平房倉光伏建筑一體化設(shè)計探究

摘 要：在“雙碳”目標(biāo)下，糧食行業(yè)亦需踐行綠色儲糧方式。光伏建筑一體化技術(shù)可以有效利用太陽能資源，幫助建筑達到低碳減排的要求。為了探究糧倉建筑光伏一體化設(shè)計策略，以國內(nèi)主要儲糧倉型之一的平房倉建筑為例，分析其圍護結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射資源影響因素，并討論平房倉倉型屋面與立面光伏系統(tǒng)的安裝形式。此研究有助于推廣光伏技術(shù)在糧倉建筑中的應(yīng)用，減少糧食庫區(qū)的碳排放量，推進全國綠色糧倉的建設(shè)進程。

關(guān)鍵詞：平房倉；太陽能資源；光伏建筑

面對日益突出的全球性環(huán)境問題，國家提出了“雙碳”目標(biāo)的要求，踐行低碳減排策略已成為當(dāng)下社會可持續(xù)發(fā)展的趨勢。全國糧食標(biāo)準倉房完好倉容超7億噸，國有糧庫普遍應(yīng)用“四合一”儲糧技術(shù)，來保證儲糧周期內(nèi)的糧食安全，同時導(dǎo)致了噸糧總耗電量達到9.06千瓦時。在糧倉建筑中使用可再生能源替代化石能源是非常必要的。

光伏（PV）發(fā)電技術(shù)是一種成熟、高效、可持續(xù)的能源技術(shù)，光伏建筑一體化及規(guī)?；呀?jīng)在民用建筑中有所實踐，是建筑環(huán)境中重要的減碳途徑。糧食行業(yè)印發(fā)《糧食綠色倉儲提升行動方案（試行）》等文件，要求糧倉建筑根據(jù)所在區(qū)域的太陽能資源稟賦，選擇合理模式，建設(shè)或預(yù)留光伏發(fā)電設(shè)施，如倉頂太陽能光伏板，落實碳達峰、碳中和要求。但是目前對于糧食倉庫區(qū)內(nèi)儲糧倉型光伏建筑一體化設(shè)計的研究依舊缺乏。

平房倉是一種被大量使用的糧倉建筑倉型，曾作為主導(dǎo)倉型占建設(shè)總倉容的85%，探究平房倉建筑的光伏可安裝方式具有重要意義。首先調(diào)研圖紙資料，歸納平房倉的建筑特征、群體布局，以分析圍護結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射資源分布情況；然后結(jié)合當(dāng)下的光伏技術(shù)，分別討論平房倉立面與屋面光伏建筑一體化設(shè)計方案。以求為糧倉相關(guān)人員在低碳設(shè)計決策中提供參考，助力實際工程中的綠色糧倉建設(shè)。

一、光伏建筑一體化概況

光伏建筑一體化（BIPV）是把太陽能電池材料集成在建筑的屋面與墻面等圍護結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)換太陽輻射，提供給建筑物清潔電力的綠色生態(tài)建筑。

2023年，我國累計并網(wǎng)裝機容量超過600 GW，前三季度全國光伏發(fā)電量約4 369億千瓦時，光伏產(chǎn)業(yè)完整度、制造能力和市場占比均為世界第一。在產(chǎn)品效率方面，規(guī)模化生產(chǎn)的P型單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率已達到23.4%。光伏系統(tǒng)在建筑圍護結(jié)構(gòu)、公共空間中的創(chuàng)新應(yīng)用，擁有光明的發(fā)展前景。

光伏電池可分為晶體硅和薄膜兩類，需集成加工為光伏組件的形式使用。常用光伏組件均為規(guī)則的矩形，以晶硅電池為主，因其轉(zhuǎn)換率最高且技術(shù)成熟，在各類建筑中應(yīng)用廣泛。而光伏瓦片的形式，多應(yīng)用在坡屋頂上，與正常瓦片外觀相似，不會破壞原有建筑視覺風(fēng)貌。

光伏方陣經(jīng)由合理的設(shè)計，與平房倉的墻面、屋頂或構(gòu)筑物等集成在一起，可實現(xiàn)平房倉光伏建筑一體化設(shè)計。光伏系統(tǒng)通過支撐結(jié)構(gòu)附著在建筑外表面，支架與安裝基礎(chǔ)通過焊接或螺栓連接等方式錨固，以應(yīng)對氣候條件。但安裝時應(yīng)注意不破壞原有圍護結(jié)構(gòu)，因為糧倉建筑的氣密性和防水性是儲糧安全的關(guān)鍵因素。經(jīng)計算，光伏系統(tǒng)的自重荷載基本上不會對平房倉的結(jié)構(gòu)應(yīng)力造成影響。

二、平房倉表面的太陽輻射資源影響因素

平房倉與單層房屋類似，一般是排架結(jié)構(gòu)，由下部兩排柱子形成的連續(xù)空間及上面的屋架所組成，底層矩形盒子為儲糧空間，屋架起遮蔽作用。

（一）平房倉建筑表面的輻射條件狀況

典型平房倉案例幾何尺寸為長軸60 m，短軸24 m，建筑高度12 m左右，相對民用建筑，體形系數(shù)偏大，意味著單位占地面積下圍護結(jié)構(gòu)表面積值更大。建筑表面獲得的太陽輻射量不僅與面積相關(guān)，還受當(dāng)?shù)貙嶋H氣候條件與陰影遮擋因素的影響。

平房倉在全國31個省市自治區(qū)均有建設(shè)，而太陽輻射資源會隨著時間和地點的不同有所差異，由當(dāng)?shù)貧夂蚝偷乩砦恢盟鶝Q定。從地圖上自北到南選擇緯度間隔相近的六所城市，分別是哈爾濱、北京、鄭州、上海、廣州、三亞。經(jīng)查，2022年各地水平面總輻射量（單位kWh/m2）平均值分別為1 337.4、1 527.6、1 470.1、1 448.5、1 460.6、1 519.5，2021年水平面總輻射量（單位kWh/m2）平均值分別為1 294.2、1 405.9、1 269.4、1 251.7、1 256.0、1 503.0；最佳傾角為42°、38°、27°、26°、20°、15°，2022年輻射量（單位kWh/m2）為1 777.7、1 866.4、1 602.1、1 561.1、1 520.0、1 534.2?？砂l(fā)現(xiàn)：全部城市各自兩年內(nèi)的輻射量都不相同，水平面輻射量的多少與地理緯度關(guān)聯(lián)較弱，主要受氣候影響；緯度越高的城市，最佳傾角越大，輻射量會隨傾角變大。

國內(nèi)大部分糧倉位于北回歸線以北，所以北立面太陽輻射量普遍較小，光伏利用性差，暫不考慮。選用EneryPlus官網(wǎng)中的鄭州典型氣象年文件，經(jīng)軟件模擬得到水平面輻射量為1 299 kWh/m2，自東立面起順時針每旋轉(zhuǎn)30°的立面輻射量（單位kWh/m2）分別為586、702、812、920、986、967、841?？砂l(fā)現(xiàn)立面輻射量遠低于水平面，鄭州地區(qū)立面輻射量在南偏西方位達到最大。此地平房倉在南偏西朝向，屋面坡度接近27度時，可接受到最優(yōu)太陽輻射資源。

（二）平房倉建筑表面的陰影遮擋影響

平房倉所處的場地環(huán)境和建筑形體都可能對表面接受的太陽輻射造成陰影遮擋。

周邊環(huán)境與場地布置造成的遮擋影響包括相鄰建筑、周邊的構(gòu)筑物、草木等。糧食倉庫區(qū)內(nèi)建筑密度較低，不同倉型區(qū)域間有明確分隔，互不影響。平房倉區(qū)多是單體統(tǒng)一成列建設(shè)，大多數(shù)是南北朝向行列，規(guī)則整齊排列。因建筑高度相同，所以相鄰建筑屋面不會相互影響。對于墻體立面，南側(cè)墻體在民用建筑中是受毗鄰建筑影響最嚴重的。糧庫區(qū)道路規(guī)范為7—9 m，但倉體南北兩側(cè)需留有進出糧作業(yè)空間，通過多套圖紙總結(jié)，相鄰平房倉南北間距在15 m以上，當(dāng)前最先進的高大平房倉儲糧高度在10 m左右，則建筑高度約為15 m。以鄭州地區(qū)為例，測試立面為正南向15 m的正方形立面，南移15 m設(shè)置為障礙物，模擬結(jié)果（圖1）顯示：頂部2米不受影響，輻射量為900 kWh/m2；底部2米內(nèi)遮擋嚴重，輻射量為650 kWh/m2左右。東西兩立面情況相似，會受到相鄰建筑的遮擋，且與所處朝向角度有關(guān)，需結(jié)合實際項目考慮。園區(qū)內(nèi)因儲糧要求避免蟲鳥，較少有高大樹木。倉體周圍皆為硬質(zhì)鋪裝，草木遮擋較少，亦無其他構(gòu)筑物。

建筑自身造成的遮擋分為建筑形體自遮擋、突出物、構(gòu)件遮擋。坡屋頂屋脊會在北坡處形成部分自遮擋，所有屋頂均無構(gòu)件和突出體塊。至于立面，形體沒有任何凸起收縮變化，表面平整光滑，是標(biāo)準的矩形形體，但部分案例屋檐會挑出墻面，形成陰影；構(gòu)件有通往糧情檢測門的鋼梯；突出物有門檐、檐溝、柱子等。因為要承受糧食儲藏對墻體產(chǎn)生的高強度側(cè)向推力，采用的柱子縱向尺寸較大，多為400 mm×900 mm，墻體截面多為490 mm，實際案例中柱子大多會凸出墻面。

經(jīng)上述分析可看出，平房倉庫區(qū)蘊含豐富的太陽輻射資源，具備優(yōu)異的光伏系統(tǒng)安裝條件。

三、平房倉立面光伏建筑一體化設(shè)計策略

平房倉外部形狀分類主要是屋架形式的區(qū)別，可分為墻面和屋面兩種情況討論建筑一體化設(shè)計策略。不同于民用建筑光伏組件安裝時的美觀性要求，平房倉是儲存糧食的載體，使用者的審美需求及內(nèi)部人員向外的視線阻礙問題，可適當(dāng)舍棄。

立面由兩山墻面和兩長軸面組成，在墻體厚度和構(gòu)造材料上有所差異，但幾何形態(tài)固定。首先計算可安裝位置的影響因素。按照光伏系統(tǒng)25年使用年限計算，當(dāng)每年所接受輻射值超過450 kWh/m2時，具有生命周期發(fā)電經(jīng)濟效益，基于上節(jié)分析，平房倉立面輻射資源滿足要求。長軸墻面僅考慮南側(cè)，在其相鄰柱跨之間，離地面2米內(nèi)設(shè)置了倉體所需的大部分服務(wù)設(shè)備，如消火栓、充氮氣調(diào)系統(tǒng)、檢測取樣箱、通風(fēng)空調(diào)控制箱等及相連管道。儲糧高度基本在6 m以上，每個儲糧廒間內(nèi)對開兩扇進出糧大門（3 m×4.2 m）。屋架下2米以內(nèi)為人員工作空間，可設(shè)置糧情檢測門（0.8 m×1.8 m）供人員進出，每跨設(shè)一扇窗（1.2 m×1.2 m），供通風(fēng)所需，但常年為封閉狀態(tài)。不利于結(jié)合光伏的洞口及障礙物所占墻體表面比例極小。東西山墻面多不設(shè)置構(gòu)件，或設(shè)一帶有鋼梯爬升的糧情檢測門。總體來說，墻面具有較大的可安裝面積系數(shù)。

在光伏組件安裝方式方面，主要有平鋪式和傾斜式兩種。前者將光伏構(gòu)件通過支架以平行于建筑表面的方式覆蓋安裝，接受原建筑物表面的太陽輻射，二者之間留有空氣夾層，可進行通風(fēng)散熱以提高組件效率。可在滿足輻射閾值位置均勻鋪設(shè)。后者將光伏構(gòu)件通過支架以與建筑表面成一定夾角的方式安裝，呈傾斜面以接受太陽輻射，有橫向傾角和縱向傾角形式。若賦予可伸縮和旋轉(zhuǎn)支架，手動或跟蹤式調(diào)節(jié)傾斜角度，即可調(diào)節(jié)式光伏系統(tǒng)，光伏組件對應(yīng)實時太陽空間位置，以最優(yōu)方位接受太陽輻射?？稍跐M足輻射閾值位置傾斜鋪設(shè)，但組件間相互遮擋嚴重，需結(jié)合實際評估留出適當(dāng)間距（圖2）。

四、平房倉屋面光伏建筑一體化設(shè)計策略

平房倉屋面種類按構(gòu)造分為折線形屋架、彩板屋蓋、門式鋼架、拱板屋蓋、雙坡板架、拱形倉、薄殼倉和雙T板屋蓋。目前建造和使用的屋架幾何形態(tài)主要有平屋頂、坡屋頂、折線形屋頂和拱形屋頂。

平屋頂屋面具有完整的光伏可安裝面積?，F(xiàn)有光伏技術(shù)下，平面光伏組件可承受人員行走荷載，不需留設(shè)人工檢測通道，平鋪式安裝可均勻鋪設(shè)。由于中國處于北半球，傾斜式光伏組件應(yīng)以南向行列式布置，組件會前后遮擋，需留出間距來避免資源浪費，還應(yīng)滿足人工檢測通道的寬度。糧食出入庫時會產(chǎn)生大量塵土，傾角還有助于雨水沖刷組件表面的灰塵。將屋面以整體傾斜式安裝，形態(tài)如新設(shè)單坡屋架，在其上安裝光伏組件，不僅避免了組件間的遮擋，還增大了安裝面積與輻射量。

坡屋頂、折線形屋頂、拱形屋頂有相似的安裝情況。平房倉屋架坡度大多在1∶5以內(nèi)，南坡屋頂皆可安裝，北坡屋頂受屋脊影響程度不大，基本具有整體屋面的光伏可安裝面積。三類屋頂可沿著自身形態(tài)變化平鋪式安裝光伏組件或光伏瓦片，呈一定傾角接受太陽輻射，因為屋面占倉房總透入熱量的2/3以上，還可起到類似雙層屋頂?shù)恼陉栃Ч?，改善倉內(nèi)儲糧熱環(huán)境。坡屋頂屋面具有一定的傾斜角度，采用傾斜式安裝時，前、后掛件需采用不同高度，以達到最佳傾角，但需要留出檢修間距。折線形屋頂有兩段不同的坡度，N5XFaBmW4yTcyUWyjlF/fA==拱形屋頂?shù)那蕰粩嘧兓瑑A斜式安裝計算相對復(fù)雜。三類屋頂北坡都不適宜傾斜式安裝，以平鋪方式為佳，或另設(shè)置屋架將傾斜面提升至平面處安裝。

現(xiàn)有平房倉結(jié)合光伏案例都是在屋頂安裝：2016年保定市某糧食儲備庫在22個平房倉屋頂與2個鐵路罩棚上，貼合平鋪安裝容量4 MW的多晶硅光伏組件，年發(fā)電量約為45萬千瓦時。浙江杭州某糧食倉庫區(qū)在平房倉倉頂上安裝1 748塊24 W P型單晶硅光伏陶瓷瓦，經(jīng)模擬11棟平房倉首年可發(fā)電47.9萬千瓦時。

五、結(jié)語

糧食儲存過程中存在大量的能源消耗，開發(fā)利用平房倉庫區(qū)的太陽能資源能夠推動綠色糧倉的營建，助力“雙碳”行動。分析平房倉表面的太陽輻射資源影響因素，發(fā)現(xiàn)其表面擁有優(yōu)良的光伏安裝條件，然后對其立面和屋面的光伏安裝可能性進行探討，明晰了平房倉圍護結(jié)構(gòu)表面的光伏一體化設(shè)計策略。此研究有助于提高平房倉的能源自給能力，并為進一步研究糧食倉庫區(qū)的建筑光伏利用潛力評估打下基礎(chǔ)。

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作者簡介：

方相魁，河南工業(yè)大學(xué)碩士研究生。研究方向：建筑技術(shù)科學(xué)。

張華（通訊作者），博士，河南工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向：綠色建筑設(shè)計和太陽能建筑設(shè)計。