“30·60”雙碳目標提出后，發(fā)展綠色建筑，推動能源清潔，低碳高效安全利用將成為實現(xiàn)碳達峰、碳中和和任務目標的重要途徑。
光伏與建筑相結合是光伏應用中最重要領域之一，綠色建筑即以光伏為代表的清潔能源建筑應用迎來了快速的發(fā)展機遇期。
結合工程實踐，對不同類型建筑中光伏系統(tǒng)可安裝部位進行研究，推導出光伏組件可安裝面積的計算方法，為光伏建筑推廣提供經(jīng)濟上的測算依據(jù)。
工程應用中 , 建筑中可用于安裝光伏組件的部位主要有屋面、立面墻、幕墻、遮陽構件等幾個部位。
除高層住宅外，其他類型的建筑屋頂部分一般遮擋較少，除了部分設備占地外，其余空間均適宜安裝光伏系統(tǒng)。
而立面安裝，對于不同類型的建筑造型特點、使用功能需求等要求不同，立面中光伏系統(tǒng)安裝的優(yōu)先級也有區(qū)別。對常見類型的建筑立面安裝光伏系統(tǒng)的可行性與優(yōu)先級分析如下。
住宅建筑?由于居住空間對于自然采光的要求較高，且建筑主要立面窗戶較多，實墻面小而分散，安裝光伏系統(tǒng)經(jīng)濟性低，不宜在立面安裝光伏組件。?
大型商業(yè)建筑??建筑的采光主要靠內(nèi)部照明，自然采光的重要性比住宅建筑要低一些，立面多為玻璃幕墻或大面積的實墻面，可利用這些立面資源安裝光伏組件。
辦公建筑中??主要使用空間對采光要求較高，而輔助空間采光要求不高，這部分空間對應的墻面或幕墻可用于安裝光伏組件；此外，辦公建筑對遮陽有一定要求，可結合遮陽功能，設置外置光伏遮陽構件。
文化建筑中??建筑形體整體性較強，立面元素較為規(guī)整，多為大面積墻面或玻璃幕墻；而室內(nèi)采光主要靠電氣照明解決，對自然采光的要求稍低，因此可充分利用立面資源安裝光伏組件。綜上分析，不同類型建筑適用的光伏構件安裝部位如表 1 所示。
坡屋面主要應用于低層住宅建筑，朝向以南北向為主，坡度在20°至35°之間。由于屋面北坡安裝光伏系統(tǒng)效率過于低下，不建議安裝。
對于雙坡屋面而言，僅南坡適合安裝，約為屋面面積的50%；對于四坡屋面而言，優(yōu)先考慮南坡，其次東、西坡也可以安裝，安裝面積約為屋面面積的70%。
由于坡屋面與地面水平夾角的三角函數(shù)關系，坡度30°時，屋面面積約為水平投影面積的1.15倍，由于通常情況下屋面并不規(guī)整，高低錯落，在進行屋面安裝面積估算時，可按水平投影面積的60% 計算。
根據(jù)控制性詳細規(guī)劃的相關指標進行估算時，可直接用建筑密度指標進行估算，即：可安裝面積=建筑基底面積×60%= 用地面積×建筑密度×60%。
光伏系統(tǒng)與平屋面同時應用的工況主要存在于大型的商業(yè)、文化、醫(yī)院等類型建筑中。在這些類型的建筑中安裝光伏系統(tǒng)時，受到的因素影響主要包括以下幾方面：
① 建筑設備???對光伏系統(tǒng)安裝規(guī)模造成的影響主要包括：設備系統(tǒng)自身占用面積、周圍的安全距離、設備系統(tǒng)陰影遮擋三個方面，影響范圍約為設備區(qū)域邊界周邊 2m 范圍。
② 屋頂樓梯間及電梯機房???這些突出屋面的構筑物一般在4m以上，其陰影對建筑光伏系統(tǒng)的安裝面積會造成損失，影響范圍一般在4m左右。
③ 女兒墻???考慮到安裝建筑光伏系統(tǒng)的檢修需要，一般設置為上人屋面，女兒墻按1.5m考慮，其陰影范圍為：南向女兒墻3m，東西向女兒墻2m。
④ 光伏系統(tǒng)檢修通道???平屋面安裝光伏系統(tǒng)時，一般按光伏陣列進行布置，每行之間一般會留出檢修通道，寬度在1.2m左右。
屋面光伏系統(tǒng)安裝影響因素及安裝范圍示意
綜合考慮以上設備、樓梯間及電梯機房、女兒墻、光伏系統(tǒng)檢修通道等因素的影響，平屋面安裝光伏系統(tǒng)時，可安裝面積按屋面面積的70%考慮。
根據(jù)控制性詳細規(guī)劃的相關指標進行估算時，可直接用建筑密度指標進行估算，即：可安裝面積=建筑基底面積×70%=用地面積×建筑密度×70%。
為便于項目前期對光伏系統(tǒng)在立面安裝規(guī)模的估算，課題組引入“建筑外立面日照面積系數(shù)”的概念，即能夠接收太陽照射的立面全面積與建筑總建筑面積的比。
在相同的建筑面積下，不同建筑形體的建筑立面面積不同，在常規(guī)大型公共建筑中，建筑進深方向一般不會低于20m，不會大于50m，且考慮到抗震需求，長寬比一般不超過 6。
以標準層建筑面積2000㎡為例，相同建筑面積下，其平面形狀變形范圍為 44.7m×44.7m~20m×100m，即其平面周長為179m ~240m。
相同建筑面積（2000m2?）下不同平面形狀的邊長
為避免西曬，建筑朝向絕大多數(shù)為南北向，由于北立面不適合安裝光伏系統(tǒng)，去掉標準層北側(cè)邊長，則南、東、西各方向的邊長之和在 130m~140m。
大部分 公共建筑的建筑層高為 4m 左右，則標準層的南、東、西各立面面積之和的范圍在130×4至140×4之間，即520~560m2 。
則適合安裝光伏系統(tǒng)的建筑外立面日照面積系數(shù)等于南東西各立面面積之和與總建筑面積之比，即單層各立面面積之和與標準層面積之比，即0.26~0.28，當標準層面積越小，比值越趨向較大值，故宜取 0.28。
① 開窗面積???對于非幕墻的公共建筑而言，南立面窗墻比一般在0.4~0.7；而東西墻為了減少西曬對建筑的影響，窗墻比一般在 0.2~0.6；綜合考慮，非幕墻墻面的窗墻比約為0.5，可安裝面積占立面面積的比例約為0.5。
② 建筑遮擋? ?遮擋問題主要分為兩種情況：一種為外部環(huán)境遮擋，主要是周圍其他建筑的遮擋；另一種為建筑自身遮擋，主要是由于建筑造型需要的立面凹凸形成的遮擋。
對新建的光伏建筑來說，方案階段時考慮光伏組件的安裝要求，均會盡力避免自身遮擋，因此主要的外部遮擋來自其他建筑遮擋。
綜合考慮日照間距、衛(wèi)生間距對建筑日照的積極作用，可將遮擋因素造成的安裝面積損失降低到20%, 即遮擋因子為0.2。
綜合以上影響因素，在大型商業(yè)建筑的墻面上用于建筑光伏的墻面面積約占所安裝墻面面積比例為0.5×（1-0.2）=0.4。
根據(jù)控制性詳細規(guī)劃的相關指標進行估算時，可用容積率指標進行估算，即：墻面可安裝面積?= 用地面積× 容積率 × 立面日照面積系數(shù)（0.28）× 安裝面積系數(shù)（0.4）。
幕墻可廣泛應用于各類公共建筑中，影響光伏幕墻安裝面積的比例主要包括以下兩個：
① 開啟扇比例???根據(jù)《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2015）3.2.8 條的規(guī)定，“甲類公共建筑外窗 ( 包括透光幕墻 )應設可開啟窗扇，其有效通風換氣面積不宜小于所在房間外墻面積的 10%”，通常情況下，開啟扇面積多在20% 左右，則可安裝光伏幕墻的比例為 80%。
② 遮擋情況???與墻面安裝情況相同，幕墻安裝同樣受外部環(huán)境遮擋和自身遮擋兩種情況的影響，根據(jù)經(jīng)驗值，遮擋因素造成的安裝面積損失為 20%，遮擋因子為 0.2。
考慮前述遮擋情況與開啟扇比例，則單一立面的光伏組件安裝面積系數(shù)為（1-0.2）×0.8=0.64。
根據(jù)控制性詳細規(guī)劃的相關指標進行估算時，可用容積率指標進行估算，即：墻面可安裝面積?= 用地面積 × 容積率 × 立面日照面積系數(shù)（0.28）× 安裝面積系數(shù)（0.64）。
立面遮陽主要應用于商業(yè)建筑、辦公建筑、文化建筑中，起到發(fā)電作用的同時，還作為建筑立面的裝飾元素。
當作為光伏發(fā)電的載體時，立面遮陽主要采用水平遮陽的形式。
出于建筑立面形象的需求，窗戶、幕墻及水平遮陽板一般為通長設置，較少采用獨立的窗上遮陽形式。
當前市場主要光伏構件產(chǎn)品的尺寸多在900×1600 左右，出挑寬度利用光伏組件的短邊，基本可以滿足水平遮陽需求。
水平遮陽的安裝面積與所在立面面積的比值約為 23%。
與墻面安裝情況相同，幕墻安裝同樣受外部環(huán)境遮擋和自身遮擋兩種情況的影響，根據(jù)經(jīng)驗值，遮擋因素造成的安裝面積損失為 20%，遮擋因子為 0.2。
根據(jù)以上因素分析，墻面可安裝光伏組件的面積最大比例為?0.23×（1-0.2）=18%，根據(jù)控制性詳細規(guī)劃的相關指標進行估算時，可用容積率指標進行估算，即：墻面可安裝面積 = 用地面積 × 容積率 × 立面日照面積系數(shù)（0.28）× 安裝面積系數(shù)（0.18）。
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一棟建筑之中通?？梢园惭b多種形式的光伏系統(tǒng)，根據(jù)以上對各部位安裝面積比例的分析，總結出通用的安裝面積估算公式，不同類型的建筑可根據(jù)自身的特點從中擇取相應的安裝部位進行估算。公式如下：
η屋面?為屋面安裝比例系數(shù)，坡屋面時為 0.6，平屋面時為 0.7；
S屋面?為屋面面積，其值等于用地面積 × 建筑密度；
μi為分項系數(shù)，表示該種安裝方式的墻面占南、東、西墻面總面積的比例，各項分項系數(shù)總和不大于 1；
η幕墻?為幕墻安裝比例系數(shù)，一般取 0.64；
S幕墻?為幕墻安裝立面面積，其值等于總建筑面積×立面日照表面系數(shù)，其中，總建筑面積 = 用地面積×容積率，立面日照表面系數(shù)取 0.28；
η遮陽?為遮陽板安裝面積比例系數(shù)，一般取 0.18；
S遮陽?為遮陽安裝立面面積，其值等于總建筑面積×立面日照表面系數(shù)，其中，總建筑面積 = 用地面積×容積率，立面日照表面系數(shù)取 0.28；
η墻面?為墻面安裝面積比例系數(shù)，一般取 0.4；
S墻面?為安裝墻面面積，其值等于總建筑面積×立面日照表面系數(shù)，其中，總建筑面積 = 用地面積×容積率，立面日照表面系數(shù)取 0.28。
住宅建筑中，建筑光伏系統(tǒng)主要安裝在坡屋面，故光伏系統(tǒng)面積估算為：S=η屋面 S 屋面 =0.6 S 用地 K
其中，K 表示控制性詳細規(guī)劃中用地的建筑密度。
大型商業(yè)建筑中，建筑立面形式多為干掛鋁板、干掛石材、玻璃幕墻等形式，多數(shù)設置中庭采光，屋面多為平屋面，建筑光伏系統(tǒng)的安裝方式主要有平屋面安裝、光伏采光頂、光伏幕墻、光伏遮陽等形式。則商業(yè)建筑光伏系統(tǒng)安裝面積估算為：
其中，K 表示控制性詳細規(guī)劃中用地的建筑密度；
β 表示建筑日照立面面積系數(shù)，取 0.28；
μi 表示該種安裝方式的墻面占南、東、西墻面總面積的比例
辦公建筑中，屋面多為平屋面，由于采光要求，一般不采用幕墻安裝，建筑光伏系統(tǒng)的安裝方式主要有平屋面安裝、光伏墻面、光伏遮陽等形式。則辦公建筑光伏系統(tǒng)安裝面積估算為：
其中，K 表示控制性詳細規(guī)劃中用地的建筑密度；
β 表示建筑日照立面面積系數(shù)，取 0.28；
μi 表示該種安裝方式的墻面占南、東、西墻面總面積的比例
文化建筑中，建筑光伏系統(tǒng)主要安裝在平屋面、幕墻與遮陽板，該類型建筑光伏系統(tǒng)面積估算為：
其中，K 表示控制性詳細規(guī)劃中用地的建筑密度；
β 表示建筑日照立面面積系數(shù)，取 0.28；
μi 表示該種安裝方式的墻面占南、東、西墻面總面積的比例。
來源：國家住宅與居住環(huán)境工程技術研究中心，魯永飛、鞠曉磊、張磊
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