寒冷地区钢结构工业建筑与太阳能光伏一体化设计研究
发布时间：2020-07-15
摘要：根据前期的国内外调研报告,从设计和技术两个层面入手,归纳整理寒冷地区钢结构工业建筑与太阳能光伏一体化设计策略。在技术层面上,着重从安装方式与构造连接技术方面研究太阳能光伏与钢结构工业建筑墙面、屋面以及建筑构件(遮阳、雨篷等)的整合设计：在设计层面上,分别从建筑朝向选择、阴影及遮挡的避免、光伏组件的适配性选型、光伏安装倾角的确定、光伏组件的通风降温设计和色彩效果、肌理表现、透光性变化、美学设计手法等方面研究钢结构工业建筑与太阳能光伏一体化的高效性设计和美观性设计。
关键词：钢结构工业建筑;太阳能光伏系统;光伏组件;一体化设计
1、前言
太阳能是名副其实的清洁能源，利用太阳能发电，在可持续提供能源的同时，不排放温室气体及其有害物质，是推进建筑节能和治理大气污染的重要途径.我国有2/3以上覆盖的区域，年日照时数不小于2200h，具有良好的太阳能资源条件.为了充分利用我国得天独厚的太阳能资源，缓解电力紧张局面、改善能源结构、保护环境、减少污染.近年来，国家已陆续出台了相关的鼓励政策，推动太阳能发电产业.
2、钢结构住宅太阳能光伏一体化结合形式
钢结构工业建筑太阳能光伏一体化设计实质是利用建造于屋顶、向阳外墙面及附属场地的光伏组件，吸收太阳光辐射能量来发电.用户可选择“自发自用、余电上网”或“全额上网”的分布式发电模式，具备两大特征：一是发电设施位于用户附近;二是接入配电网并在当地消纳.其在工程具体应用上，主要有以下3种方式：至今，太阳能光热、光伏发电技术已基本成熟，并已实现大规模生产.而将太阳能发电技术融合于工业建筑建筑中，尚处于研究试点阶段.因此，国家在倡导绿色建筑、推进建筑产业化发展的同时，将太阳能发电技术融于绿色钢结构工业建筑建筑体系中，已成为发展低碳型城市的必然趋势.
1)新城市统筹钢结构工业建筑太阳能光伏屋顶.随着我国城镇化步伐的提速，一些传统的建造工艺正在消失，轻钢建筑作为环保、先进的结构体系，具有施工迅速、现场没有湿作业等优点，正在逐渐渗入市场，对新城市建设和翻新等工程具有非常重要的推动作用.国家在长期研究节能减排，以及环境污染的治理，以此为契机，大力发展新城市统筹轻钢装配式住宅，融合太阳能光伏发电技术，必将成为新城市建设的一大热点.这种统筹轻钢装配式工业建筑具有规整、统一的外界面，屋顶面积相对宽阔，将太阳能光伏组件安装于屋顶.具有以下优点：一是提升企业的建筑形象;二是比较容易统筹协调，有助于推进美丽城市建设.
2)轻钢结构别墅太阳能光伏屋顶.随着经济社会的快速发展及人们生活质量的提高，企业对厂房的品质要求不断提高，在城市和不少工业区陆续涌现了大量的装配式建筑.轻钢结构作为钢结构工业建筑体系的一种新兴建筑，由于自重轻、施工周期短、能实现灵活多变的造型，越来越受到大众的青睐.这种屋顶以双坡、多坡向屋顶居多，其南向屋顶接受太阳光辐射时间长，受热均匀.将太阳能光伏组件固定在屋顶支撑构件上或直接采用光伏复合屋面板，既可以实现将太阳能转换为电能，可以提升建筑的形象魅力，是未来工业建筑的主导结构趋势.
3)钢结构工业建筑太阳能光伏一体化.由于我国人多地少，资源缺乏，像工业园区、市政设施建筑这种建筑可能成为现代产业发展的主流，相比之下，单、多层工业建筑有着更广阔的市场前景.由于单、多层钢结构建筑承重结构件可以全部采用钢构件，施工速度快、结构自重轻，地基处理费用相对较低，经济性好.另外，钢结构适应大开间建筑，使得建筑物内部空间布置较灵活.这些优点无疑是其他常规建筑体系无法超越.因此，未来中国的钢结构建筑必将发展为现代工业的主导潮流.太阳能光伏发电技术应用在单、多层钢结构工业建筑中，主要有以下两种方式：即太阳能光伏屋顶和太阳能墙面.
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由于城市建筑屋顶单体可利用面积小，且存在较多难以利用的异形屋顶，有可能会导致发电量不足.因此，将高层钢结构工业建筑中的向阳外墙面充分利用起来，是切实可行的措施.将太阳能光伏组件安装在阳台之外，或安装太阳能光伏窗来实现发电，从而解决由于屋顶可用面积少而导致发电不足的问题.
3、钢结构住宅与太阳能光伏一体化设计构造
建在钢结构工业建筑之上的分布式太阳能光伏发电系统的应用前景十分广阔，因为这种发电系统可以实现将太阳能直接转换为电能，并且光伏组件与建筑钢构件的连接形式方便可靠.目前，按照与钢结构工业建筑围护结构的集合程度可分为两类：“建材型”和“安装型”.前者是指在建造工业建筑时利用将太阳能光伏材料与传统建筑材料复合而成的复合建材.这种复合型光伏建材兼具发电、建筑构件和建筑材料等功能于一体，作为建筑结构的功能部分，与建筑设计、施工和安装同时进行，并与建筑物形成完美结合的光伏发电系统.后者是指太阳能光伏发电系统额外的附着在建筑物之上，在钢结构施工完毕之后再通过安装固定的方式与钢构件相连接，与钢结构系统相互独立，其功能单纯是发电，与建筑功能不发生冲突，不破坏或削弱原有建筑物功能.这种结合设计方式技术相对成熟，已实现规模化生产，是当前绝大部分钢结构住宅建筑与太阳能光伏一体化结合的主要形式.
3.1选择位置
太阳能光伏电池组件应该安装在钢结构工业建筑外界面上阳光可以充分照射的位置，并确保在任何时间内不被遮挡，并且组件位置的选择，还应该符合各种建筑电气和防火规范的要求.因我国地处北半球，光伏组件安装时应选择为朝向南方，才能保证充足的阳光照射.对于钢结构工业建筑，选择组件的安装位置主要为屋顶和向阳墙面，少数还有太阳能光伏遮阳板、光伏雨蓬等.
3.2选择倾角
组件的倾角是指组件与水平地面之间所夹的角度，倾角的大小直接影响到光伏组件能接收到的太阳辐射量.因此，光伏组件的倾角确定至关重要.倾角的选择取决于诸多因素，如：建筑物所处的地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、负载供电要求和特定的场地条件等.对于含蓄电池的固定支架的独立光伏系统，在设计最佳安装倾角时，需要保证在阳光稀缺时系统供电充足，若在阳光稀缺季节，系统产生的电能够满足负载要求，那么这个安装倾角必然也能满足其他季节的用电要求;对于固定支架的并网系统，为了在一年内组件产出最大功率，组件的安装倾角应等于当地的纬度值.
3.3选择固定方式
3.3.1“安装型”太阳能光伏屋顶对于目前普遍采用的“安装型”光伏组件，在施工时可以使用各种金属紧固件、连接件等以螺栓或者焊接的方式安装在钢结构工业建筑上，能够方便地与钢结构的围护结构构件的安装与集成.
对于多、钢结构工业建筑，其屋面以平屋面居多，屋面材料多为钢筋混凝土屋面板或压型钢板混凝土组合屋面板，这种屋面较平整，可以灵活地布置光伏组件，且组件的倾斜角度可以根据需求做出调节，安装太阳能光伏组件时最常采用的固定方式为支架固定式连接，如图6、7所示.即将组件支架借助于螺栓和螺钉连接在固定于混凝土屋面板上的预埋承重支座(多为混凝土墩)上，或者组件依靠自身重量和附加重量(多为混凝土块)来定位固定，这两种连接方式是目前技术较成熟、成本相对较低、应用最广泛的方式，但在固定连接时尤其要解决好屋面板的防水处理，并且考虑到光伏组件的安装性和可靠性，要求光伏支架须满足基本性能要求：坚固牢靠，较好的耐腐蚀性，使用寿命长，支架需设有放置电线的槽轨，预防被雷击，目前常见的光伏支架多为组合钢支架和铝合金支架.
4、结束语
最后,遵循以上的一体化设计策略研究成果,以山东飞洋节能技术有限公司一期生产加工中心设计作为案例,根据场地条件进行建筑平面布局,并结合光伏组件选型进行建筑外观与安装构造一体化设计,然后借助计算机模拟软件对该建筑案例进行太阳辐射量分析、阴影分析、光伏安装倾角分析以及光伏阵列间距分析。根据模拟分析结果,确定无阴影遮挡的范围、光伏组件的最佳安装倾角以及合适的光伏阵列的前后间距,依据设计好的太阳能光伏系统,进行光伏系统能效与环境效益分析。为建筑师进行钢结构工业建筑与太阳能光伏一体化设计提供参考。——论文作者：沈建
