张鑫

摘 要：随着社会的发展，大跨度空间结构比如网架、拱桁架等已被广泛应用于各大体育馆、车站等公共建筑，同时，太阳能作为绿色新能源也获得了极大发展和广泛应用。由此可见，将光伏发电技术应用于大跨度空间结构将会有更广阔的发展前景。以大跨度拱桁架结构为基础，将其与光伏发电技术相结合，并进行了建筑设计和性能研究，得到一些有益结论：由于大跨度空间结构的外表面积较大，使光伏发电技术有着较高的利用率；光伏与建筑的一体化可使建筑具有良好的经济效益。

关键词：光伏建筑一体化；钢拱桁架；体育馆；大跨度空间结构

中图分类号：TU18 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.066

城市大型公共建筑大多采用大跨度空间结构形式，属于建筑能源消耗的高密度领域。同时，公共建筑面积巨大的空间结构的屋顶和立面也非常适合作为太阳能利用载体。如果将光伏发电技术与大跨度建筑相结合，则可以实现较高的应用价值。本文将着重探讨光伏建筑一体化的应用，以城市中较常见的体育馆建筑为切入点，研究并设计适合光伏利用的大跨度体育馆建筑。

1 建筑光伏一体化的基本原理

太阳能光伏利用是太阳能开发利用中最重要的应用方式，具有以下优点：结构简单，体积小、重量轻；容易安装、运输，建设周期短；维护简单、使用方便；清洁、安全、无噪声；可靠性高、寿命长、应用范围广。但因太阳能的利用涉及多专业的综合，太阳能与建筑一体化仍处于起步阶段，特别是在大跨度结构中的应用很少。我国太阳能利用技术发展迅速，在一些大型公共建筑中应用了光伏发电技术。2008年，奥运会场馆之一的国家体育馆100 kWp并网光伏建成，如图1所示。“光伏建筑一体化（Building-integrated Photovoltaic）”概念在1991年正式提出。光伏发电技术与建筑一体化是将太阳能光电效应发电技术与建筑结构的建设结合在一起的综合体系。BIPV设计是综合各方面因素的过程，需考虑太阳能在建筑上应用时对建筑物造成的影响，还需考虑太阳能利用的系统选择、太阳能产品与建筑形体的有机结合、与工程和电路设计方面的结合。BIPV有诸多优点，它能有效利用建筑结构表面，无需占用土地；原地发电、就地使用和节省送电，可降低建筑自身全部或大部分的用电投资；供电可靠性高，对公共电网起到了一定的调峰作用。

2 BIPV和大跨度结构体系的研究

钢拱桁架大跨度空间结构具有安全、经济和适用性强的特点，且其造型美观、受力合理、用钢量少、能覆盖较大的空间，是目前大型公共建筑中常用的结构体系之一。为了使光伏屋顶在有限的建筑面积内输出更多的电能，采用曲面屋顶能使整个光伏屋顶的太阳辐射能吸收量达到最大。拱形屋面的弧度不但有利于电池板太阳能的吸收，还有利于雨水对电池板的冲刷，从而提高电池板表面的清洁度。

一般而言，光伏电池板安装设计时的水平倾角度为当地纬度±15°。倾斜15°的差异大约使总效率降低了5%，这样可使电池板在建筑上的布置更加灵活。以太原市为例，其纬度为37.78°，最佳倾角为纬度+5°，即42.78°。光伏板装设时的水平倾角度是当地纬度±15°，因此，太原市安装倾角在22.78°～52.78°是合适的。

3 BIPV体育馆设计

本体育馆设计方案为中型体育馆，位于太原市某高校内。建筑外形简洁，主入口设置在体育馆的北立面，东、西立面设置出、入口。屋面和南、北立面采用整体钢拱桁架结构，建筑高度由北向南逐渐降低，形成一定的坡度，结构倾角利于太阳能收集和排水。采用光伏弧形屋面，屋面中间部分采用透光电池板，东、西立面采用光电幕墙，图2为西立面透视图。体育馆建筑面积为 6 000 m2，固定座位4 000个，平面为75 m×57 m，场地尺寸为30 m×45 m。附属用房包括场馆运营管理用房、机房、地下储藏室和光伏发电控制室。

图1 国家体育馆光伏系统安装 图2 方案示意图

本体育馆屋面与南立面为一整体，具有较好的电池板工作条件，更适合大面积布置太阳能电池板。中间比赛场地正上方区域设采光顶，使用隐框双面玻璃光伏组件，夹层为非晶硅光伏电池，既能遮挡阳光直射，又能吸收部分太阳能用于发电。其他区域不考虑透光设计，布置发电效率较高的单晶硅太阳能电池板。

体育馆东、西立面采用垂直光伏幕墙，一方面，它是建筑的外围护结构，需要达到建筑美学的要求，并有遮风、挡雨和抵抗地震的能力；另一方面，由于它具有发电功能，需要保证在经历各种复杂气候环境时仍能正常工作。根据设计需要，可以用透明、半透明与普通透明玻璃结合使用，创造出不同的建筑立面和室内光影效果。屋顶和墙面的光电板直接吸收太阳能，可降低空调负荷、改善室内环境。

太原市全年每平方米太阳能总辐射能约为5 000 MJ，屋面共安装太阳能电池板约为3 900 m2，屋面光伏系统年发电量约为362 200 kW·h，东、西立面光伏系统年发电量约为54 900 kW·h，体育馆整体光伏系统年发电量约为417 100 kW·h。按最大功率275 kW考虑，光伏发电量可为体育馆提供1 516 h的电力供应。如果按并网光伏系统考虑，则在蓄电池充电充满的情况下，多余电力会并入电网。

4 结论

建筑能耗是能源消费构成的重要组成部分，而太阳能作为

一种清洁能源在建筑节能中的充分利用有着重要的意义。大跨度空间结构的外表面积较大，周围开阔，无其他建筑遮挡，更适合太阳能在建筑中的应用。钢拱桁架结构是大跨度空间结构中比较常用的形式，其拱形屋面有利于太阳能的吸收。BIPV体育馆建筑具有良好的经济性和复合型功能，该设计理念适合在未来城市建设中广泛使用。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕