基于建筑环境分析的光伏建筑一体化设计方法

在全球气候变暖及化石能源日益枯竭的大背景下，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视，大力发展可再生能源已成为世界各国的共识。各种可再生能源中，太阳能以其清洁、安全、取之不尽用之不竭等显著优势，已成为发展最快的可再生能源。开发利用太阳能对调整能源结构、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设均具有重要意义。近些年分布式发电成为发展重点，以2018年为例，新增地面电站装机规模占新增装机市场的52.7%，分布式光伏系统占比47.3%。随着分布式光伏系统的发展，光伏建筑一体化系统逐渐成为电气设计师与建筑设计师共同认可的建筑应用形式。

1工程概况滨海文化中心项目位于滨海新区核心区天碱解放路商业区，连接于家堡金融区、响螺湾商务区、开发区生活区、塘沽老城区和新港生活区，突出文化娱乐、休闲游憩、绿化景观等功能，是连接各区域的纽带(见图1)。图1

滨海文化中信位置根据《天津市太阳能资源评估报告》，近30年来天津太阳总辐射特征按照中国太阳能资源的区划标准应属于ⅡC/X(5/7)h。总辐射为5977.6MJ/m²，可利用的太阳辐射为3880MJ/m²，占总辐射的65%;天数为199天，占全年的54.5%。太阳能建筑应用实践表明，较适合利用太阳能光伏发电。滨海文化中心由五栋独立的文化建筑组成，通过文化长廊连接，形成一个文化综合体。文化长廊跨过解放路下穿路，首层断开，二层以中央大厅连通，两层均能直通室外。项目总平面图如图2所示。图2滨海文化中心总平面图文化长廊为室内连廊，总长约340m，宽25m、高36.5m，是整个文化中心的主轴线。项目采用28把金色伞形钢结构将5座文化场馆串联，形成多元复合的文化综合体，全室内环境，塑造了四季宜人、便利舒适的空间通廊。2光伏发电系统设计天津滨海文化中心文化长廊高36m，其中中央大厅屋顶面积约1万m²，铺设光伏组件的区域为3276m²，有效光伏组件面积约2803m²，有效光伏组件数量1280块，装机容量为204.8kWp，并网点设置在地下文化长廊2号变电室低压母线上。光伏组件安装区域见图3。图3

光伏组件安装区域2.1组件类型滨海文化中心屋顶玻璃采光顶并非整体平整的屋顶，而是朝四个方向找坡的采光顶，光伏组件类型、安装形式、线缆敷设方式要做到既与建筑一体化设计，又能够传达绿色节能的建筑理念，就需要在组件选型时兼顾颜色要求、透光要求、安全性要求、密封性要求等多方面因素。透光型光伏组件主要分两种类型:晶硅型双玻组件和薄膜组件。晶硅型双玻组件采用晶硅芯片，转换效率较高，但透光效果不均匀，颜色比较单一，基本是蓝黑色、蓝色或黑色。其内部、外部安装效果以及透光效果见图4。图4

晶硅型双玻组件透光效果示意薄膜组件的透光效果可以做的很均匀，并且色彩多样，但转换效率较低。其内部、外部安装效果以及透光效果见图5。图5

薄膜型组件透光效果示意经过多方面比较分析，结合本项目建筑、幕墙设计以及第五立面效果，最终选定点状透光的晶硅双玻组件，一方面整体系统能够达到较高的转换效率，经济性较高;

另一方面，无论在室内抬头仰望或在高空俯视鸟瞰，具有明显视觉冲击感的光伏组件晶硅片都能时刻传达出绿色低碳的设计理念。2.2室内光环境分析室内光环境分析主要有静态光环境模拟和动态光环境模拟两种。Ecotect和Radiance主要用于静态模拟分析，能够模拟出最不利时刻或典型日中特定时刻点工作面的照度、亮度、采光系数等静态指标，是评价建筑内部光环境质量的主要依据。Daysim主要用于动态光环境模拟分析，它是以Radiance作为计算核心，将地域性的逐时光气候数据作为基础，计算工作面的逐时自然采光照度。2.2.1伞形格栅区域文化长廊采用伞形结构撑起整个长廊屋顶，根据本项目实际情况，采用Sketchup建立建筑模型，选取其中一把“伞”状区域，作为重点模拟分析的标准单元。伞形格栅的数量经过方案比选，最终确定了顶部杆件布置方案。具体比选如表1。经过光环境模拟，冬至全阴天16:00，平均照度达到210lx。依据150lx采光设计标准，文化长廊天然采光光环境优越。经过分析，基本确定伞形格栅布置区域，也即确定了“伞”上光伏组件的安装区域，见图6～7。图6伞形格栅图7伞形格栅上组件安装示意2.2.2光伏组件透光率为便于安装，并兼顾视觉效果，本项目光伏组件的尺寸选择与伞状采光顶所使用玻璃组件尺寸一致，均为1480mm×1480mm。点状透光型组件的透光率取决于晶硅片的布置及数量，同时也决定了单片组件的峰值功率。常规情况下，光伏组件的透光率处于10%～80%，当透光率低于10%时，使用光伏组件的经济性就非常差了;而当透光率高于80%时，自然光几乎进入不到室内，使用透光型组件也没有意义了。本项目结合伞状结构的格栅布置，将光伏组件的透光率从10%到80%之间进行调整，采用动态模拟软件Daysim分析得出，采用50%左右透光率的组件，室内采光效果最佳。电池片在确定尺寸的光伏组件上详细布置后确定，组件的电池片覆盖率为46.7%，透光率为53.3%。光伏组件示意图见8。图8光伏组件示意2.3光伏发电系统接入设计根据采光屋顶可供安装的场地面积和组件布置要求，共安装具有透光率的多晶硅双玻光伏组件1280块，组件峰值均功率为160Wp，组件透光率约为43%，电池片转换效率17.6%。系统总装机容量为204.8kWp，占并网变压器容量的12.8%。光伏组件分组形成4组方阵，经过直流保护箱后分别接入4台组串型并网逆变器，每台逆变器容量为50kW。光伏组件经逆变器后，通过交流配电柜、并网柜、接入地下室文化长廊2#变电站低压侧母线。光伏组件采用的支架与文化长廊采光屋顶结合安装，安装角度与采光屋顶一致，中间留出散热空隙。根据本项目装机容量及实际情况，并网接入系统选择为表2中最后一项，即用户配电室接入的自发自用/余量上网模式，具体参见图9。光伏发电机房设置在美术馆屋顶层，直流保护箱、逆变器、交流柜、并网柜、滤波柜、监控系统机柜、UPS及电池柜等设置在光伏发电机房。位置示意见图10。图9并网接入方案示意图图10

机房位置示意图3设计效果经过PVsyst模拟，最终预计光伏系统年发电量为210MWh，相当于本项目地下一层北区停车场(1.2万m²)的日常照明用电量，模拟分析如图11所示。图11光伏发电系统模拟分析光伏组件与采光顶同角度安装，铝框内敷设线缆，组件结构支柱与采光顶结构支柱一体化设计实施，降低相互之间的负面影响。采用晶硅型透光组件，敷设区域与伞下遮光栏栅正投影重合，改善室内光环境。光伏组件与采光顶分离，二者结构支柱一体化设计实施，降低漏水风险，拆卸时仅影响所属组件块和本范围内的采光顶。将光伏设备机房设置在就近的美术馆屋顶机房层，并网点选择在正下方变电站内，机房距离、并网距离合适，光伏消纳彻底。图12～14是现场安装的部分实景照片。图12

光伏发电机房图13室内视觉效果图14室外安装效果4结束语运用基于建筑环境分析的光伏建筑一体化设计方法，能够将室内光环境、建筑造型与光伏组件安装充分结合，在最大限度地利用自然采光的前提下，合理调整建筑造型，优化光伏发电系统设计。在光伏建筑一体化设计中，需要重点考虑以下几点。(1)一体化设计:

采光玻璃