分布式光伏屋頂荷載要求和計(jì)算探討

1、分布式光伏屋頂荷載要求和計(jì)算探討摘要：由于分布式的主要對(duì)象是工商業(yè)企業(yè)和工業(yè)園區(qū)的屋頂，針對(duì)工商業(yè)企 業(yè)，主要是混凝土屋頂；針對(duì)工業(yè)園區(qū)的建筑，主要以混凝土屋頂和彩鋼瓦屋頂 為主。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般安裝于建筑屋面，而工業(yè)廠房建筑大多是比較低 矮、平整的廠房，用電需求大且電價(jià)高，于是成為大規(guī)模推廣分布式光伏發(fā)電的 首選場(chǎng)所。不同類型屋面的承載能力評(píng)估不足，導(dǎo)致已建成的光伏項(xiàng)目運(yùn)行質(zhì)量 堪憂。本文將對(duì)屋面光伏項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)荷載分析方法和施工設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞：分布式光伏；屋頂荷載；要求；計(jì)算1分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成1.1離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池方陣、直流箱、控制器、儲(chǔ)能裝

2、置（按需 配置）、逆變器（按需配置）構(gòu)成。1.2并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池方陣、直流配電箱、逆變器、交流配電箱， 并網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成。2荷載分析在安裝分布式光伏系統(tǒng)前應(yīng)審慎進(jìn)行荷載分析和驗(yàn)算，以評(píng)估屋面結(jié)構(gòu)的安 全性和可靠性。某項(xiàng)目所在工業(yè)廠房為帶女兒墻的封閉式單跨雙坡屋面，坡度為6，屋面高 度14.6 m，屋頂面積2 983 m2，廠房占地2 966 m2 （寬42.5 m，長(zhǎng)69.8 m），光 伏組件平行于屋面鋪設(shè)。2.1永久荷載分析某項(xiàng)目中的光伏組件采用平鋪方式，因此，永久荷載主要包括光伏組件和零 配件的自重，分別以Gp和Gz表示。如果采用支架方式安裝，則還需計(jì)入支架的 重

3、量。光伏組件的重量一般在15 kg/m220 kg/m2之間，經(jīng)測(cè)算某項(xiàng)目使用的組件 自重Gp為0.15 kN/。零配件包括放置于光伏組件和屋面之間支撐件及各類固定 件，為鋁合金材料，Gz取0.05 kN/m2。于是，某項(xiàng)目的永久荷載組合值Gc=0.20 kN/m2。2.2可變荷載分析某項(xiàng)目中的可變荷載主要包括屋面活荷載Qh、雪荷載Qx、風(fēng)荷載Qf和積灰 荷載Qj。其中由于光伏組件需定期清洗，因此積灰荷載Qj可忽略不計(jì)。屋面活荷載包括施工或維修人員、小型工具和光伏組件等臨時(shí)性活荷載。由 于對(duì)屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及復(fù)核時(shí)，屋面活荷載中已經(jīng)包括了施工人員臨時(shí)性活荷 載，在此次分析時(shí)應(yīng)扣除光伏屋面施工人

4、員臨時(shí)性活荷載（一般取2 kN/m2）， 而只計(jì)入光伏組件的均布活荷載Qp為0.54 kN/m2。雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值sk的計(jì)算如式（1）所示。sk=rs0 （1）式中：凹為屋面積雪分布系數(shù)，某項(xiàng)目所在屋頂為單跨雙坡結(jié)構(gòu)且坡度25， 因此凹取1.25； S0為基本雪壓，查表可知試驗(yàn)地區(qū)S0應(yīng)取0.35 kN/m2。于是， 可得sk為0.44 kN/皿。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Sk的計(jì)算如式（2）所示。wk=Pzszw0 （2）式中：pz指高度z處的風(fēng)振系數(shù)，某項(xiàng)目的屋面在30 m以下且高寬比1.5, 可以不考慮脈動(dòng)風(fēng)壓影響，此時(shí)風(fēng)振系數(shù)取1.0； 3指風(fēng)荷載體型系數(shù)，某項(xiàng)目 為封閉式雙坡屋面，坡度15，光伏組件迎

5、風(fēng)面及背風(fēng)面均承受負(fù)壓，按取最不 利者原則應(yīng)取其背風(fēng)面系數(shù)-0.5；舊指風(fēng)壓高度變化系數(shù)，某項(xiàng)目位于郊區(qū)，地 面粗糙度屬于B類，屋面高14.6 m，應(yīng)取值1.13； S0指基本風(fēng)壓，查表可知試 驗(yàn)地區(qū)應(yīng)取0.40 kN/m2。于是，可得sk為-0.23 kN/m2。由于以上不利因素同時(shí)出現(xiàn)的可能性較低，因此可將各種可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值 同時(shí)乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，從而得到組合值?？勺兒奢d組合值Qc的計(jì)算如式（3） 所示。Qc=Qh+Qx+Qf（3）式中：Qh=phQp （4）Qx=pxsk（5）Qf=pfsk （6）Rh、Rx、Rf分別代表工業(yè)樓面活荷載、雪荷載和風(fēng)荷載的組合值系數(shù)，依 次取0.7、0

6、.7和0.6。將式（4）、（5）、（6）代入式（3），可計(jì)算得Qc=0.55 kN/m2。2.3可靠性判斷為確保某項(xiàng)目所在屋面具備施工安裝條件，業(yè)主單位專門委托建筑工程評(píng)估 機(jī)構(gòu)對(duì)屋面承載能力進(jìn)行復(fù)核并出具評(píng)估報(bào)告。復(fù)核結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1 所示。表1顯示Gc=Gr，且Qc與Qr值較為接近，以上結(jié)果表明該屋面基本具備安裝光伏發(fā)電 系統(tǒng)的條件，但不宜全部、集中鋪設(shè)光伏組件。根據(jù)以上評(píng)估結(jié)果，安全起見，某項(xiàng)目適當(dāng) 縮小裝機(jī)規(guī)模，由300 kW縮減至250 kW，并且在施工過程中采取措施避免荷載過于集中， 比如分散放置物料、施工通道設(shè)置在承重梁上方、施工人員分段站位且腳下鋪設(shè)大面積板材 等。3分

7、布式光伏屋頂設(shè)計(jì)3.1混凝土屋面一般采用剛性混凝土層，在做完防水層工作后，還要做樓地面層，加配鋼絲網(wǎng)，有貼磚 或是混凝土層，對(duì)屋面結(jié)構(gòu)層起保護(hù)作用。上人屋面必須建有樓梯可以到達(dá)樓頂屋面層，而 不上人屋面的檢修口一般較隱蔽，通過爬梯上到屋面層，爬梯1.5 m以上。這兩種屋面對(duì)屋 面的安全要求也不同，上人屋面必須有女兒墻，且女兒墻高度有規(guī)定，必須要不小于安全要 求高度（一般1.2 m）；而不上人屋面的女兒墻為0.60.9 m。上人屋面和不上人屋面具體 有防水層、保溫層和隔熱層的做法。根據(jù)業(yè)主所給的建筑結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行結(jié)構(gòu)的PKPM建模， 根據(jù)國(guó)家規(guī)定設(shè)置參數(shù)進(jìn)行受力分析，確定主要材料的強(qiáng)度和撓度值是否

8、在規(guī)范要求的范圍 內(nèi)。屋面配重設(shè)計(jì)：1、描繪計(jì)算簡(jiǎn)圖；2、計(jì)算荷載標(biāo)準(zhǔn)值，包括恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載; 3、確定最不利負(fù)載組合；4、通過校核基礎(chǔ)確定需配置的基礎(chǔ)個(gè)數(shù)。屋面承重計(jì)算：1、計(jì)算太陽能板質(zhì)量、支架總荷重、水泥墩荷重；2、屋頂單位面積受 力；3、假設(shè)屋頂為上人屋面，根據(jù)GB50009-2001設(shè)計(jì)，混凝土屋面設(shè)計(jì)載荷為2kN/E，安 裝太陽能方陣后載荷小于設(shè)計(jì)載荷即滿足要求。3.2彩鋼瓦屋面彩鋼瓦一般裝在輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑物上，多用于標(biāo)準(zhǔn)化廠房和倉(cāng)庫(kù)。輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑使用 重量很輕的彩鋼瓦作為屋頂，跨距可做得很大，適合布置光伏組件。工業(yè)區(qū)都是聯(lián)片建設(shè)的 標(biāo)準(zhǔn)化廠房或倉(cāng)庫(kù)，數(shù)量多且面積較大，適

9、合建設(shè)分布式光伏電站。1）清楚屋面的主體結(jié)構(gòu)。如彩鋼瓦屋面的設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)間；在建筑建設(shè)過程中是否出現(xiàn) 過問題，如是否在施工中有偷工減料的事情發(fā)生；收集建筑結(jié)構(gòu)圖紙；現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)建筑的沉降 是否均勻，是否發(fā)生破壞或損壞；屋內(nèi)的吊頂和吊掛情況對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。2）屋頂?shù)恼系K物和遮擋也需要重點(diǎn)關(guān)注：屋頂女兒墻的高度；屋頂氣樓的高度、尺寸 和位置；采光帶的位置和尺寸；業(yè)主方對(duì)屋頂?shù)囊?guī)劃用途。對(duì)于不同組件安裝方式、組件排 布密度等，增加的恒荷載具體為0.1、0.12、0.15 kN/m2（10、12、15 kg）等數(shù)值。對(duì)恒荷載 的增加值進(jìn)行計(jì)算，在滿足建筑承載的條件下布置組件。對(duì)于部分承載力不夠的區(qū)域，可采 取結(jié)構(gòu)加固的措施。4結(jié)語無論是混凝土屋頂項(xiàng)目還是彩鋼瓦屋頂項(xiàng)目，必須做好前期實(shí)地勘察和資料收集工作， 與業(yè)主多溝通交流，了解業(yè)主想法；計(jì)算項(xiàng)目屋頂?shù)暮奢d，了解接入條件