城市住宅中光伏建筑一体化的应用研究.pdf

超越照明 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明94城市住宅中光伏建筑一体化的应用研究*杨 华泉州工程职业技术学院，福建 泉州 362300摘要：绿色发展理念实施背景下，加快城市住宅中光伏建筑一体化的应用，可以促进建筑节能，对缓解城市建设领域的能耗需求、调整能源结构有着重要作用。基于此，文章分析光伏建筑一体化的基本内容，探讨城市住宅中光伏建筑一体化的应用要求，并从住宅屋顶、立面、阳台和住宅外遮阳板等方面出发，探究城市住宅中光伏建筑一体化的应用策略，为建筑设计师进行城市住宅的光伏规划提供参考。关键词：城市住宅；光伏建筑；一体化设计分类号：TU18；TM6150 引言2022 年 3 月，住房和城乡建设部印发“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划，指出根据太阳能资源条件、建筑利用条件和用能需求，统筹太阳能光伏和太阳能光热系统建筑应用，全面建成绿色建筑，基本形成绿色、低碳、循环的建设发展方式，为 2030 年前碳达峰奠定了坚实基础。在城市住宅中应用太阳能光伏技术，促进光伏建筑一体化，有助于缓解能源消耗，优化和调整能源结构，实现“双碳”目标。1 光伏建筑一体化介绍如今社会经济不断发展，城市现代化建设进程不断推进，城市人口不断增多，人们对电能的需求量在日益增加，环境污染、能耗过大等问题也随之产生。针对这种情况，国家有关部门提出了绿色发展理念，并强调要将节约、节能、绿色、智能等元素充分融入建筑建设当中，建设绿色建筑。光伏发电技术是将太阳能转化成电能的一种新技术，将其运用于城市住宅建设中，推动光伏建筑一体化，可以促进建筑节能。1.1 光伏采光顶在光伏建筑一体化应用过程中，光伏采光顶主要用于住宅的房顶部分。与其他普通建筑材料相比，光伏采光顶最大的优势在于透光效果比较好，有采光功能，而且光伏采光顶采用了光伏发电技术，可以将采集到的光能转换成电能，在一定程度上可以节约能源。光伏采光顶由双玻光伏组件材料制成，主要依靠聚硅氧烷类密封胶保证气密性和水密性。将光伏采光顶应用于城市住宅时，除选择透光性良好的光伏组件之外，还需要正确选择聚硅氧烷类密封胶，合理进行节点设计，控制施工质量，这是保证光伏采光顶结构安全性的重要手段。1.2 光伏幕墙从构造方式来看，光伏幕墙的构造方式与传统玻璃幕墙的构造方式基本一致。光伏幕墙中融入了光伏发电技术和幕墙技术，其充分利用住宅的表面和空间，在电池作用下，可以将太阳能转化成电能，有效节约生活能源。相比于其他建筑材料，光伏幕墙最大的优势在于具有良好的环保功能，不会对外界环境产生较大的负面影响，而且具有通风换气的功能。光伏幕墙是光伏建筑一体化应用的新形式，既可原地发电、原地使用，减少电流运输过程的费用和能耗，也能向电网供电，缓解高峰用电压力，解决电网峰谷供需矛盾。1.3 光伏构件光伏构件即可以将太阳能转化成电能的光伏发电产品。常见的光伏构件包括光伏夹层玻璃、光伏中空玻璃、光伏真空玻璃和光伏瓦四种。在城市住宅中应用光伏建筑一体化技术时，光伏构件通常有多种应用途径，如作为建筑的遮阳构件、围护构件，或者安装在阳台的栏杆扶手上等。与其他普通建筑构件材料不同，光伏构件表现出较好的环保、节约性能，不但不需要花费大量建筑构件材料，而且可以起到一定的装饰作用，丰富住宅外观1。文章编号：2096-9317（2023）03-0094-03*基金项目：福建省教育厅中青年教师教育科研项目“光伏建筑及综合能源利用”（JAT201511）作者简介：杨华，女，本科，讲师，研究方向为土木工程技术、建筑工程管理。光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 超越照明952 城市住宅中光伏建筑一体化的应用要求2.1 合理选择光伏组件在光伏建筑一体化应用过程中，应充分应用光伏发电技术，通过有机组合有节能、透光等多种性能的材料，运用于城市住宅的各个部分，将太阳能转化成电能，以节省能源、降低城市能耗。要想充分发挥光伏建筑一体化的应用价值，关键是要明确城市住宅中光伏建筑一体化的应用要求，合理选择光伏组件，既要满足城市住宅的实际发电要求，又要符合建材性能的实际要求。从光伏建筑一体化的材料层面分析，建筑设计师在应用光伏采光顶、光伏幕墙和光伏构件时，为实现预设目标，一方面要考虑光资源，另一方面要着重分析光伏组件的性能。有些光伏组件可以在较短时间内将太阳能转化成电能，而且对太阳能的吸收不受外界环境影响，可以高效发电。有些光伏组件需要花费较长时间才能将太阳能转化成电能，且吸收太阳能的能力较弱，发电效率较低。建筑设计师要详细分析光伏组件的性能，立足实际，确保光伏组件性能与住宅情况相符，以达成节能、低耗的设计目标2。光伏建筑一体化的组件与一般的平板式光伏组件之间存在一定差异性。光伏建筑一体化对光伏组件有着较高的要求，不仅要能将太阳能转化成电能，还需要符合城市住宅的绿色、低碳、节能等建设要求，并有一定保暖功能，可以将水隔绝在外，具备观赏性、可以美化城市住宅外观等。除此之外，光伏建筑一体化还要求光伏组件的强度和硬度达到或者超过既定标准，这样可以减少建筑施工过程中的组件损坏，避免资源的浪费，确保各建筑材料得到合理、有效使用，与新时代绿色发展理念相契合。光伏发电与普通发电存在较大不同，光伏发电的能量来源是太阳能，需要以光伏组件为基础元件，将收集到的太阳能转换成电能，满足城市住宅区域的电力需求。在城市住宅中应用光伏建筑一体化时，光伏发电会受各种因素影响。目前，光伏技术不断创新升级，可选择的光伏组件的类型也逐渐增多。城市各住宅区域的地理位置不同，太阳光的照射范围也会存在一定差异3。对于这种情况，建筑设计师要从实际出发，结合各住宅区域的地理特征，因地制宜地合理应用光伏组件，以达到预期发电效果。2.2 合理布置光伏方阵在城市住宅中应用光伏建筑一体化时，需要根据城市住宅整体情况，将光伏方阵布置在合理的位置上。一方面，城市住宅位置是固定的，因此光伏方阵和住宅结合的时位置也是固定的，这要求布置人员结合现场情况，围绕节能、低耗等要求和光伏方阵自身特征，将光伏方阵置于合理的位置。另一方面，在布置光伏方阵时，建筑设计师需要综合考虑太阳光照射方向、住宅具体方位等因素，确保光伏方阵能够很好地接触到阳光，充分发挥作用4。3 城市住宅中光伏建筑一体化的应用策略3.1 住宅屋顶不同于住宅阳台、外遮阳板等建筑结构部分，住宅屋顶受太阳光照射的面积比较大，可以收集到较多的太阳能。目前，随着城市现代化建设进程不断推进，城市住宅屋顶形式也逐渐呈现多样化趋势，包括平屋顶、坡屋顶和造型屋顶。（1）平屋顶。通常情况下，基于平屋顶的基本特征，建筑设计师在应用光伏建筑一体化时，一般会选择支架式的光伏阵列。这种光伏阵列的最大优势在于危险系数低，可以一定程度上减少住宅室内热负荷。而且铺设支架式光伏阵列既不影响住宅外观，又可以让光伏阵列设计与屋顶装饰实现有机结合，起到一定装饰作用，符合住宅建筑整体风格。（2）坡屋顶。在坡屋顶上应用光伏建筑一体化，除了铺设支架式光伏阵列，还可以采用复合式光伏组件。可以将光伏构件和住宅外围护结构结合起来，扩展屋顶功能，提高发电、节能效果。复合式光伏组件可以在较短时间内将太阳能转化成电能，工作效率较高，能够满足住宅居民用电需要。（3）造型屋顶。造型屋顶与前两种屋顶的主要区别在于有独特造型，建筑设计师可以结合住宅区域实际情况，在保证日照效果和美观性的前提下，合理设计光伏阵列，增加飘板、构件等，打造住宅整体建设风格5。3.2 住宅立面在城市住宅建筑中，立面区域与太阳的接触面积最大。城市住宅建筑立面光伏一体化既可以用于新建小区建设，又可以用于旧建筑改造。在城市住宅建筑立面光伏一体化设计过程中，建筑设计师应从实际出发，在保证太阳能吸收效果和丰富住宅建筑外观的前提下，增设光伏系统，使其独立于住宅建筑外围护结构。现实中的住宅建筑朝向不同，建筑立面与太阳的 超越照明 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明96接触面积也存在一定不同。建筑设计师在立面上布置光伏阵列时，需要先确定住宅建筑的最佳朝向，即确定光伏板的安装方向。建筑设计师可以在住宅建筑各个方向的立面墙壁上安装倾角 90的高效单晶硅光伏组件，计算各种光伏板的发电量，再根据最终计算结果，确定光伏板的最终安装方法。建筑设计师可以围绕倾角进行计算，分析对比各个方向的太阳能产能。在此基础上，分别从水平和竖直方面着手，合理布置光伏阵列。为保证住宅建筑立面光伏一体化应用效果，建筑设计师应该根据光伏发电要求和住宅建筑的整体风格选择光伏组件，确保其符合住宅建筑风格，起到装饰作用，可以丰富和美化住宅建筑外观。3.3 住宅阳台阳台不仅可以阻挡冬季的寒冷，还能阻隔夏季的炎热，是城市住宅建筑中不可缺少的一部分。从建筑设计角度来看，阳台的设置使得住宅建筑平直的墙面产生凹凸变化，让住宅建筑外观看起来更加具有层次感。阳台栏板凸出墙面，被遮挡面积较小，与太阳的接触面积较大，发电效果良好，是安装光伏组件的理想位置。基于此，在城市住宅建筑阳台的光伏一体化设计过程中，建筑设计师需要根据阳台的结构特征，选择合适的光伏阵列布置方法。需要以短时间内完成光伏发电为目的，计算光伏板与墙面之间形成的角度，使其处于一个合理的范围之内，确保阳台光照充足，增强光伏发电效率，满足住宅居民电力需要，节约能源，降低能源消耗，践行“双碳”理念。将光伏发电技术融入城市住宅阳台，安装光伏阵列，实现光伏建筑一体化应用，可以丰富城市住宅建筑立面的层次和材质，还能更好地发挥阳台这一建筑结构的实际作用，最大限度地吸收太阳能，并在最短时间内将其转换成电能，保证电力充足，满足住宅居民日常生活用电需要，缓解电网输送压力。通过统一设计阳台光伏阵列，还能起到一定装饰作用，美化住宅建筑外观6。3.4 住宅外遮阳板将住宅建筑遮光板和光伏发电进行有机结合，是光伏建筑一体化的一种方式。与住宅建设屋顶和立面结构不同，住宅建筑外遮阳板属于住宅建筑外部维护结构，且对住宅建筑保温和隔热效果没有影响。光伏外遮阳板的最大优势在于散热效果较好，且施工难度较低，有助于提高建筑施工效率。光伏外遮阳板可分为连接式遮阳板和独立式遮阳板。连接式遮阳板在住宅光伏建筑一体化中应用次数较多，即直接将光伏支架与建筑表皮相连，安装程序不复杂。独立式光伏遮阳板即光伏支架独立出来，不与建筑表皮直接连接，有水平式和垂直式之分。水平式独立式光伏遮阳板一般可以用于住宅的庭院遮阳，方便居民进行室外活动；垂直式独立式光伏遮阳板可以用于种植等生活场景，一般选择使用半透明式的光伏电池，这样可以保证住宅建筑立面的采光效果。在城市住宅建筑外遮阳板的光伏一体化设计过程中，建筑设计师应当结合实际情况，合理设计光伏遮阳支架距离，如留出 800 1 500 mm 的空间距离，增加视觉效果。除此之外，建筑设计师应当考虑光伏外遮阳板的铺设面积，在保证不影响居住者日常活动和室内光照的前提下，合理布置光伏组件。4 结束语综上所述，在光伏建筑一体化的应用中，光伏采光顶、光伏幕墙和光伏构件等发挥着重要作用。为深入落实有关政策，建筑设计师要精准把握城市住宅中光伏建筑一体化应用要求，科学选择光伏组件，合理布置光伏方阵。在此基础上，建筑设计师可以从住宅屋顶、立面、阳台和住宅外遮阳板等方面着手，立足实际，因地制宜，选择合适的建筑材料并合理应用，推动光伏建筑一体化应用，从而践行绿色发展理念，推动生态文明建设。参考文献1 谭志昆.光伏建筑一体化光伏系统设计探讨J.建筑电气,2022,41(10):31-36.2 刘嘉懿,毕广宏,赵立华.广州办公建筑光伏建筑一体化遮阳百叶系统模拟研究J.建筑节能(中英文),2022,50(9):57-61.3 李旻泽.基于光伏特性的光伏建筑一体化景观设计策略研究:以中国(青海)太阳能光伏展示馆建设项目为例J.智能建筑与智慧城市,2022(9):121-123.4 刘恋平,刘虹霓.“双碳”背景下光伏建筑一体化发展前景J.华东科技,2022(9):57-59.5 余杰.光伏建筑一体化在建筑立面和屋顶的安装方法研究J.能源科技,2022,20(4):58-61,74.6 罗何鑫,肖锦,杨娟,等.光伏建筑一体化:西安思源学院教学楼改造J.光源与照明,2023(1):96-98.