光电建筑 | 设计前期建筑光伏系统安装面积快速估算方法
光电建筑 | 设计前期建筑光伏系统安装面积快速估算方法
鲁永飞、鞠晓磊等龙焱能源科技8月5日
“30·60”双碳目标提出后，发展绿色建筑，推动能源清洁，低碳高效安全利用将成为实现碳达峰、碳中和和任务目标的重要途径。光伏与建筑相结合是光伏应用中最重要领域之一，绿色建筑即以光伏为代表的清洁能源建筑应用迎来了快速的发展机遇期。结合工程实践，对不同类型建筑中光伏系统可安装部位进行研究，推导出光伏组件可安装面积的计算方法，为光伏建筑推广提供经济上的测算依据。
01不同建筑类型光伏组件可安装部位
工程应用中 , 建筑中可用于安装光伏组件的部位主要有屋面、立面墙、幕墙、遮阳构件等几个部位。除高层住宅外，其他类型的建筑屋顶部分一般遮挡较少，除了部分设备占地外，其余空间均适宜安装光伏系统。而立面安装，对于不同类型的建筑造型特点、使用功能需求等要求不同，立面中光伏系统安装的优先级也有区别。对常见类型的建筑立面安装光伏系统的可行性与优先级分析如下。
住宅建筑由于居住空间对于自然采光的要求较高，且建筑主要立面窗户较多，实墙面小而分散，安装光伏系统经济性低，不宜在立面安装光伏组件。
大型商业建筑建筑的采光主要靠内部照明，自然采光的重要性比住宅建筑要低一些，立面多为玻璃幕墙或大面积的实墙面，可利用这些立面资源安装光伏组件。
办公建筑中主要使用空间对采光要求较高，而辅助空间采光要求不高，这部分空间对应的墙面或幕墙可用于安装光伏组件；此外，办公建筑对遮阳有一定要求，可结合遮阳功能，设置外置光伏遮阳构件。
文化建筑中建筑形体整体性较强，立面元素较为规整，多为大面积墙面或玻璃幕墙；而室内采光主要靠电气照明解决，对自然采光的要求稍低，因此可充分利用立面资源安装光伏组件。综上分析，不同类型建筑适用的光伏构件安装部位如表 1 所示。
不同类型建筑的光伏组件安装部位
▲ 龙焱碲化镉薄膜光电建材应用案例
02不同建筑部位的光伏系统安装面积比例
坡屋面安装
1）坡屋面安装比例影响因素
坡屋面主要应用于低层住宅建筑，朝向以南北向为主，坡度在20°至35°之间。由于屋面北坡安装光伏系统效率过于低下，不建议安装。
2）安装面积比例
对于双坡屋面而言，仅南坡适合安装，约为屋面面积的50%；对于四坡屋面而言，优先考虑南坡，其次东、西坡也可以安装，安装面积约为屋面面积的70%。由于坡屋面与地面水平夹角的三角函数关系，坡度30°时，屋面面积约为水平投影面积的1.15倍，由于通常情况下屋面并不规整，高低错落，在进行屋面安装面积估算时，可按水平投影面积的60% 计算。
3）安装面积估算
根据控制性详细规划的相关指标进行估算时，可直接用建筑密度指标进行估算，即：可安装面积=建筑基底面积×60%= 用地面积×建筑密度×60%。
双屋面安装位置
四坡屋面安装位置
平屋面安装
1）平屋面安装比例影响因素
光伏系统与平屋面同时应用的工况主要存在于大型的商业、文化、医院等类型建筑中。在这些类型的建筑中安装光伏系统时，受到的因素影响主要包括以下几方面：
① 建筑设备对光伏系统安装规模造成的影响主要包括：设备系统自身占用面积、周围的安全距离、设备系统阴影遮挡三个方面，影响范围约为设备区域边界周边 2m 范围。
② 屋顶楼梯间及电梯机房 这些突出屋面的构筑物一般在4m以上，其阴影对建筑光伏系统的安装面积会造成损失，影响范围一般在4m左右。
③ 女儿墙 考虑到安装建筑光伏系统的检修需要，一般设置为上人屋面，女儿墙按1.5m考虑，其阴影范围为：南向女儿墙3m，东西向女儿墙2m。
④ 光伏系统检修通道平屋面安装光伏系统时，一般按光伏阵列进行布置，每行之间一般会留出检修通道，宽度在1.2m左右。
屋面光伏系统安装影响因素及安装范围示意
2）安装面积比例
综合考虑以上设备、楼梯间及电梯机房、女儿墙、光伏系统检修通道等因素的影响，平屋面安装光伏系统时，可安装面积按屋面面积的70%考虑。根据控制性详细规划的相关指标进行估算时，可直接用建筑密度指标进行估算，即：可安装面积=建筑基底面积×70%=用地面积×建筑密度×70%。
墙面安装
1）建筑外立面日照面积系数
为便于项目前期对光伏系统在立面安装规模的估算，课题组引入“建筑外立面日照面积系数”的概念，即能够接收太阳照射的立面全面积与建筑总建筑面积的比。在相同的建筑面积下，不同建筑形体的建筑立面面积不同，在常规大型公共建筑中，建筑进深方向一般不会低于20m，不会大于50m，且考虑到抗震需求，长宽比一般不超过 6。以标准层建筑面积2000㎡为例，相同建筑面积下，其平面形状变形范围为 44.7m×44.7m~20m×100m，即其平面周长为179m ~240m。
相同建筑面积（2000m2）下不同平面形状的边长
为避免西晒，建筑朝向绝大多数为南北向，由于北立面不适合安装光伏系统，去掉标准层北侧边长，则南、东、西各方向的边长之和在 130m~140m。大部分 公共建筑的建筑层高为 4m 左右，则标准层的南、东、西各立面面积之和的范围在130×4至140×4之间，即520~560m2 。则适合安装光伏系统的建筑外立面日照面积系数等于南东西各立面面积之和与总建筑面积之比，即单层各立面面积之和与标准层面积之比，即0.26~0.28，当标准层面积越小，比值越趋向较大值，故宜取 0.28。
2）墙面安装比例
① 开窗面积 对于非幕墙的公共建筑而言，南立面窗墙比一般在0.4~0.7；而东西墙为了减少西晒对建筑的影响，窗墙比一般在 0.2~0.6；综合考虑，非幕墙墙面的窗墙比约为0.5，可安装面积占立面面积的比例约为0.5。
公共建筑非幕墙立面安装范围示意
② 建筑遮挡 遮挡问题主要分为两种情况：一种为外部环境遮挡，主要是周围其他建筑的遮挡；另一种为建筑自身遮挡，主要是由于建筑造型需要的立面凹凸形成的遮挡。对新建的光伏建筑来说，方案阶段时考虑光伏组件的安装要求，均会尽力避免自身遮挡，因此主要的外部遮挡来自其他建筑遮挡。综合考虑日照间距、卫生间距对建筑日照的积极作用，可将遮挡因素造成的安装面积损失降低到20%, 即遮挡因子为0.2。
3）安装面积估算
综合以上影响因素，在大型商业建筑的墙面上用于建筑光伏的墙面面积约占所安装墙面面积比例为0.5×（1-0.2）=0.4。
根据控制性详细规划的相关指标进行估算时，可用容积率指标进行估算，即：墙面可安装面积= 用地面积× 容积率 × 立面日照面积系数（0.28）× 安装面积系数（0.4）。
▲龙焱碲化镉薄膜光电建材应用案例
光伏幕墙安装
1）幕墙安装影响因素
幕墙可广泛应用于各类公共建筑中，影响光伏幕墙安装面积的比例主要包括以下两个：
① 开启扇比例根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）3.2.8 条的规定，“甲类公共建筑外窗 ( 包括透光幕墙 )应设可开启窗扇，其有效通风换气面积不宜小于所在房间外墙面积的 10%”，通常情况下，开启扇面积多在20% 左右，则可安装光伏幕墙的比例为 80%。
幕墙开启扇示意图
② 遮挡情况 与墙面安装情况相同，幕墙安装同样受外部环境遮挡和自身遮挡两种情况的影响，根据经验值，遮挡因素造成的安装面积损失为 20%，遮挡因子为 0.2。
2）安装面积比例
考虑前述遮挡情况与开启扇比例，则单一立面的光伏组件安装面积系数为（1-0.2）×0.8=0.64。
根据控制性详细规划的相关指标进行估算时，可用容积率指标进行估算，即：墙面可安装面积= 用地面积 × 容积率 × 立面日照面积系数（0.28）× 安装面积系数（0.64）。
立面遮阳
1）光伏遮阳安装规模影响因素
立面遮阳主要应用于商业建筑、办公建筑、文化建筑中，起到发电作用的同时，还作为建筑立面的装饰元素。当作为光伏发电的载体时，立面遮阳主要采用水平遮阳的形式。出于建筑立面形象的需求，窗户、幕墙及水平遮阳板一般为通长设置，较少采用独立的窗上遮阳形式。当前市场主要光伏构件产品的尺寸多在900×1600 左右，出挑宽度利用光伏组件的短边，基本可以满足水平遮阳需求。水平遮阳的安装面积与所在立面面积的比值约为 23%。
▲龙焱碲化镉薄膜光电建材应用案例
2）遮挡情况
与墙面安装情况相同，幕墙安装同样受外部环境遮挡和自身遮挡两种情况的影响，根据经验值，遮挡因素造成的安装面积损失为 20%，遮挡因子为 0.2。
3）光伏遮阳安装比例
根据以上因素分析，墙面可安装光伏组件的面积最大比例为0.23×（1-0.2）=18%，根据控制性详细规划的相关指标进行估算时，可用容积率指标进行估算，即：墙面可安装面积 = 用地面积 × 容积率 × 立面日照面积系数（0.28）× 安装面积系数（0.18）。
▲龙焱碲化镉薄膜光电建材应用案例
03各类建筑光伏安装面积估算
建筑光伏安装面积估算公式
一栋建筑之中通常可以安装多种形式的光伏系统，根据以上对各部位安装面积比例的分析，总结出通用的安装面积估算公式，不同类型的建筑可根据自身的特点从中择取相应的安装部位进行估算。公式如下：
其中：
η屋面为屋面安装比例系数，坡屋面时为 0.6，平屋面时为 0.7；
S屋面为屋面面积，其值等于用地面积 × 建筑密度；
μi为分项系数，表示该种安装方式的墙面占南、东、西墙面总面积的比例，各项分项系数总和不大于 1；
η幕墙为幕墙安装比例系数，一般取 0.64；
S幕墙为幕墙安装立面面积，其值等于总建筑面积×立面日照表面系数，其中，总建筑面积 = 用地面积×容积率，立面日照表面系数取 0.28；
η遮阳为遮阳板安装面积比例系数，一般取 0.18；
S遮阳为遮阳安装立面面积，其值等于总建筑面积×立面日照表面系数，其中，总建筑面积 = 用地面积×容积率，立面日照表面系数取 0.28；
η墙面为墙面安装面积比例系数，一般取 0.4；
S墙面为安装墙面面积，其值等于总建筑面积×立面日照表面系数，其中，总建筑面积 = 用地面积×容积率，立面日照表面系数取 0.28。
住宅建筑
住宅建筑中，建筑光伏系统主要安装在坡屋面，故光伏系统面积估算为：S=η屋面 S 屋面 =0.6 S 用地 K
其中，K 表示控制性详细规划中用地的建筑密度。
商业建筑
大型商业建筑中，建筑立面形式多为干挂铝板、干挂石材、玻璃幕墙等形式，多数设置中庭采光，屋面多为平屋面，建筑光伏系统的安装方式主要有平屋面安装、光伏采光顶、光伏幕墙、光伏遮阳等形式。则商业建筑光伏系统安装面积估算为：
其中，K 表示控制性详细规划中用地的建筑密度；
V 表示控制性详细规划中用地的容积率；
β 表示建筑日照立面面积系数，取 0.28；
μi 表示该种安装方式的墙面占南、东、西墙面总面积的比例
办公建筑
办公建筑中，屋面多为平屋面，由于采光要求，一般不采用幕墙安装，建筑光伏系统的安装方式主要有平屋面安装、光伏墙面、光伏遮阳等形式。则办公建筑光伏系统安装面积估算为：
其中，K 表示控制性详细规划中用地的建筑密度；
V 表示控制性详细规划中用地的容积率；
β 表示建筑日照立面面积系数，取 0.28；
μi 表示该种安装方式的墙面占南、东、西墙面总面积的比例
文化建筑
文化建筑中，建筑光伏系统主要安装在平屋面、幕墙与遮阳板，该类型建筑光伏系统面积估算为：
其中，K 表示控制性详细规划中用地的建筑密度；
V 表示控制性详细规划中用地的容积率；
β 表示建筑日照立面面积系数，取 0.28；
μi 表示该种安装方式的墙面占南、东、西墙面总面积的比例。
作者：鲁永飞、鞠晓磊、张磊，国家住宅与居住环境工程技术研究中心。
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