大型公共建筑屋面太阳能技术的应用研究

随着我国能源匮乏与建筑高能耗矛盾的不断加剧，大型公共建筑的能耗已成为人们关注和研究的热点问题。特别是采用了空间结构的大型公建，由于其使用功能的特殊性，导致其能源消耗总量大、波动性大。如何利用建筑外表面积大、屋面开阔的特点，合理利用屋面空间，推广可再生能源的利用，实现太阳能建筑一体化，研究其意义重大，是未来建筑节能发展的必然趋势。 本文以研究太阳能技术在大型公共建筑中的应用为出发点，通过现场调研分析，将其应用归纳为：光热应用、光照明应用、光伏应用等三种应用方式；重点分析太阳能技术组合应用的可行性，提出应根据建筑内部实际需求，合理划分屋面不同应用太阳能接收载体的布置区域，最大限度利用屋面空间，提高太阳能利用效率。其中，光伏技术是未来太阳能技术发展的重点，以光伏应用与屋面的结合技术为主要研究对象展开分析。根据光伏方阵与屋面的结合程度，将其划分为分离式（BAPV）和合一式（BIPV）。从屋面光伏组件选择、光伏组件的布置、组件支承形式选择，以及系统结构设计四方面分析研究两类光伏屋面的体系结构及设计特点。结果表明BIPV式屋面一体化程度高，但体系个性大于共性，设计时应具体问题具体分析；BAPV式屋面的半独立性，在现有光伏技术基础上更利于保证屋面组件发电效率，通用性更高。 归纳BAPV式屋面的设计流程为：光伏组件选择→屋面组件排列→支架选型→支架结构设计。经过综合分析对比，提出光伏组件选择、排列及支架选型的优化方案。支架结构的优化设计，首先，根据不同规范标准的公式构成及计算结果分析，对屋面光伏支架设计风荷载标准值及荷载组合进行对比分析，提出建议使用的屋面光伏支架设计风荷载计算公式和荷载组合；其次，根据上述分析结果，运用Sap2000数值模拟软件对不同风荷载设计组合值情况下的光伏支架结构进行数值模拟分析，分析不同情况下各构件的挠度值，得出支架结构在不同工况下的作用规律，提出优化方案。综合上述结果，给出BAPV式屋面体系的优化设计方案，并结合工程实例，分析验证优化方案的实际可行性及优化效果。 以上海世博会中国主题馆光伏屋面体系为例，对其实际应用效果进行分析，结果表明该体系年发电量约为2.80×106度，理论上可满足建筑主体正常运转340天，且节能减排效果十分可观。因此，将光伏系统与建筑屋面的结合，对于大型公共建筑和社会都具有一定的应用价值和推广前景。