shè)區(qū)域和建筑之間預(yù)留出足夠的緩沖距離，以減少后期使用過程中，人為因素對光伏陣列的干擾和破壞。

圖 4 陰影范圍圖

圖 5 光伏可鋪設(shè)區(qū)域圖

其次，根據(jù)場地的CAD文件資料，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換形成Sketchup建筑模型，利用Ecotect2011進行周邊環(huán)境的遮擋分析，得到如圖4所示的陰影范圍圖，進而可以確定場地中光伏組件的可鋪設(shè)區(qū)域如圖5所示。

3.2 光伏分析

利用影子倍率計算陰影范圍是光伏陣列設(shè)計中常見的方法，21號公寓樓所在地為北緯39.9°，此處取值40°，根據(jù)表4數(shù)據(jù)可得該樓南北向影子倍率為2.99[12]，即該樓在冬至日時，最長影長與其高度的比值為2.99。通常，光伏組件的安放朝向赤道，傾斜角度等于當?shù)鼐暥葧r，光伏陣列可獲得最大的年發(fā)電量[13]。因此，本案例中將光伏組件的傾斜角度確定為40°。

表 4 影子倍率表

圖 6 光伏組件遮擋計算示意圖

如圖6所示，已知光伏組件的高度為1968 mm（不考慮安裝時下端支架長度），光伏組件的傾角為40°，可求得單個光伏組件最長陰影范圍為：=2.99×1968·sin40°=3782 mm，即為了消除前后排光伏組件相互遮擋對發(fā)電數(shù)量和效率上的影響，其最小間距為3782 mm。

圖 7 光伏組件陰影示意圖

圖 8 光伏陣列布置圖

3.3 場地內(nèi)光伏布置

根據(jù)如上數(shù)據(jù)信息，在鋪設(shè)光伏組件數(shù)量多、發(fā)電效率高、便于檢修的原則指導(dǎo)下，利用AutoCAD 2016軟件對已確定的可鋪設(shè)光伏組件的區(qū)域進行光伏陣列的模擬擺放，經(jīng)過多種擺放方案的比較后，選擇出光伏陣列的最佳布置方案，如圖8所示。該方案可布置光伏組件（Eagle Dual 72 350 Watt單晶硅太陽能組件或Eagle Dual 72 335 Watt多晶硅太陽能組件）123片，且滿足前后方向上無陰影遮擋的要求，并在中間留有檢修通道。

3.4 收益預(yù)計算

通過總裝機功率和預(yù)計年發(fā)電量可以預(yù)估出該光伏陣列設(shè)計方案的收益情況[14]，經(jīng)計算可得，無論是在該建筑場地上安放單晶硅組件還是多晶硅組件，均能達到40000 W以上的總裝機功率，年發(fā)電量可達8.0×104 W·h（見表5），經(jīng)濟效益顯著，同時，也可產(chǎn)生巨大的生態(tài)節(jié)能效益。

表 5 收益預(yù)計算結(jié)果

注：年發(fā)電量按每年有效日照時間2000h計算

4 結(jié) 論

經(jīng)過本文的計算與分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）除了光伏建筑一體化中光伏組件與建筑單體的結(jié)合或集合，在建筑場地中布置光伏組件也是可行的。即便是在建筑場地局促的情況下，仍然可以通過精細化的場地設(shè)計和數(shù)據(jù)軟件計算，合理布置光伏陣列，帶來經(jīng)濟效益，實現(xiàn)生態(tài)節(jié)能價值；

（2）在既有建筑場地中如何精細化布置光伏陣列，如何使之融入場地環(huán)境并通過相應(yīng)圍護結(jié)構(gòu)提高安全使用性能，尚需要進一步深入研究。

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Study on the Feasibility for Photovoltaic Array Layout on Existing Building Site——Take the site of No. 21 apartment building of a university in the north as an example

ZHANG Yu-ping1, ZHANG Yong-chao2, WANG Xue-yong1*

1.271018,2.100089,

The creative research and practice of photovoltaic building integrated design is becoming more and more mature, but the research on how to realize the fine layout of photovoltaic modules in the building site is still insufficient, which leads to the waste of land resources and ecological resources. This article takes the site of Building 21 of a university in Beijing as an example, uses relevant software and formulas to calculate the mutual shielding around the site and the self-shielding of photovoltaic modules, and clarifies the location interval of photovoltaic modules in the site and the arrangement of photovoltaic modules. Calculate the specific number of photovoltaic modules that can be laid and estimate the benefits that can be generated after laying, providing ideas of the realization of the refined design of photovoltaic arrays of the construction site.

Building energy saving; photovoltaic; array layout

TU111.19+5

A

1000-2324(2021)01-0070-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.012

2019-10-02

2020-01-21

教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目(202002042036)

張玉平(1997-),男,本科生,主要研究方向為建筑設(shè)計及其理論. E-mail:854333141@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wxy199@163.com