首都博物馆新馆300kW太阳能光伏系统工程设计要点

摘 要:本文分析了首都博物馆300kW太阳能光伏系统工程设计中的安装和并网的技术要点,最终达到了建筑与太阳能光伏系统的系统集成。

摘 要:本文分析了首都博物馆300kW太阳能光伏系统工程设计中的安装并网的技术要点,最终达到了建筑与太阳能光伏系统的系统集成。

关键词:绿色建筑、太阳能光伏发电系统、并网

 首都博物馆新馆300kW太阳能光伏系统工程设计要点

首博新馆作为北京的标志性建筑物,是市政府奥运工程配套项目中的重点工程。为了更好地将建筑与艺术、建筑与高新技术相结合,配合北京2008年奥运会,突出“绿色北京、绿色奥运”理念,努力创造绿色、环保、节能城市整体形象,在市领导和有关部门的支持下,根据大平顶、大挑檐结构的建筑屋顶设计,在首博新馆屋顶的平面部分安装了5000平方米的太阳能光伏发电装置,峰值发电量达到了300kW。使中国太阳能光伏发电工程中单体建筑发电量达到了国际先进水平。首博新馆也成为集节能、环保与高科技为一体的、充满现代气息的博物馆,具体形象地表现了太阳能资源的利用,以求“可持续发展”的教育示范作用。

绿色建筑与新能源的产能率

    四十年前,美国籍意大利建筑师保罗?索勒瑞首次把生态学和建筑学两个单词合并为“arology”,提出了“绿色建筑”的概念。以后出现的“石油危机”让人类认识到,牺牲环境的发展是不可能持久的。1992年6月在斯德哥尔摩的第一次人类环境会议上发表了著名的《人类环境宣言》,提出了“人类只有一个地球”。从此,什么是绿色建筑?如何改善生存环境、降低能源消耗?逐步成为建筑设计所面临的首要任务。

    目前,全球建筑物自身能耗约占世界总能耗的三分之一左右。因此,建筑应该是主要的节能领域。我国建设部在2004年8月27日的《全国绿色建筑创新奖管理办法》中更加明确定义了“绿色建筑是指为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和活动的空间,同时实现高效率地利用资源(节能、节地、节水、节材),最低限度地影响环境的建筑物”。把建筑智能化视作绿色建筑的技术手段,节能技术成了发展建筑行业的先导。

    绿色建筑的内涵非常丰富,包括了节水、节能、材料和构件的重复利用、太阳能等可再生能源的利用,甚至还包含了建筑选址和室内环境。但是,其核心是有利于节约能源、有利于保护生态环境,减少对地球资源与环境的破坏。在世界各国的绿色建筑评估体系中,也都把对环境的负荷、有效利用可再生能源作为重要的评分项目。

    建筑节能实质上包含了如何最大限度地减少能量浪费,和拓展新型可再生能源的利用两大方面。然而在工程实践中,存在着一种建筑节能的表面化现象,即简单地以能量和能耗费用作为衡量节能的标志。全地球的能源是一个大系统。我们追求的是对全人类而言的总能源的节约。只看建筑运行的一次能耗形式,不考虑这种能耗形式在制造以及转换过程的总能耗,那就违背了绿色建筑的初衷。譬如,冰蓄冷技术。不仅在它的设备制造中材料提炼、加工需要能耗,在其运行中由电到冰、由冰到冷的能量转换过程中都存在着能耗。因而,表面的舒缓高峰电力和电费开支的多少,并不意味着资源消耗的节省。再有,任何新型能源形式的采用都会有一个消耗多少能量、产出多少能量的比率问题。在太阳能、风能的利用中,只看投资和产出的能量,不研究相关设备设施所消耗的能量,也是不正确的。

    新型能源形式的引进是节能的主流。但正像所有的生产都需要考虑投入产出一样,太阳能光伏发电系统在生产制造过程中,无论是与发电板相关的硅晶体、钢材或玻璃的冶炼,以及其他相关逆变器等各种零部件的生产加工,都需要消耗一定的材料和能量。这些预先消耗的能量,与建成以后产出的能量之比,是值得考虑的大问题。例如,目前有一些晶体太阳能光伏发电系统的技术水平很低级,生产中消耗的电能需要产出的太阳能板发电19年才能够补偿。而它的实际运行生存周期不到20年!显然是得不偿失。而某些太阳能光伏发电系统只需要发电7年就能够补偿生产建设过程的所有能耗。可见,即使是采用新型可持续发展能源,也应该考虑产能技术与产能效率问题。

    我国从上世纪80年代开始实验被动太阳能的热利用。然而,被动太阳能利用只是简单地直接转换为生活用水的加温,停留在低水平应用层。它与智能化系统也没有发生什么关系。而太阳能发电技术这个典型的主动型潜在节能形式,将会对建筑智能化系统提出更高、更深的技术要求,特别是要求智能化系统深化与供能设备、发电设备的系统集成,保证整个建筑内外电力的调配和平衡。

太阳能光伏系统的工程风险

    建筑是建筑技术与艺术的结晶,体现了特定的文化理念。在建筑中应用高新技术必须服从建筑的整体设计理念。

    首博新馆不是为建设太阳能系统盖一个建筑,而且原来首都博物馆新馆建设任务书中也并没有提出安装太阳能系统的要求。因此,建筑设计和结构设计理所当然地没有考虑屋面上再架设太阳能电池板的结构与荷载,根本没有设计安装太阳能电池板的支架接点问题。从建筑外观、造型的角度,自然不希望在屋面上再加出一层太阳能屋面。因此,太阳能光伏发电系统的结构形式如何服从首博新馆建筑的整体设计理念、符合首博新馆屋顶结构设计等各种条件要求,是首博太阳能光伏发电系统工程设计所必须面对的首要问题。原则就是太阳能光伏发电系统的安装不能破坏首博新馆建筑造型,不能破坏装饰性屋面轻盈、通透的艺术风格,不能造成结构的重新返工。

    太阳能工程必须保证建筑物的安全。太阳能系统不仅仅要保证自身系统的安全可靠,同时要确保建筑的安全可靠。那就必须考虑安装条件、安装方式和安装强度。包括太阳能光伏电池板在屋面安装时对屋面负荷的影响问题,特别是太阳能电池板自身载荷和抗风能力、抗冰雹冲击等工程应用问题。

    其中,太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是最大的工程风险。如何解决太阳能光伏发电板在屋面安装时对屋面负荷、造型的影响等问题,一直是建设首博太阳能光伏发电系统的核心问题。工程要保证能够成功地满足功能要求,不能够出事故。尤其不能够出重大事故。一旦刮下一片太阳能玻璃板就会酿成大祸,甚至闹出人命!

    以往的太阳能组件安装通常采用平架或者斜撑架安装方式。这种安装方式不仅会破坏建筑物的完整性和建筑外观造型,而且对屋面防水存在不利影响。特别是需要屋面承受空气层流所产生的巨大风力。

主要城市  北京 上海   天津  济南  杭州 广州 
风压kg /m 2  35  50  35  40  60  50

表1  我国主要城市风压表

    根据气象资料,通过中国海平面的30年一遇的10分钟平均风速统计值,可以得到若干城市的风压系数,再结合陆上建筑不同高度的风压值与海平面风压之间的风压高度系数KH,就可以计算出单位面积建筑屋面的风压值。

离海平面主度m   10  20  30 40  50 
陆上风压系数KH  1  1.25  1.41  1.54  1.63

表2  陆上风压系数表

    当然,不同的建筑屋面形态和结构所产生的空气层流作用是各不相同的。为了检测首都博物馆新馆屋面的空气动力学特性,特地委托北京大学进行了专门的风洞试验。按照风洞试验的数据推算,实验报告认定:首都博物馆新馆“屋面的空气层流会产生上下表面压力代数和-2.2以上。”

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