“30·60”雙碳目标提出後，發展綠色建築，推動能源清潔，低(dī)碳高(gāo)效安全利用将成為(wèi)實現碳達峰、碳中和(hé)和(hé)任務目标的重要途徑。光伏與建築相結合是光伏應用中最重要領域之一，綠色建築即以光伏為(wèi)代表的清潔能源建築應用迎來(lái)了快速的發展機遇期。結合工程實踐，對不同類型建築中光伏系統可(kě)安裝部位進行(xíng)研究，推導出光伏組件可(kě)安裝面積的計(jì)算(suàn)方法，為(wèi)光伏建築推廣提供經濟上(shàng)的測算(suàn)依據。

01、不同建築類型光伏組件可(kě)安裝部位

工程應用中 , 建築中可(kě)用于安裝光伏組件的部位主要有(yǒu)屋面、立面牆、幕牆、遮陽構件等幾個(gè)部位。除高(gāo)層住宅外，其他類型的建築屋頂部分一般遮擋較少(shǎo)，除了部分設備占地外，其餘空(kōng)間(jiān)均适宜安裝光伏系統。而立面安裝，對于不同類型的建築造型特點、使用功能需求等要求不同，立面中光伏系統安裝的優先級也有(yǒu)區(qū)别。對常見類型的建築立面安裝光伏系統的可(kě)行(xíng)性與優先級分析如下。

住宅建築 由于居住空(kōng)間(jiān)對于自然采光的要求較高(gāo)，且建築主要立面窗戶較多(duō)，實牆面小(xiǎo)而分散，安裝光伏系統經濟性低(dī)，不宜在立面安裝光伏組件。 

大(dà)型商業建築  建築的采光主要靠內(nèi)部照明(míng)，自然采光的重要性比住宅建築要低(dī)一些(xiē)，立面多(duō)為(wèi)玻璃幕牆或大(dà)面積的實牆面，可(kě)利用這些(xiē)立面資源安裝光伏組件。

辦公建築中  主要使用空(kōng)間(jiān)對采光要求較高(gāo)，而輔助空(kōng)間(jiān)采光要求不高(gāo)，這部分空(kōng)間(jiān)對應的牆面或幕牆可(kě)用于安裝光伏組件；此外，辦公建築對遮陽有(yǒu)一定要求，可(kě)結合遮陽功能，設置外置光伏遮陽構件。

文化建築中  建築形體(tǐ)整體(tǐ)性較強，立面元素較為(wèi)規整，多(duō)為(wèi)大(dà)面積牆面或玻璃幕牆；而室內(nèi)采光主要靠電(diàn)氣照明(míng)解決，對自然采光的要求稍低(dī)，因此可(kě)充分利用立面資源安裝光伏組件。綜上(shàng)分析，不同類型建築适用的光伏構件安裝部位如表 1 所示。

不同類型建築的光伏組件安裝部位

02、不同建築部位的光伏系統安裝面積比例

坡屋面安裝

1）坡屋面安裝比例影(yǐng)響因素

坡屋面主要應用于低(dī)層住宅建築，朝向以南北向為(wèi)主，坡度在20°至35°之間(jiān)。由于屋面北坡安裝光伏系統效率過于低(dī)下，不建議安裝。

2）安裝面積比例

對于雙坡屋面而言，僅南坡适合安裝，約為(wèi)屋面面積的50%；對于四坡屋面而言，優先考慮南坡，其次東、西坡也可(kě)以安裝，安裝面積約為(wèi)屋面面積的70%。由于坡屋面與地面水(shuǐ)平夾角的三角函數(shù)關系，坡度30°時(shí)，屋面面積約為(wèi)水(shuǐ)平投影(yǐng)面積的1.15倍，由于通(tōng)常情況下屋面并不規整，高(gāo)低(dī)錯落，在進行(xíng)屋面安裝面積估算(suàn)時(shí)，可(kě)按水(shuǐ)平投影(yǐng)面積的60% 計(jì)算(suàn)。

3）安裝面積估算(suàn)

根據控制(zhì)性詳細規劃的相關指标進行(xíng)估算(suàn)時(shí)，可(kě)直接用建築密度指标進行(xíng)估算(suàn)，即：可(kě)安裝面積=建築基底面積×60%= 用地面積×建築密度×60%。

雙屋面安裝位置

四坡屋面安裝位置

平屋面安裝

1）平屋面安裝比例影(yǐng)響因素

光伏系統與平屋面同時(shí)應用的工況主要存在于大(dà)型的商業、文化、醫(yī)院等類型建築中。在這些(xiē)類型的建築中安裝光伏系統時(shí)，受到的因素影(yǐng)響主要包括以下幾方面：

① 建築設備   對光伏系統安裝規模造成的影(yǐng)響主要包括：設備系統自身占用面積、周圍的安全距離、設備系統陰影(yǐng)遮擋三個(gè)方面，影(yǐng)響範圍約為(wèi)設備區(qū)域邊界周邊 2m 範圍。
② 屋頂樓梯間(jiān)及電(diàn)梯機房(fáng)   這些(xiē)突出屋面的構築物一般在4m以上(shàng)，其陰影(yǐng)對建築光伏系統的安裝面積會(huì)造成損失，影(yǐng)響範圍一般在4m左右。
③ 女兒牆   考慮到安裝建築光伏系統的檢修需要，一般設置為(wèi)上(shàng)人(rén)屋面，女兒牆按1.5m考慮，其陰影(yǐng)範圍為(wèi)：南向女兒牆3m，東西向女兒牆2m。
④ 光伏系統檢修通(tōng)道(dào)   平屋面安裝光伏系統時(shí)，一般按光伏陣列進行(xíng)布置，每行(xíng)之間(jiān)一般會(huì)留出檢修通(tōng)道(dào)，寬度在1.2m左右。

屋面光伏系統安裝影(yǐng)響因素及安裝範圍示意

2）安裝面積比例

綜合考慮以上(shàng)設備、樓梯間(jiān)及電(diàn)梯機房(fáng)、女兒牆、光伏系統檢修通(tōng)道(dào)等因素的影(yǐng)響，平屋面安裝光伏系統時(shí)，可(kě)安裝面積按屋面面積的70%考慮。根據控制(zhì)性詳細規劃的相關指标進行(xíng)估算(suàn)時(shí)，可(kě)直接用建築密度指标進行(xíng)估算(suàn)，即：可(kě)安裝面積=建築基底面積×70%=用地面積×建築密度×70%。

牆面安裝

1）建築外立面日照面積系數(shù)

為(wèi)便于項目前期對光伏系統在立面安裝規模的估算(suàn)，課題組引入“建築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築總建築面積的比。在相同的建築面積下，不同建築形體(tǐ)的建築立面面積不同，在常規大(dà)型公共建築中，建築進深方向一般不會(huì)低(dī)于20m，不會(huì)大(dà)于50m，且考慮到抗震需求，長寬比一般不超過 6。以标準層建築面積2000㎡為(wèi)例，相同建築面積下，其平面形狀變形範圍為(wèi) 44.7m×44.7m~20m×100m，即其平面周長為(wèi)179m ~240m。

相同建築面積（2000m2 ）下不同平面形狀的邊長

為(wèi)避免西曬，建築朝向絕大(dà)多(duō)數(shù)為(wèi)南北向，由于北立面不适合安裝光伏系統，去掉标準層北側邊長，則南、東、西各方向的邊長之和(hé)在 130m~140m。大(dà)部分 公共建築的建築層高(gāo)為(wèi) 4m 左右，則标準層的南、東、西各立面面積之和(hé)的範圍在130×4至140×4之間(jiān)，即520~560m2 。則适合安裝光伏系統的建築外立面日照面積系數(shù)等于南東西各立面面積之和(hé)與總建築面積之比，即單層各立面面積之和(hé)與标準層面積之比，即0.26~0.28，當标準層面積越小(xiǎo)，比值越趨向較大(dà)值，故宜取 0.28。

2）牆面安裝比例

① 開(kāi)窗面積   對于非幕牆的公共建築而言，南立面窗牆比一般在0.4~0.7；而東西牆為(wèi)了減少(shǎo)西曬對建築的影(yǐng)響，窗牆比一般在 0.2~0.6；綜合考慮，非幕牆牆面的窗牆比約為(wèi)0.5，可(kě)安裝面積占立面面積的比例約為(wèi)0.5。

公共建築非幕牆立面安裝範圍示意

② 建築遮擋   遮擋問題主要分為(wèi)兩種情況：一種為(wèi)外部環境遮擋，主要是周圍其他建築的遮擋；另一種為(wèi)建築自身遮擋，主要是由于建築造型需要的立面凹凸形成的遮擋。對新建的光伏建築來(lái)說，方案階段時(shí)考慮光伏組件的安裝要求，均會(huì)盡力避免自身遮擋，因此主要的外部遮擋來(lái)自其他建築遮擋。綜合考慮日照間(jiān)距、衛生(shēng)間(jiān)距對建築日照的積極作(zuò)用，可(kě)将遮擋因素造成的安裝面積損失降低(dī)到20%, 即遮擋因子為(wèi)0.2。

3）安裝面積估算(suàn)

綜合以上(shàng)影(yǐng)響因素，在大(dà)型商業建築的牆面上(shàng)用于建築光伏的牆面面積約占所安裝牆面面積比例為(wèi)0.5×（1-0.2）=0.4。

根據控制(zhì)性詳細規劃的相關指标進行(xíng)估算(suàn)時(shí)，可(kě)用容積率指标進行(xíng)估算(suàn)，即：牆面可(kě)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）。
光伏幕牆安裝

1）幕牆安裝影(yǐng)響因素

幕牆可(kě)廣泛應用于各類公共建築中，影(yǐng)響光伏幕牆安裝面積的比例主要包括以下兩個(gè)：

① 開(kāi)啓扇比例   根據《公共建築節能設計(jì)标準》（GB50189-2015）3.2.8 條的規定，“甲類公共建築外窗 ( 包括透光幕牆 )應設可(kě)開(kāi)啓窗扇，其有(yǒu)效通(tōng)風換氣面積不宜小(xiǎo)于所在房(fáng)間(jiān)外牆面積的 10%”，通(tōng)常情況下，開(kāi)啓扇面積多(duō)在20% 左右，則可(kě)安裝光伏幕牆的比例為(wèi) 80%。

幕牆開(kāi)啓扇示意圖

② 遮擋情況   與牆面安裝情況相同，幕牆安裝同樣受外部環境遮擋和(hé)自身遮擋兩種情況的影(yǐng)響，根據經驗值，遮擋因素造成的安裝面積損失為(wèi) 20%，遮擋因子為(wèi) 0.2。

2）安裝面積比例

考慮前述遮擋情況與開(kāi)啓扇比例，則單一立面的光伏組件安裝面積系數(shù)為(wèi)（1-0.2）×0.8=0.64。

根據控制(zhì)性詳細規劃的相關指标進行(xíng)估算(suàn)時(shí)，可(kě)用容積率指标進行(xíng)估算(suàn)，即：牆面可(kě)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

1）光伏遮陽安裝規模影(yǐng)響因素

立面遮陽主要應用于商業建築、辦公建築、文化建築中，起到發電(diàn)作(zuò)用的同時(shí)，還(hái)作(zuò)為(wèi)建築立面的裝飾元素。當作(zuò)為(wèi)光伏發電(diàn)的載體(tǐ)時(shí)，立面遮陽主要采用水(shuǐ)平遮陽的形式。出于建築立面形象的需求，窗戶、幕牆及水(shuǐ)平遮陽闆一般為(wèi)通(tōng)長設置，較少(shǎo)采用獨立的窗上(shàng)遮陽形式。當前市場(chǎng)主要光伏構件産品的尺寸多(duō)在900×1600 左右，出挑寬度利用光伏組件的短(duǎn)邊，基本可(kě)以滿足水(shuǐ)平遮陽需求。水(shuǐ)平遮陽的安裝面積與所在立面面積的比值約為(wèi) 23%。

水(shuǐ)平光伏遮陽安裝示意

2）遮擋情況
與牆面安裝情況相同，幕牆安裝同樣受外部環境遮擋和(hé)自身遮擋兩種情況的影(yǐng)響，根據經驗值，遮擋因素造成的安裝面積損失為(wèi) 20%，遮擋因子為(wèi) 0.2。

3）光伏遮陽安裝比例

根據以上(shàng)因素分析，牆面可(kě)安裝光伏組件的面積******比例為(wèi) 0.23×（1-0.2）=18%，根據控制(zhì)性詳細規劃的相關指标進行(xíng)估算(suàn)時(shí)，可(kě)用容積率指标進行(xíng)估算(suàn)，即：牆面可(kě)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）。

03、各類建築光伏安裝面積估算(suàn)

建築光伏安裝面積估算(suàn)公式

一棟建築之中通(tōng)常可(kě)以安裝多(duō)種形式的光伏系統，根據以上(shàng)對各部位安裝面積比例的分析，總結出通(tōng)用的安裝面積估算(suàn)公式，不同類型的建築可(kě)根據自身的特點從中擇取相應的安裝部位進行(xíng)估算(suàn)。公式如下：

其中：
η屋面 為(wèi)屋面安裝比例系數(shù)，坡屋面時(shí)為(wèi) 0.6，平屋面時(shí)為(wèi) 0.7；
S屋面 為(wèi)屋面面積，其值等于用地面積 × 建築密度；
μi為(wèi)分項系數(shù)，表示該種安裝方式的牆面占南、東、西牆面總面積的比例，各項分項系數(shù)總和(hé)不大(dà)于 1；
η幕牆 為(wèi)幕牆安裝比例系數(shù)，一般取 0.64；
S幕牆 為(wèi)幕牆安裝立面面積，其值等于總建築面積×立面日照表面系數(shù)，其中，總建築面積 = 用地面積×容積率，立面日照表面系數(shù)取 0.28；
η遮陽 為(wèi)遮陽闆安裝面積比例系數(shù)，一般取 0.18；
S遮陽 為(wèi)遮陽安裝立面面積，其值等于總建築面積×立面日照表面系數(shù)，其中，總建築面積 = 用地面積×容積率，立面日照表面系數(shù)取 0.28；
η牆面 為(wèi)牆面安裝面積比例系數(shù)，一般取 0.4；
S牆面 為(wèi)安裝牆面面積，其值等于總建築面積×立面日照表面系數(shù)，其中，總建築面積 = 用地面積×容積率，立面日照表面系數(shù)取 0.28。

住宅建築

住宅建築中，建築光伏系統主要安裝在坡屋面，故光伏系統面積估算(suàn)為(wèi)：S=η屋面 S 屋面 =0.6 S 用地 K其中，K 表示控制(zhì)性詳細規劃中用地的建築密度。

商業建築

大(dà)型商業建築中，建築立面形式多(duō)為(wèi)幹挂鋁闆、幹挂石材、玻璃幕牆等形式，多(duō)數(shù)設置中庭采光，屋面多(duō)為(wèi)平屋面，建築光伏系統的安裝方式主要有(yǒu)平屋面安裝、光伏采光頂、光伏幕牆、光伏遮陽等形式。則商業建築光伏系統安裝面積估算(suàn)為(wèi)：

其中，K 表示控制(zhì)性詳細規劃中用地的建築密度；

V 表示控制(zhì)性詳細規劃中用地的容積率；
β 表示建築日照立面面積系數(shù)，取 0.28；
μi 表示該種安裝方式的牆面占南、東、西牆面總面積的比例

辦公建築

辦公建築中，屋面多(duō)為(wèi)平屋面，由于采光要求，一般不采用幕牆安裝，建築光伏系統的安裝方式主要有(yǒu)平屋面安裝、光伏牆面、光伏遮陽等形式。則辦公建築光伏系統安裝面積估算(suàn)為(wèi)：

其中，K 表示控制(zhì)性詳細規劃中用地的建築密度；

V 表示控制(zhì)性詳細規劃中用地的容積率；

β 表示建築日照立面面積系數(shù)，取 0.28；

μi 表示該種安裝方式的牆面占南、東、西牆面總面積的比例

文化建築

文化建築中，建築光伏系統主要安裝在平屋面、幕牆與遮陽闆，該類型建築光伏系統面積估算(suàn)為(wèi)：

其中，K 表示控制(zhì)性詳細規劃中用地的建築密度；

V 表示控制(zhì)性詳細規劃中用地的容積率；

β 表示建築日照立面面積系數(shù)，取 0.28；

μi 表示該種安裝方式的牆面占南、東、西牆面總面積的比例。

作(zuò)者：魯永飛、鞠曉磊、張磊，國家(jiā)住宅與居住環境工程技(jì)術(shù)研究中心。

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