裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設(shè)計

袁 磊，卓獻榮

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機電工程學(xué)院，廣州 510550）

屋頂起到保護房屋免受自然因素影響的作用。同時，屋頂也是一種文化，可以將某個地域、某個時代的建筑和文化的特色具體地展現(xiàn)出來[1]。屋頂空間的設(shè)計不僅僅影響到建筑結(jié)構(gòu)的完整性，也在一定程度上對于建筑文化的傳承和建筑形象的塑造起到關(guān)鍵性作用。因此，屋頂空間的設(shè)計具有非常重要的意義。

在對裝配式建筑加裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂空間進行設(shè)計時，要根據(jù)裝配式建筑和光伏系統(tǒng)各自的特性合理安排，合理的屋頂空間設(shè)計不僅對建筑物的形象美觀起著極其重要的作用，還能夠提高裝配式建筑屋頂光伏板的使用效率，節(jié)約資源，保護環(huán)境。

在鄉(xiāng)村振興等戰(zhàn)略的推動下，在裝配式建筑上裝載光伏發(fā)電這種建筑節(jié)能和新能源開發(fā)利用相結(jié)合的形式應(yīng)用于嶺南農(nóng)村建設(shè)，不僅能夠解決嶺南地區(qū)因夏季漫長而用電能耗巨大的問題，還能夠改善農(nóng)村居住環(huán)境，加快農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，加速鄉(xiāng)村振興步伐[2]。

1 裝配式建筑簡述

隨著建造方式的變革和工程建設(shè)的不斷發(fā)展、完善，工廠預(yù)制建筑部件在施工場地裝配成建筑的裝配式建筑形式得到廣泛應(yīng)用[3]。相較于傳統(tǒng)建筑，裝配式建筑能夠節(jié)約建造成本、降低建筑能耗、減少施工污染，提高建筑質(zhì)量和建造效率，進一步推進我國供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和城鎮(zhèn)化發(fā)展。為了推進建筑節(jié)能的高效發(fā)展，我國于近幾年大力探索與創(chuàng)新裝配式建筑技術(shù)，在政策與技術(shù)的扶持下，取得了可觀成果。但跟發(fā)達國家相比，我國裝配式建筑起步較晚，技術(shù)水平較低、成本管控方面也略有不足，處于相對落后階段。因此，作為現(xiàn)代建筑中前沿技術(shù)的裝配式建筑在我國不僅有很大的發(fā)展前景，還有漫長且艱巨的道路要走。

裝配式建筑有如下特點。

第一，在工廠車間生產(chǎn)加工完成內(nèi)外墻板、陽臺、樓梯和預(yù)制板等建筑部件，運輸至施工場地進行裝配。因其大部分部件都是制作好的裝配件，這將大大降低建筑和人工成本，減少現(xiàn)場澆筑的工作量，縮短建筑建造的工期，比傳統(tǒng)建筑模式具有更高的性價比。

第二，裝配式建筑在生產(chǎn)與施工過程比傳統(tǒng)建筑工藝有著更少的廢水和廢氣排放，能夠減少對環(huán)境的污染，也能在一定程度上降低建筑能耗，符合節(jié)能減排的理念和綠色建筑的要求。

第三，裝配式配件的設(shè)計遵循標(biāo)準(zhǔn)化原則，通過工廠車間的工業(yè)化、信息化生產(chǎn)，利用裝配化理念進行施工，降低了生產(chǎn)成本，提高了施工效率。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

2.1 技術(shù)原理

光伏發(fā)電是半導(dǎo)體光伏電池板界面吸收太陽光照，然后通過光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電技術(shù)。半導(dǎo)體表面在受到光照后經(jīng)過一系列的反應(yīng)產(chǎn)生帶電的光電子，光電子的離散現(xiàn)象促使電子進行移動形成電勢差進而產(chǎn)生電壓，成為太陽能電池[4]。將若干太陽能電池單體進行串、并聯(lián)連接，然后用封裝材料（EVA、POE 等）嚴(yán)密封裝和保護，再配以鋼化玻璃、功能背板、接線盒等部件形成太陽能電池組件。太陽能電池組件配合功率控制器使用就形成了光伏發(fā)電裝置。太陽能電池組件、控制器、逆變器和蓄電池（組）是光伏發(fā)電系統(tǒng)主要的組成部件，相關(guān)簡介如下。

太陽能電池組件：太陽能電池組件是光伏發(fā)電的核心部分，也叫作太陽能電池板和光伏組件，主要作用是促使太陽能轉(zhuǎn)化為電能供給負載使用或儲存在蓄電池中。電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率較高，具有很高的可靠性，該部分的質(zhì)量和成本直接決定光伏發(fā)電整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。目前，太陽能電池組件主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池3 類。

控制器：控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，全稱為太陽能充放電控制器，主要用來調(diào)控太陽能電池組件的電能輸出、負載的工作狀態(tài)及蓄電池（組）的充放電以確保光伏系統(tǒng)的正常、安全運行。

逆變器：逆變器的工作原理是通過控制電路來控制整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行，將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的交流電，以供交流負載的使用。

蓄電池（組）：其作用是將太陽能電池組件產(chǎn)生的電能儲存起來，在需要用電時進行放電使用，一般與控制器聯(lián)合使用，用來控制蓄電池（組）的充放電并起到保護作用，防止蓄電池（組）壽命受損。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

光伏發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)相比，有如下優(yōu)勢。

首先，太陽能資源非常豐富，廣泛分布在全球各處，只要存在光照，便有利用光伏發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電的可能。光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域繁多，建筑、畜牧、交通、海洋和沙漠等領(lǐng)域都與光伏發(fā)電系統(tǒng)有著很好地結(jié)合。

其次，太陽能安全、無污染、可再生。光伏發(fā)電過程不產(chǎn)生溫室氣體和廢氣、廢液等對環(huán)境有害的物質(zhì)。光伏組件可進行回收處理，避免造成污染。光伏發(fā)電與建筑結(jié)合能降低建筑能耗，滿足居民電能需求。

最后，光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安裝容易，對場地要求也不高，只要有光照，沙漠、海洋、建筑屋頂與立面空間等場地，均可安裝光伏系統(tǒng)進行發(fā)電。

3 裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設(shè)計的原則

3.1 人本性原則

以人為本是基礎(chǔ)，屋頂空間的設(shè)計主要是為滿足人們對于建筑空間使用的需求，以提供更好的居住體驗。在進行屋頂設(shè)計時要充分考慮到居民的行為習(xí)慣、心理需求，及其對于屋頂外觀造型、保溫隔熱等相關(guān)要素的要求，設(shè)計出滿足人們使用和審美相統(tǒng)一的建筑[5]。

3.2 實用性原則

在進行建筑屋頂空間設(shè)計時，使用合理的設(shè)計方法，提高屋頂空間的利用率，充分發(fā)揮屋頂空間的實用性能。

3.3 美觀性原則

在設(shè)計建筑屋頂空間時，不僅要滿足實用性原則，還要考慮添加一些美感的設(shè)計。處理好地方文化特色、自然環(huán)境及建筑風(fēng)格樣式等影響因素，建筑屋頂?shù)拿烙^性才能有所保障。

3.4 經(jīng)濟性原則

要充分考慮整體經(jīng)濟性原則，并善于利用新技術(shù)和新材料來提高使用效率和經(jīng)濟效應(yīng)，減少后期的管理與維修成本。

3.5 個性化原則

遵循個性化原則，應(yīng)做到在進行建筑空間設(shè)計時不能一概而論，要根據(jù)不同的使用對象對建筑空間的不同使用需求來進行個性化設(shè)計。

3.6 整體性原則

建筑屋頂空間形象對建筑整體的外部形象有著很大的影響作用。因此，在設(shè)計屋頂造型與藝術(shù)效果的同時，也需要考慮到與建筑主體的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[6]。建筑往往是與周圍環(huán)境一同存在的，并且會互相影響，所以要充分考慮建筑與環(huán)境的有機結(jié)合。

4 裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設(shè)計的要求

裝配式建筑屋頂?shù)目臻g設(shè)計是在完備的建筑屋頂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行的，因此，每一塊預(yù)制件都必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)，不僅要滿足基本的實用功能還要兼顧美觀性。此外，在安裝光伏發(fā)電組件后不能影響建筑本身承重、采光、通風(fēng)和防水等實用功能，還要在最大程度上提高空間利用率。

在裝配式建筑屋頂加裝光伏板需要滿足固定荷重和風(fēng)壓、雪壓、地震等荷載；同時，還要有足夠能力來承載光伏組件、支架、光伏線纜的重量及施工或維修人員、工具等臨時性活荷載。

裝配式民宅屋頂在預(yù)制時所選取的建筑材料要具有不易燃燒和能阻止火勢蔓延的性能。

農(nóng)村地區(qū)的屋頂消防措施也是必不可少的，但是需要兼顧實用性和經(jīng)濟性。

裝配式建筑屋頂加裝光伏板后要根據(jù)相關(guān)規(guī)定的要求來合理安裝防雷與接地系統(tǒng)。

在嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)裝配式建筑屋頂安裝的光伏板朝向最適宜為向南安裝，且需要根據(jù)場地的緯度來設(shè)計光伏板安裝的角度，這樣才能得到最多的太陽輻射和最高的發(fā)電量。合理地設(shè)計光伏板朝向和角度，可以最大程度上實現(xiàn)能源的超值利用。

要合理布置光伏導(dǎo)線，防止因布線的不合理造成故障，帶來危害。電纜線路的選擇及施工也都應(yīng)該嚴(yán)格遵循規(guī)范要求。

如果要將裝配式建筑加裝光伏板的屋頂空間作為居住空間來使用的話，要滿足建筑對于采光、通風(fēng)等基本要求，而且屋頂居住空間環(huán)境也要適宜，方便居住。

光伏板需與建筑屋面平行且有機結(jié)合，不得超出屋面外沿，光伏板最高點不得高過屋脊。

要確保光伏組件能夠正常且安全地運行，還要考慮到相關(guān)設(shè)備后期的保養(yǎng)與維修。要提前為鄉(xiāng)村規(guī)劃、水電增容等預(yù)留合適的空間[7]。

屋頂空間設(shè)計不應(yīng)只考慮到太陽能的利用，還應(yīng)該將雨水與植物等其他資源結(jié)合應(yīng)用。建筑屋頂?shù)木G化不僅可以提高建筑屋頂空間的利用率，還可以加強建筑的美觀性和提高生態(tài)效益[8]。而通過設(shè)計雨水循環(huán)系統(tǒng)將收集的雨水用來澆灌植物，可以有效節(jié)約和循環(huán)利用雨水資源，減少資源的浪費。在與其他資源結(jié)合利用時，要避免對建筑屋頂空間結(jié)構(gòu)造成破壞，也要避免對光伏系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

5 裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設(shè)計的影響因素

5.1 裝配式建筑與太陽能一體化程度的影響

在既有的裝配式建筑屋頂加裝光伏組件，所展現(xiàn)出的一體化程度并不高。真正想要做到裝配式建筑光伏一體化需要有效融合建筑材料與光伏發(fā)電的功能，將光伏組件作為建筑材料來使用[9]。因此，為了最大程度體現(xiàn)出裝配式建筑與光伏發(fā)電的優(yōu)勢，加強裝配式建筑與光伏一體化程度，要在新建裝配式建筑屋頂?shù)念A(yù)制時，要求其不僅具備光伏發(fā)電功能，還要滿足一般建筑材料對于防水性、安全性、美觀性等方面的要求。將光伏發(fā)電系統(tǒng)與裝配式建筑屋頂相結(jié)合，不僅可以充分利用裝配式建筑屋頂空間，還能極大地提高對于太陽能資源的利用，增加建筑屋頂功能的同時又添加了一些建筑美感。

5.2 建筑美學(xué)的影響

美學(xué)因素對建筑的設(shè)計有著很大的影響，建筑的設(shè)計不能脫離了建筑美學(xué)。建筑美由建筑功能美和建筑形式美所組成。建筑功能美著重體現(xiàn)在建筑的功能能夠滿足人物質(zhì)和精神的一般需求。形式美是功能美的外在形式，是動態(tài)的、不斷地發(fā)生變化的[10]。在建筑屋頂空間的設(shè)計時，要將功能美與形式美相統(tǒng)一，才能創(chuàng)造出具有藝術(shù)構(gòu)思與美學(xué)理念的高水平建筑作品。

5.3 人文及文化的影響

鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為文化的載體，承載著中國悠久歷史中無盡的人文文化底蘊。鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑也在濃厚文化氛圍的暈染下，具備了靈活多變的風(fēng)格和特色。鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑屋頂空間的設(shè)計也因此深受當(dāng)?shù)厝宋募拔幕滋N的影響[11]。因此，嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)裝配式民宅安裝光伏板屋頂空間的設(shè)計應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厝宋奶厣徒ㄖ幕瘍?nèi)涵，從而形成富有嶺南地域文化特點的建筑藝術(shù)。

5.4 鄉(xiāng)鎮(zhèn)環(huán)境的影響

環(huán)境因素對建筑的設(shè)計有著至關(guān)重要的作用，建筑的外形及功能都要考慮到環(huán)境的影響[12]。裝配式建筑構(gòu)件在預(yù)制時就要選擇具有合適性能的建筑材料以滿足環(huán)境對建筑的要求。裝配式建筑與周圍地形、綠化環(huán)境等自然因素的有效融合，不僅能夠提高建筑美觀性，也能進一步將建筑整體與周邊環(huán)境有機結(jié)合，達到一個和諧統(tǒng)一的效果。建筑的周邊環(huán)境也很重要，陰影的遮擋不僅會影響屋頂光伏的發(fā)電效率，也會嚴(yán)重影響光伏組件的壽命。因此，在光伏系統(tǒng)周邊區(qū)域避免有障礙物的存在。

總而言之，在嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)低層裝配式民宅加裝光伏板屋頂空間設(shè)計的過程中，要結(jié)合裝配式民居實際的建設(shè)情況，還需要考慮到周邊環(huán)境因素的干擾，并對嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)文化特色做到全面了解，才能夠與現(xiàn)有的建筑空間相融合，構(gòu)建出合理的屋頂空間設(shè)計[13]。

5.5 光伏組件的影響

光伏組件安裝不恰當(dāng)，可能會破壞屋頂?shù)姆浪Y(jié)構(gòu)，不僅造成一定的危害，也會對后期的養(yǎng)護和維修造成困難。因此，在裝配式建筑屋頂安裝光伏系統(tǒng)時，要謹慎安裝，避免造成破壞。此外，在滿足經(jīng)濟適用、美觀合理設(shè)計理念的基礎(chǔ)上，再對光伏立面進行一定的設(shè)計，不僅能夠提高屋頂空間利用率、增強光伏發(fā)電的效率，還能對建筑形象起到優(yōu)化作用[14]。

5.6 經(jīng)濟因素的影響

我國大部分鄉(xiāng)村經(jīng)濟水平都較為落后。在進行設(shè)計時，不僅要以適應(yīng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟水平為前提，還應(yīng)嚴(yán)格遵循建筑經(jīng)濟指標(biāo)的相關(guān)規(guī)范，做到不濫用高級建筑材料，也不因盲目節(jié)約而導(dǎo)致建筑實用功能的不合理。為了降低能耗和后期維護成本，需要在適用性和安全性條件下，合理選擇技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的屋頂空間設(shè)計方案[15]。善于利用新技術(shù)和新材料來提高使用效率和經(jīng)濟效益。

5.7 設(shè)計者自身因素的影響

設(shè)計者自身不僅需要有專業(yè)的學(xué)科知識和豐富的設(shè)計經(jīng)驗，還要具備較高的審美能力。要學(xué)習(xí)先進設(shè)計理念，敢于創(chuàng)新，敢于實踐，不斷地提高自身設(shè)計水平，設(shè)計出合理、安全、高性能的作品。

6 結(jié)束語

在“碳達峰”“碳中和”要求的時代背景下，實現(xiàn)裝配式建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)的有機結(jié)合是“雙碳”目標(biāo)能夠順利達成的重要方式之一。裝配式建筑加裝光伏板屋頂空間的設(shè)計對于提高建筑物的形象美觀和光伏板的使用效率都具有十分重要的意義。文章針對裝配式建筑屋頂空間設(shè)計進行深入分析和探討，提出相關(guān)原則、要求和影響因素，希望能通過裝配式建筑加裝光伏板屋頂空間的設(shè)計切實有效地降低建筑自身的能耗與碳排放量，提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟效益和社會效益，加快嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)向著具有嶺南特色的現(xiàn)代化新型城鎮(zhèn)前進的步伐。