关键字：城市建筑屋顶；光伏利用；潜力评估
1城市建筑屋顶光伏利用的优势
伴随着能源利用的过度浪费和环境污染的日益加剧，我们迫切需要找到一条新的能源之路，因此太阳能利用技术越来越得到重视。同时伴随着城市的不断发展，高层建筑已然发展成为当今社会的主要建筑形式，我们的城市正在从“平面化”逐渐走向“立体化”，大面积的建筑屋顶也为太阳能的利用提供了新的契机。如果能将传统的太阳能形式加以革新利用，将为能源危机找到新的出路。
（1）从安装面积角度讲，屋顶是建筑外表面积中闲置面积最大，最完整的地方，非常适合安装光伏系统。
（2）屋顶是建筑外表面中接受太阳辐射量最大的地方，屋顶上水平表面或倾斜表面获得的辐射量，远远大于垂直立面上的辐射量，尤其是在高密度城市，立面受遮挡的情况很严重，很多地方不适合安装光伏，即使装上，光伏系统的效率也会受到很大的影响。
（3）从建筑美学角度讲，屋顶安装光伏系统对城市景观的影响最小，可以规模化进行安装。虽然单个建筑的光伏立面可以达到很好的效果，但若规模化应用，势必会对城市景观造成很强的视觉冲击。尤其是对于已建成区域，进行屋顶光伏改造的可能性要远远大于对立面进行光伏的改造。此外，如果处理不当，立面光伏电池的反光会对地面行人和邻近楼上的居民造成眩光污染。
（4）屋顶的能耗大，安装光伏系统，相当于在阳光和建筑之间增加了一个过渡层，可以提高建筑的保温、隔热性能，降低建筑的能耗。
（5）光伏屋顶的技术也最成熟，安装维修都比较方便。成本也比较低，具备规模化应用的潜力。从世界各地在城市中规模化发展太阳能光伏技术的实例来看，主要都是以光伏屋顶为主的。
2城市建筑屋顶光伏利用潜力的评估研究
2.1城市建筑屋顶光伏板选择
根据实际的工程经验，支架独立安装的光伏设施，可操作性大而且角度调整自由，是适合平屋顶的安装的光伏设施。因此城市建筑屋顶光伏板选择支架式光伏板作为住宅屋顶的 光伏利用形式，住宅电梯间、楼梯间的屋顶由于安全原因以及设备维护原因不宜安放光伏板。当然不同的屋顶形式选择的光伏板类型也不会太一样，但是支架式光伏板是目前城市建筑屋顶光伏板的优选，具有很好的利用太阳能的潜力。
2.2影响城市建筑屋顶光伏利用潜力的因素分析
（1）遮挡分析
对于光伏屋顶，自然环境中的树木、山体以及相邻建筑、构筑物，都有可能对屋面产生日照遮挡。此外，建筑自遮挡也会影响日照效果。树木的遮挡主要对距离较近的低矮建筑有较大的影响，但对多层建筑几乎没有影响。山的因高度及山体坡度也会对建筑屋顶造成影响。构筑物如地面的景观小品、景观廊道等，高度很小且离建筑很远，不会影响建筑物的日照环境。建筑物之间的遮挡情况和建筑自遮挡的情况可通过简化模型来分析。
（2）朝向分析
若按最佳倾角来布置光伏阵列，则需要选择是以牺牲部分组件数量为代价按照正南方向布置，还是以最大装机量为目的按建筑走向布置。若水平布置光伏板，则不需考虑朝向问题。
（3）用电需求
根据建筑功能来确定建筑是否具有较大的用电需求，较大的用电需求更适合采用太阳能光伏发电。
影响城市建筑屋顶光伏利用潜力的因素分析不仅仅是这三个方面，还有光照的长度、建筑密集等等，本文仅是从这三方面对影响城市建筑屋顶光伏利用潜力的因素进行了研究。
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2.3城市建筑屋顶光伏利用潜力的评估方法
确定城市中建筑屋顶的总面积和屋顶光伏可利用面积，是评估城市建筑屋顶光伏利用潜力的最关键问题。
2.3.1确定城市用地的分区和分类
建筑屋顶的光伏利用首先应保证良好的日照条件，我国的《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范（JGJ203－2010）》规定了光伏组件在建筑表面安装的日照条件要求，即满足冬至日9：00－15：00之间有3小时以上的日照时数。高层建筑是造成城市日照环境复杂的最重要的因素，城市的总体规划确定了城市中心区的位置和级别，也确定了高层建筑密集区和未来可能的建筑密集区。此外，我国大多数城市形态呈同心圆发展，道路系统以环路加放射状道路居多，这样就形成了越接近中心区的环路区域内高层建筑越密集的状况。因此，评估城市建筑屋顶光伏利用潜力时，需要根据城市的总体规划和道路系统对城市进行分区研究。
此外，结合《城市用地分类与规划建设用地标准》中关于城市建设用地的分类标准，研究中排除了地面上建筑较少的道路与交通设施用地、公共设施用地、绿化和广场用地等类型，重点评估居住用地、公共管理与公共服务用地、商业服务业设施用地、工业用地、物流仓储用地中的建筑屋顶光伏利用潜力。针对不同用地类别，根据用地内建筑体量的特征，按照以低、多层建筑为主的用地和以高层建筑为主的用地进行分类。
2.3.2 确定屋顶总面积
控规中规定了城市每一个地块的用地面积、建筑密度（BD）和容积率（FAR），也就直接确定了城市中最大的建筑容量。建筑密度是用地内建筑基底面积与用地面积的比值。通过建筑密度和用地面积可以计算建筑的总占地面积，通过引入屋顶总面积利用系数，即屋顶面积与占地面积的比值（用符号ft表示），则可以计算建筑的屋顶面积，如公式1所示：
Aroof=ft×BD ×Aland （1）
式中，Aroof为屋顶总面积；ft为屋顶总面积的利用系数；BD为建筑密度；Aland为用地面积。
2.3.3 确定屋顶光伏可利用面积
类别相同的用地其建筑布局的共性特征是非常明显的。考虑不同分区中用地周围建筑的影响因素以及不同类别用地内建筑布局和建筑单体特征的因素，按照我国光伏组件在建筑表面安装的日照条件要求，选取样本研究，分区、分类确定屋顶光伏可利用系数，即屋顶光伏可利用面积与屋顶总面积的比值，用符号fr•pv表示，从而计算整个城市屋顶光伏可安装面积。屋顶光伏可安装面积可以用公式2表示：
Ar•pv=fr•pv×Aroof （2）
式中，Ar•pv为屋顶光伏可安装面积；fr•pv为屋顶光伏可利用系数；Aroof 为屋顶总面积。
2.3.4预测城市建筑屋顶光伏发电潜力
要评估已建成区域建筑的光伏利用潜力，需要明确建筑上所能接收到的太阳辐射量、建筑上可用来安装光伏设备的面积以及所采用的太阳能设备的转换效率等。根据不同城市的太阳能资源条件和太阳的方位角和高度角确定光伏组件的最佳安装角度，计算光伏组件表面的辐射量和有效表面面积，预测光伏年总发电量。发电量的计算用公式3表示：
Eptentiaol=Apv×Gt×η×λ （3）
式中，Eptentiaol为建筑屋顶光伏年发电量；Apv为屋顶上光伏组件的面积；Gt为光伏组件上所接收到的辐射量；η为理论测试的光伏模块转换效率（根据选用的不同光伏模块确定）；λ 为光伏系统的运行效率（屋顶常规的运行效率为0.75－0.8）。
3结束语
太阳能利用是解决能源危机，缓解气候变化，实现城市可持续发展的重要手段。评估城市建筑屋顶光伏利用潜力是城市中进行太阳能利用规划的关键环节。本文以城市建筑屋顶光伏利用的优势为出发点，从光伏板的选取、环境的影响及评估方法三个方面对城市建筑屋顶光伏利用潜力进行了研究。
参考文献：
[1]中华人民共和国行业标准．JGJ203－2010民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010：11
论文作者:顾险峰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
标签：光伏论文; 屋顶论文; 建筑论文; 城市论文; 面积论文; 潜力论文; 太阳能论文; 《电力设备》2019年第6期论文;