剧情简介:而太阳能发电正变得越来越受欢迎,它往往是一个事后的想法,当一个家正在建造或改造的。复杂的屋顶形状和不兼容的屋顶材料使得安装一个高效的系统更加困难。在本专栏中,三位设计师讲述了从一开始就规划并将屋顶太阳能纳入家庭设计的最佳方法。
在过去的三十年里,观察太阳能的发展是一件很有趣的事情——如此多的进步;一些顽固的障碍。有一件事是不变的,那就是合适的屋顶对工作的重要性。通常情况下,太阳能光伏(PV)阵列似乎并不是最初设计计划的一部分,而是在事实发生很久之后才添加进去的。在他的文章中,像屋顶工人一样思考马丁·霍拉迪写道,“大多数建筑师缺乏屋顶工人的眼光。屋顶工人喜欢看到一个简单的不间断的山墙,而建筑师则有自己的想法:他们想出了蝴蝶屋顶,或者被护墙和排水孔包围的平屋顶,或者被多个山谷和天窗打断的复杂屋顶。”这就是光伏挑战所在。
为太阳能行业提供工程咨询服务的布鲁克斯工程公司(Brooks Engineering)的比尔·布鲁克斯(Bill Brooks)表示,与太阳能电池板相关的常见问题包括:导体容量和绝缘不足,压降过大,不安全的接线方法,缺乏或不当放置过流保护和断开装置,使用未列出的或不当应用列出的设备(例如,在直流中使用交流),缺乏或不当的设备或系统接地,以及不安全的安装和使用电池。
但在这一切之前,还有屋顶本身。
设计驱动程序
许多房屋的屋顶太小,或者至少没有足够的不间断表面,无法容纳一个阵列,以提供家庭所需的100%电力。据修订版能源公司(一家为新英格兰部分地区提供服务的可再生能源承包商)的团队称,它大约需要75平方英尺。太阳能电池板每输出1千瓦的电力,就需要1英尺的屋顶空间,而要满足服务区域内普通家庭的所有电力需求,则需要大约5千瓦的电力输出。换算成大概是375平方英尺。为了安装一个足够大的阵列来满足家庭的所有需求,他们需要英尺的屋顶空间。
许多房主根据预算来确定新光伏阵列的尺寸。考虑到这一点,战略架构师将引导客户以节能电器为出发点,因为安装高效电器和小型光伏阵列通常比使用传统电器和更大的阵列来处理这些电力负载更便宜。当然,在设计光伏阵列之前,加热和冷却负荷、插头负荷和家庭热水系统需要被敲定。
太阳能电池板的价格在过去十年中大幅下降,现在徘徊在每瓦3.18美元到3.34美元之间,包括安装和其他费用。无数的因素会使这些数字上升或下降;无论如何,在屋顶设计中考虑太阳能电池板具有节约成本的潜力。
修正能源公司(ReVision Energy)的太阳能设计专家托马斯·图鲁(Thomas Tutor)说:“事后才考虑提供一个好的太阳能屋顶,这让人很沮丧,尤其是当从一开始就有计划让一个家庭实现净零排放的时候。”导师建议设计一个不间断的朝南矩形空间,没有天窗、排气管、烟囱或其他障碍物。它应该匹配面板的几何形状,以允许一个干净的平面与很少的间隙和很少暴露的屋顶。一旦你开始分解阵列并散布面板,系统就会变得效率更低,更昂贵,并且在视觉上具有破坏性。
光伏阵列的最佳间距与位置的纬度相同,尽管通常情况下,Tutor说20°到45°之间的任何地方都是一个很好的间距。由于白天较长,太阳能电池板通常在夏季产生更多的电力,而在那些月里,由于太阳在天空中较高,在倾斜较平的屋顶上,这种输出可以进一步提高。对于冬季发电来说,这并不是最理想的,但在有净计量的市场中,光伏用户可以将这些信贷存入银行,以便在寒冷的月份使用。净计量为多余的能源发电提供信贷。
除了间距,还有另外两个因素影响太阳能的性能:朝向和阴影。将面板朝向南方——180°——是最理想的,尽管正负几度仍然很好,因为你只损失了几个百分点的产量。但如果电池板在阴凉处,它们的间距和方向就不会有太大影响。
“许多人关注的是倾斜和朝向,”导师指出,“但现实是,如果你有一个无遮阳的屋顶,那么无论倾斜和朝向如何,太阳能都将是一个很好的投资。”
优化太阳能设计的潜在障碍还包括通风管道,这通常不会出现在新的建筑计划中,所以当水管工加入进来时,他们会遵循阻力最小的路径,把通风管道放在任何可能的地方。有时在朝南的屋顶上。
“当我们的团队到达现场安装系统时,发现太阳能屋顶上有障碍物,这总是令人失望,”Tutor说。“这意味着我们需要重新设计这个系统,而它通常会损失一些输出和性能。”
简单就是智慧
安·埃德明斯特(Ann Edminster)是咨询公司Design AVEnues的创始人,也是零能耗住宅领域的国际领先专家。她将屋顶描述为“建筑师的一个有趣元素”,并指出如何利用屋顶来“创造兴趣”。当然,问题在于这些操纵是有影响的。引入额外的角落、平面变化、角度和困难的细节会增加成本,并导致与热湿控制相关的妥协。她说:“我最重要的信息是简化。”她还补充说,设计师应该以最终目的为出发点。在太阳能设计的早期阶段,需要考虑到一些因素,如超紧凑的建筑围护结构和节能电器,这些因素使实现净零能耗性能变得更容易。和导师一样,埃德明斯特也指出,人们对净零排放的想法很着迷。“我认为接近很好,如果你没有达到零,那也不是罪过。”
许多房屋的屋顶太小,或者至少没有足够的不间断表面,无法容纳一个阵列,以提供家庭所需的100%电力。
地点影响数字
假设pv面板系统具有相同的太阳能效率,那么系统的效率与一个地理区域在一年中获得的日照时数直接相关。每天的太阳辐射量以每平方米每天千瓦时(kwh/m²/day)为单位。平均而言,美国北部地区的平均发电量不到4千瓦时/平方米/天,而南部地区的平均发电量超过5.75千瓦时/平方米/天。在西南地区,空气干燥,云层覆盖较少,更多的太阳辐射到达地球表面。在5000平方英尺的地方。这是建筑师阿曼多·科博项目的平均尺寸,他使用了一个10千瓦的系统——30到34块3×5面板——这至少是450平方英尺。除了用于清理的空间外,仅面板就需要300平方米的空间,这可能导致总计900平方英尺的空间。ft需要适应这个系统。
规范要求面板周围有清晰的屋顶空间,屋顶上有供消防员进入的通道,以及面板和其他屋顶穿透或特征(如天窗和管道通风口)之间的空间——所有这些都是Cobo在设计中考虑到的;他还指定了无排气区。就像所有设计师应该做的那样,他的计划围绕着这样的要求,即面板的安装不能反射到邻居的开窗或覆层上。
屋面材料事宜
由于其节能、坚固和耐用性,立缝金属是光伏装置最兼容的屋顶材料。它允许阵列安装在接缝处,而不需要任何屋顶穿透,并且所使用的夹具比沥青瓦屋顶的安装硬件更便宜。然而,金属并不总是与建筑风格保持一致,而且它很昂贵。
沥青瓦要便宜得多,但它们需要多次穿透——通常是沿着安装面板的轨道系统每4英尺穿透一次。这增加了过早泄漏的可能性,缩短了屋顶的使用寿命。此外,沥青瓦屋顶的寿命为15至20年,比大多数光伏系统的寿命短。
在粘土、石板和混凝土瓦屋顶上安装阵列是困难的,因为这些材料很脆,容易破裂。此外,为了正确地固定面板,安装人员需要将货架设备的脚直接螺栓固定在屋顶上,这需要拆除瓦片。Cobo更喜欢在安装阵列的地方使用立缝金属屋顶,他将在选定的瓦片中完成屋顶的其余部分。他将这种方法称为“脱衣安装”。
可以公平地推测,这三位设计师都赞成施工前的规划、简单的屋顶形状和与太阳能兼容的屋顶材料,这是一个好的太阳能设计的成本效益和功能的关键。
凯利·雅克是《华盛顿邮报》的高级编辑绿色建筑顾问。
照片:布莱恩Pontolilo
来自Fine Homebuilding #294
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