给工业厂房 “顶” 上绿色未来：BIPV 模式的奇妙应用

一、“双碳” 浪潮下的光伏建筑新机遇

在 “十四五” 规划的指引下，中国正大力鼓励发展光伏产业和绿色建筑，这背后是实现碳达峰、碳中和的重要目标。为了达成这个目标，包括光伏建筑一体化（BIPV）在内的绿色产业迎来了前所未有的发展机遇。2022 年，好多省份都出台了支持 BIPV 发展的政策，像提高项目补贴，这给 BIPV 模式的发展注入了一剂 “强心针”。以前，BIPV 模式因为成本高，发展得比较缓慢。但现在不一样了，随着光伏行业的快速发展，光伏发电系统的成本一年比一年低，再加上政策补贴，BIPV 模式即将进入高速发展阶段。

不过，目前大家对 BIPV 模式的研究大多集中在造价方面，对于它在工业厂房屋顶的具体应用研究得还不够多。在分布式光伏发电技术应用方面，市场上主要还是以附着在建筑物上的光伏发电系统（BAPV）模式为主。很多投资商觉得 BIPV 模式的造价要比 BAPV 模式高很多，所以不太愿意选择 BIPV 模式。今天，咱们就来深入研究一下 BIPV 模式在工业厂房屋顶的应用，看看它到底有哪些优势和挑战。

二、BIPV 与 BAPV：模式大不同

现在国内建筑和光伏发电系统结合的设计方案，主要就是 BIPV 和 BAPV 这两种模式。咱们先来说说 BAPV 模式，它就像是给建筑 “披上” 一件光伏发电的 “外套”。通常是在建筑物的屋顶布置光伏组件，形成屋顶光伏发电系统，这也是当前国家大力推进的整县（市、区）分布式光伏发电项目的主要应用形式，适用范围挺广的。BAPV 系统主要包括光伏组件、光伏支架，还有一些用来固定的金属压块、夹具、配重块、螺栓等。在选择光伏支架材质的时候，会根据具体情况，用 6063 铝合金、Q235 普通碳素结构钢或者 Q355 低合金高强度结构钢。在设计的时候，得保证整个 BAPV 系统在各种荷载，像恒荷载、风荷载、雪荷载，还有地震的作用下，都不会影响主体建筑结构的稳定性。

《BIPV项目技术方案.pdf》

而 BIPV 模式和 BAPV 模式可不一样，BIPV 模式下的光伏组件直接就当作屋顶来用，它一边发电，一边还能起到建筑材料的作用，是建筑的一部分。这可是一种新型的屋顶光伏发电系统，能节省不少土地资源，以后很可能会成为分布式光伏发电的主要形式。现在，BIPV 模式主要应用在新建的工业建筑上，像工业园区的厂房、仓库的屋顶。在商用建筑和民用建筑上应用得相对较少，一般是大型综合性超市、高层写字楼的屋顶或者墙面会用。BIPV 系统的组成也挺复杂，有光伏组件、防水支架、Z 型钢光伏组件中部支撑结构，还有透明检修走道（这个可以根据建筑功能选择安装）、检修钣金走道、彩钢板走道，以及根据建筑实际情况设计的各种水切挡水板、防水胶条、屋脊盖板等。为了减轻建筑主体结构的荷载负担，防水支架一般用 Q355 低合金高强度结构钢，Z 型钢用 Q235 普通碳素结构钢。在安装光伏组件的时候，BIPV 模式对防水结构的施工要求特别高，得保证整个屋面都做好防水。

 

三、BIPV 模式在工业厂房屋顶应用的影响因素

（一）承载力：减轻屋顶负担的 “好帮手”

虽然国家在大力推广屋顶分布式光伏发电项目，可很多厂房却因为结构承载力不足，没办法顺利安装。现在工业园区里，轻型钢结构的厂房占比不小。这几年，建筑行业的标准规范一直在更新，像 2017 年的《钢结构设计标准》、2018 年的《建筑结构可靠性设计统一标准》，还有 2021 年的《工程结构通用规范》和《钢结构通用规范》都相继出台。新规范提高了建筑的设计参数和安全系数，这就导致很多按照旧标准设计的工业厂房，现在都不满足承载要求了，需要进行加固。

 

咱们常见的轻型钢结构厂房的屋顶，一般是由钢梁、檩条和彩钢瓦组成。常见的 0.6mm 厚单层彩钢板，每平方米的自重差不多是 0.13kN。要是在屋顶安装光伏发电系统，光伏组件加上防水支架及配套辅材，每平方米重量大概是 0.20kN。这么算下来，安装后屋顶总重量每平方米差不多是 0.33kN。但要是用 BIPV 模式，把光伏组件直接替换掉彩钢板，就能大幅降低钢结构屋顶的恒荷载。

 

咱们拿一个工业厂房来举例，这个厂房屋顶彩钢瓦和檩条的总恒荷载是每平方米 0.20kN，屋顶活荷载是每平方米 0.50kN，基本风压按设计要求取每平方米 0.30kN（50 年重现期取值），基本雪压按 100 年重现期取值，每平方米是 0.45kN，单榀跨度为 8m。在 BAPV 模式下，光伏组件加光伏支架的荷载按每平方米 0.15kN 取值。研究人员用结构设计软件 PKPM，分别计算了 BAPV 和 BIPV 模式下钢梁上方的恒载布置、配筋包络和钢结构应力比。

 

计算结果发现，BIPV 模式能有效减轻屋顶恒荷载，降低刚架应力比。对于一些超限程度比较轻的轻型钢结构厂房来说，采用 BIPV 模式就不用再对房屋结构进行额外加固，直接就能满足承载要求，这可就省下了一笔加固成本。要是超限比较明显的项目，用 BIPV 模式也能减少加固成本。

（二）成本：短期与长期的 “经济账”

成本可是工业厂房选择 BIPV 模式时需要重点考虑的因素。咱们以江西省高速电建新能源有限责任公司投资的江西交通应急养护基地分布式光伏发电项目为例，来仔细算一算这笔经济账。

这个项目打算利用养护基地 5 个仓库的屋顶来建设，总面积大概是 12949 平方米，光伏组件总装机容量为 1.68MW。项目在江西省九江市共青城市科技二大道。在这个养护基地的仓库屋顶采用 BIPV 模式，好处可不少。既能充分利用原有的屋顶，还能产生 “绿色” 电力。从长远来看，和 BAPV 模式相比，还能降低项目建设成本，实现土地的综合利用。

 

从每瓦投资成本来看，按照以往的设计经验，如果采用 BAPV 模式，不算加固成本的话，每瓦投资成本大概是 3.6 元。而这个项目采用的是 BIPV 模式，业主对美观性要求又比较高，经过测算，每瓦投资成本约为 4.1 元。光看这个数字，好像 BIPV 模式不划算，收益率都达不到业主的要求，感觉没什么投资价值。但实际上，设计方和业主沟通后，想出了一个办法，就是成本转移的商业模式。在厂房设计阶段，把 BIPV 模式和 BAPV 模式进行经济性对比，用 BIPV 模式节省下来的屋顶建设、维护成本，去抵消项目额外增加的防水支架成本，这样一来，项目收益率就能达到业主方的要求了。

 

再从整体成本来看，在光伏组件类型一样的情况下，对比新建 1 万平方米彩钢瓦屋顶的光伏发电系统，采用 BAPV 模式和 BIPV 模式的成本差别还挺大。采用 BIPV 模式，不仅能让光伏组件装机容量增加 30%，而且把前期彩钢瓦屋顶建设成本和后期维护成本都算进去的话，BIPV 模式比 BAPV 模式能节省 126 万元。这么看来，BIPV 模式在建设成本上还是很有优势的。不过要注意，这里的成本数据只是参考，在实际工程中，还得根据具体情况仔细测算。

四、BIPV 模式的现实挑战

虽然 BIPV 模式有不少优点，但和已经比较成熟的 BAPV 模式比起来，它也存在一些问题。

（一）短期建设成本高

从短期来看，BIPV 模式的单位建设成本要比 BAPV 模式高，每瓦至少多 0.5 元。在材料成本、技术设计以及安装施工方面，成本都有待降低。不过从长远考虑，BAPV 模式的屋顶维护成本会比 BIPV 模式高很多，所以从长期的经济角度看，BIPV 模式还是有很大优势的。

（二）建筑通风影响发电效率

光伏组件在发电的时候会产生热量，如果建筑本身的通风性能不好，这些热量散不出去，就会降低光伏组件的发电效率，还会让室内温度升高，建筑的节能效果也会大打折扣。现在 BIPV 模式大多用在工业厂房的仓库上，所以在决定采用 BIPV 模式之前，得先评估一下建筑的通风性能。要是通风不好，最好先对建筑进行改造，改造完重新评估后再做决定。

（三）施工要求严格

BAPV 项目施工相对简单，一般在原来的屋顶上就能操作。但 BIPV 项目可就不一样了，因为没有现成的屋顶层，施工的时候可能需要用到专门的吊车、拖车等设备。而且在安装主体防水结构的时候，施工工艺要求特别高，稍微出点小差错，下雨天屋里就可能会漏水，造成经济损失。所以找一支有 BIPV 项目施工经验的专业队伍特别重要，这样能大大降低施工带来的风险。

 

五、总结：BIPV 模式的未来可期

通过研究和实际案例分析，我们发现 BIPV 模式在工业厂房屋顶的应用上，有着不少优势。它能减轻工业厂房钢结构屋顶的恒荷载，如果厂房超限情况不严重，用 BIPV 模式甚至都不用加固，能省下加固成本；就算超限明显，也能减少加固费用。在成本方面，同等建设条件下，BIPV 模式能降低屋顶建设成本，从长远来看，平均每 1 万平方米的厂房，BIPV 模式比 BAPV 模式能节省 126 万元的建设维护成本。

虽然 BIPV 模式目前还存在一些问题，像短期建设成本高、对建筑通风有要求、施工难度大，但随着国家对 BIPV 模式越来越重视，相关的电价补贴政策也陆续出台，这些问题都会逐步得到解决。相信在不久的将来，BIPV 模式会在工业厂房乃至更多建筑领域得到更广泛的应用，为实现 “双碳” 目标贡献更大的力量。