各類建築光伏系統安裝面積快速估算方法
“30·60”雙碳目標提出後，發展綠色建築，推動能源清潔，低碳高效安全利用將成為實現碳達峰、碳中和和任務目標的重要途徑。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代表的清潔能源建築應用迎來了快速的發展機遇期。結合工程實踐，對不同型別建築中光伏系統可安裝部位進行研究，推匯出光伏元件可安裝面積的計算方法，為光伏建築推廣提供經濟上的測算依據。
（來源：微信公眾號“國家住宅工程中心”ID：CNERCHS 作者：魯永飛 鞠曉磊 張磊）
1、不同建築型別光伏元件可安裝部位
工程應用中 ， 建築中可用於安裝光伏元件的部位主要有屋面、立面牆、幕牆、遮陽構件等幾個部位。除高層住宅外，其他型別的建築屋頂部分一般遮擋較少，除了部分裝置佔地外，其餘空間均適宜安裝光伏系統。而立面安裝，對於不同型別的建築造型特點、使用功能需求等要求不同，立面中光伏系統安裝的優先順序也有區別。對常見型別的建築立面安裝光伏系統的可行性與優先順序分析如下。
住宅建築由於居住空間對於自然採光的要求較高，且建築主要立面窗戶較多，實牆面小而分散，安裝光伏系統經濟性低，不宜在立面安裝光伏元件。
大型商業建築建築的採光主要靠內部照明，自然採光的重要性比住宅建築要低一些，立面多為玻璃幕牆或大面積的實牆面，可利用這些立面資源安裝光伏元件。
辦公建築中主要使用空間對採光要求較高，而輔助空間採光要求不高，這部分空間對應的牆面或幕牆可用於安裝光伏元件；此外，辦公建築對遮陽有一定要求，可結合遮陽功能，設定外接光伏遮陽構件。
文化建築中建築形體整體性較強，立面元素較為規整，多為大面積牆面或玻璃幕牆；而室內採光主要靠電氣照明解決，對自然採光的要求稍低，因此可充分利用立面資源安裝光伏元件。綜上分析，不同型別建築適用的光伏構件安裝部位如表 1 所示。
不同型別建築的光伏元件安裝部位
2、不同建築部位的光伏系統安裝面積比例
坡屋面安裝
1）坡屋面安裝比例影響因素
坡屋面主要應用於低層住宅建築，朝向以南北向為主，坡度在20°至35°之間。由於屋面北坡安裝光伏系統效率過於低下，不建議安裝。
2）安裝面積比例
對於雙坡屋面而言，僅南坡適合安裝，約為屋面面積的50%；對於四坡屋面而言，優先考慮南坡，其次東、西坡也可以安裝，安裝面積約為屋面面積的70%。由於坡屋面與地面水平夾角的三角函式關係，坡度30°時，屋面面積約為水平投影面積的1。15倍，由於通常情況下屋面並不規整，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。
3）安裝面積估算
根據控制性詳細規劃的相關指標進行估算時，可直接用建築密度指標進行估算，即：可安裝面積=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）平屋面安裝比例影響因素
光伏系統與平屋面同時應用的工況主要存在於大型的商業、文化、醫院等型別建築中。在這些型別的建築中安裝光伏系統時，受到的因素影響主要包括以下幾方面：
① 建築裝置對光伏系統安裝規模造成的影響主要包括：裝置系統自身佔用面積、周圍的安全距離、裝置系統陰影遮擋三個方面，影響範圍約為裝置區域邊界周邊 2m 範圍。
② 屋頂樓梯間及電梯機房 這些突出屋面的構築物一般在4m以上，其陰影對建築光伏系統的安裝面積會造成損失，影響範圍一般在4m左右。
③ 女兒牆 考慮到安裝建築光伏系統的檢修需要，一般設定為上人屋面，女兒牆按1。5m考慮，其陰影範圍為：南向女兒牆3m，東西向女兒牆2m。
④ 光伏系統檢修通道平屋面安裝光伏系統時，一般按光伏陣列進行佈置，每行之間一般會留出檢修通道，寬度在1。2m左右。
屋面光伏系統安裝影響因素及安裝範圍示意
2）安裝面積比例
綜合考慮以上裝置、樓梯間及電梯機房、女兒牆、光伏系統檢修通道等因素的影響，平屋面安裝光伏系統時，可安裝面積按屋面面積的70%考慮。根據控制性詳細規劃的相關指標進行估算時，可直接用建築密度指標進行估算，即：可安裝面積=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係數
為便於專案前期對光伏系統在立面安裝規模的估算，課題組引入“建築外立面日照面積係數”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，不同建築形體的建築立面面積不同，在常規大型公共建築中，建築進深方向一般不會低於20m，不會大於50m，且考慮到抗震需求，長寬比一般不超過 6。以標準層建築面積2000㎡為例，相同建築面積下，其平面形狀變形範圍為 44。7m×44。7m~20m×100m，即其平面周長為179m ~240m。
相同建築面積（2000m2）下不同平面形狀的邊長
為避免西曬，建築朝向絕大多數為南北向，由於北立面不適合安裝光伏系統，去掉標準層北側邊長，則南、東、西各方向的邊長之和在 130m~140m。大部分 公共建築的建築層高為 4m 左右，則標準層的南、東、西各立面面積之和的範圍在130×4至140×4之間，即520~560m2 。則適合安裝光伏系統的建築外立面日照面積係數等於南東西各立面面積之和與總建築面積之比，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。
2）牆面安裝比例
① 開窗面積 對於非幕牆的公共建築而言，南立面窗牆比一般在0。4~0。7；而東西牆為了減少西曬對建築的影響，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0。5，可安裝面積佔立面面積的比例約為0。5。
公共建築非幕牆立面安裝範圍示意
② 建築遮擋 遮擋問題主要分為兩種情況：一種為外部環境遮擋，主要是周圍其他建築的遮擋；另一種為建築自身遮擋，主要是由於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說，方案階段時考慮光伏元件的安裝要求，均會盡力避免自身遮擋，因此主要的外部遮擋來自其他建築遮擋。綜合考慮日照間距、衛生間距對建築日照的積極作用，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。
3）安裝面積估算
綜合以上影響因素，在大型商業建築的牆面上用於建築光伏的牆面面積約佔所安裝牆面面積比例為0。5×（1-0。2）=0。4。
根據控制性詳細規劃的相關指標進行估算時，可用容積率指標進行估算，即：牆面可安裝面積= 用地面積× 容積率 × 立面日照面積係數（0。28）× 安裝面積係數（0。4）。
光伏幕牆安裝
1）幕牆安裝影響因素
幕牆可廣泛應用於各類公共建築中，影響光伏幕牆安裝面積的比例主要包括以下兩個：
① 開啟扇比例根據《公共建築節能設計標準》（GB50189-2015）3。2。8 條的規定，“甲類公共建築外窗 （ 包括透光幕牆 ）應設可開啟窗扇，其有效通風換氣面積不宜小於所在房間外牆面積的 10%”，通常情況下，開啟扇面積多在20% 左右，則可安裝光伏幕牆的比例為 80%。
幕牆開啟扇示意圖
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自身遮擋兩種情況的影響，根據經驗值，遮擋因素造成的安裝面積損失為 20%，遮擋因子為 0。2。
2）安裝面積比例
考慮前述遮擋情況與開啟扇比例，則單一立面的光伏元件安裝面積係數為（1-0。2）×0。8=0。64。
根據控制性詳細規劃的相關指標進行估算時，可用容積率指標進行估算，即：牆面可安裝面積= 用地面積 × 容積率 × 立面日照面積係數（0。28）× 安裝面積係數（0。64）。
立面遮陽
1）光伏遮陽安裝規模影響因素
立面遮陽主要應用於商業建築、辦公建築、文化建築中，起到發電作用的同時，還作為建築立面的裝飾元素。當作為光伏發電的載體時，立面遮陽主要採用水平遮陽的形式。出於建築立面形象的需求，窗戶、幕牆及水平遮陽板一般為通長設定，較少採用獨立的窗上遮陽形式。當前市場主要光伏構件產品的尺寸多在900×1600 左右，出挑寬度利用光伏元件的短邊，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%。
水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自身遮擋兩種情況的影響，根據經驗值，遮擋因素造成的安裝面積損失為 20%，遮擋因子為 0。2。
3）光伏遮陽安裝比例
根據以上因素分析，牆面可安裝光伏元件的面積最大比例為0。23×（1-0。2）=18%，根據控制性詳細規劃的相關指標進行估算時，可用容積率指標進行估算，即：牆面可安裝面積 = 用地面積 × 容積率 × 立面日照面積係數（0。28）× 安裝面積係數（0。18）。
3、各類建築光伏安裝面積估算
建築光伏安裝面積估算公式
一棟建築之中通常可以安裝多種形式的光伏系統，根據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，不同型別的建築可根據自身的特點從中擇取相應的安裝部位進行估算。公式如下：
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 表示控制性詳細規劃中用地的建築密度。
商業建築
大型商業建築中，建築立面形式多為幹掛鋁板、幹掛石材、玻璃幕牆等形式，多數設定中庭採光，屋面多為平屋面，建築光伏系統的安裝方式主要有平屋面安裝、光伏採光頂、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為：
其中，K 表示控制性詳細規劃中用地的建築密度；
V 表示控制性詳細規劃中用地的容積率；
β 表示建築日照立面面積係數，取 0。28；
μi 表示該種安裝方式的牆面佔南、東、西牆面總面積的比例
辦公建築
辦公建築中，屋面多為平屋面，由於採光要求，一般不採用幕牆安裝，建築光伏系統的安裝方式主要有平屋面安裝、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為：
其中，K 表示控制性詳細規劃中用地的建築密度；
V 表示控制性詳細規劃中用地的容積率；
β 表示建築日照立面面積係數，取 0。28；
μi 表示該種安裝方式的牆面佔南、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、幕牆與遮陽板，該型別建築光伏系統面積估算為：
其中，K 表示控制性詳細規劃中用地的建築密度；
V 表示控制性詳細規劃中用地的容積率；
β 表示建築日照立面面積係數，取 0。28；
μi 表示該種安裝方式的牆面佔南、東、西牆面總面積的比例。
作者：魯永飛、鞠曉磊、張磊，國家住宅與居住環境工程技術研究中心。
原標題：太陽能建築 | 設計前期建築光伏系統安裝面積快速估算方法
（赤城碲化鎘發電玻璃電站專案：裝機容量12MW）
