西卡太阳能屋面系统在英国德蒙福特大学平屋面上的应用
2022-05-07 10:21:02
来源：中国建筑防水杂志社 卢嫔婷
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随着石化燃料成为人类主要能源，其所造成的环境污染也让人类得以生存的地球生态正朝着不可逆转的方向恶化。开发与利用太阳能，无论对于解决化石能源的枯竭还是减缓温室效应、改善生态环境都有不可替代的意义。在以建筑群为主的城市，人为拔高的“地表”——屋顶，成为利用太阳能进行光伏发电最合适的载体之一。对于建筑界人士，在实现建筑原有功能的同时，融入屋顶太阳能发电这项新需求，解决一系列技术问题，是一项迫在眉睫的新课题。 01西卡太阳能屋面系统介绍 西卡单层屋面防水系统迄今在全球安装已超过7亿m2。但是，单层屋面系统作为光伏发电系统的最佳载体，怎样结合二者，使其平衡和融合，既不破坏原有防水系统，又能同时增加屋面的附加值，也是一项新挑战。2011年，西卡与Centroplan合作并开发出与高分子材料同材质的光伏发电系统专用连接配件——Sika Solar Mount-1（以下简称SSM1），其可以直接通过热风焊接工艺焊接在屋面防水卷材上，同时咬扣住光伏组件三角支架，形成稳固结构。在不破坏屋面防水卷材的情况下，SSM1所连接的光伏发电系统与已完工的单层屋面防水系统形成统一整体，从而实现保温、防水与光伏发电的完美结合（如图1）。
图1 西卡太阳能屋面系统模型 众所周知，在旧屋面上新增太阳能光伏系统的基本技术要求，包括耐久性能、安全性能以及可靠性能。而在屋面防水系统和光伏系统之间的连接固定便是整个系统成功的关键，既要保持屋面防水功能的严密性，又要保证新增光伏系统的稳固性。西卡专门开发的与防水主材同材质的连接件SSM1（如图2），在底部与卷材直接热焊，顶部卡住光伏组件支架，拓展了屋面系统的多样性，并经过欧洲标准和美国标准各种严苛的安全性测试，以及多项不同方向的力学破坏测试，力保整个组合可靠牢固。
图2 专用连接件Sika Solar Mount-1（上）及其与三角架的连接示意（下） 02.系统安全性验证——风洞测试 在既有建筑屋面上新增光伏发电系统，其结构安全性以及后加系统的抗风揭是最主要考虑因素。因此在前期计划安装太阳能光伏系统时，应首先与设计师沟通建筑结构的承载能力，并按照当地基本风压、雪荷载进行太阳能光伏系统的荷载计算和布局设计。 安装在屋面上的光伏方阵主要受风荷载作用，因此抗风设计是安全的关键因素。不管是单层屋面防水系统，还是太阳能光伏发电系统，均要承受自然风对其安全稳固性的考验。西卡的单层屋面防水系统，已通过欧洲标准ETAG 006动态风荷载测试的多次验证，并经过多年实际项目自然验证，同时还获得了BBA机构35年的实际使用年限的认证以及预计使用40年的认证。西卡太阳能光伏系统的连接件，也已经通过了严格的边界层风洞测试（如图3）。
图3 西卡太阳能系统模型边界层风洞测试 那么，何为边界层风洞测试呢？在接近地表大气层（俗称边界层），风力随高度变化而变化，试验过程中，由人为控制气流来模拟大气边界层流体力学特性，在洞状设备中通过建筑模型模拟实际环境受力来确定测试样本的可靠性，同时获得相关体型系数作为实际项目的计算依据。在专业实验室进行边界层风洞试验，确定SSM1在实际项目环境中所承受载荷参考值、系统排布比例等参数。通过西卡专有软件，可以计算所需的太阳能连接扣件的数量和每个子阵列的安装间距，输出包括项目特定的光伏组件布局、压载平面图和施工文件。 同时，西卡通过不同的安装系统，进行大量的内部破坏测试，如在机械固定系统下，对连接组件试件组合施以横向力以及纵向力进行剪切破坏试验。测试结果表明，PVC卷材与SSM1之间的焊接缝可承受纵向外力高达4 500 N（图4左）、横向外力高达2 400 N（图4右），确保系统的万无一失。
图4 对试件施加横向外力（上）和纵向推力（下）进行剪切测试 03. 系统设计与施工 德蒙福特大学（De Montfort University，简称DMU）坐落在英格兰的莱斯特郡，是一所优质的综合性大学。本项目是其中一栋教学楼屋面，为混凝土结构，校方于2015年计划翻新该屋面，其中计划安装光伏系统的面积约为1 000 m2，作为节能试点。屋面翻新方案选择西卡单层防水系统，即采用Sarnafil 1.8 mm厚PVC防水卷材机械固定系统，以当地基本风压和雪荷载为基本参数，参考当地日照及光影分析，使用西卡太阳能光伏系统的专业计算软件IFI风载计算工具，确定光伏系统摆布形式以及安装数量、安装位置，并计算出能源产量。模块铺设按照东西双向布置，每排间距0.8 m，使用西卡走道板焊接在防水层上，作为日常维护防滑步道。本屋面一共安装了192组模块，装机总容量为4 992 kWp。
图5 光伏组件双向排布 本项目业主选择东西双向布置光伏模块的方式进行屋面系统的安装。从投资角度考虑，南向单坡排布需要水泥块压铺抵抗风吸力，还需要使用挡风板，虽然单位面积发电量高，但投资成本高、安装容量小，整体投资收益较低；而东西双向排布的系统，单位面积安装容量更高，相对而言整体投资收益更高。
图6 安装区域定位放线 本项目采用的太阳能支架固定件为西卡SSM1。由于本项目屋面选用1.8 mm厚PVC防水卷材机械固定的单层屋面系统，作为连接配件，SSM1便可使用热风焊接直接与大面PVC防水层材料焊为一体，形成牢固的连接节点，不穿透防水层，不产生破坏点，并将光伏系统后续组件所受风压传导至防水系统中的紧固件及屋面基层上。
图7 支架定位摆放 基于光伏系统与建筑的同生命周期设计理念，连接组件的使用年限应与承载主体相同。SSM1的材质与防水层的材质相同，且热风焊接的连接方式使其与防水系统寿命同步，在某些光伏组件需要更换的情况下亦不损害整个屋面的防水功能。
图8 SSM1与屋面卷材热风焊接 04. 项目完工及验收 整个屋面光伏系统安装，仅用了10天时间便完工并通过验收。本案例为翻新屋面，整套系统兼具防水和能源自生双重功能。首先在旧屋面上进行防水翻新（未含在10天的工期内），同时拓展屋面空白区域的功能，安装了光伏发电系统，无穿透破坏、无额外压载、无模块位移风险。对于该西卡太阳能屋顶系统，业主表示非常满意。
图9 已完工的西卡太阳能屋面系统 |
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