背景简介

上海于2023年2月发布了《关于推进本市新建建筑可再生能源应用的实施意见》（以下简称《实施意见》）。该实施意见的主要目标是：到2025年城镇新建建筑可再生能源替代率达到10 %，到2030年城镇新建建筑可再生能源替代率达到15 %。

上海这座繁华的国际大都市，其建筑设计已融入科技、环保、人文的因素。建筑光伏作为可再生能源应用的重要组成部分，在上海高质量发展的实践中，也扮演着越来越重要的角色。由我院电气总师沈育祥先生主编的上海地方标准《民用建筑电气防火设计规程》在2022年启动了新版本的修订工作，笔者有幸参与了建筑光伏相关的电气防火技术措施的研编，把研编过程中一些思考和体会汇总到本文之中。

上海建筑光伏安装面积的确定方法

《实施意见》包括指导思想、主要目标、基本要求、建设要求、管理要求、保障措施共6个部分。其中有三个要点需要电气设计师重点关注：

a. 要点一：对初始发电效率的要求。《实施意见》的基本要求中对光伏初始发电效率作了明确要求：① 采用晶硅组件的应不低于18 %；② 采用薄膜组件的应不低于12 %；③ 采用透明幕墙薄膜组件的无初始发电效率要求。

b. 要点二：对光伏安装面积的要求。建筑屋顶安装太阳能光伏的面积应根据建筑物屋顶面积核算：太阳能光伏安装面积 = 建设用地内所有建筑物屋顶总面积 × 太阳能光伏安装面积比例。如太阳能光伏系统安装在立面，则安装面积应进行折算：太阳能光伏安装面积 = 安装在立面的太阳能安装面积 × 0.6。

c. 要点三：太阳能光伏安装面积比例的要求。在《实施意见》的建设要求章节，对于新建公共建筑、新建居住建筑、新建工业厂房都提出了相应的要求。以新建公共建筑为例，新建公共建筑应同时满足两个条件：① 光伏安装的要求；② 可再生能源综合利用量。其中光伏安装的要求也就是对不同类型建筑有不同的光伏面积比例的要求：如国家机关办公建筑和教育建筑屋顶安装太阳能光伏的面积比例不低于50 %，其他类型的公共建筑屋顶安装太阳能光伏的面积比例不低于30 %。面积比例的计算比较简单，本文不再详细展开。但是对于第二个条件再生能源综合利用量的要求需结合DG / TJ 08 - 2329 - 2020《民用建筑可再生能源综合利用核算标准》（以下简称《核算标准》）进行。

首先是可再生能源综合利用量，这个概念是指基地内建筑物一年中各种可再生能源建筑综合应用应提供的可再生能源用量的累积，折算成等效电单位为kWh / a，折算成标煤单位为kgce / a，按下式确定：

QL = E × S        （1）

式中：QL —— 可再生能源综合利用量，kWh / a或kgce / a；

  E —— 可再生能源综合利用量核算系数，kWh / （m ² ·a）或kgce / （m ² ·a）；

  S —— 地上计容总建筑面积，m ² 。

公式（1）中E是指单位建筑面积可再生能源利用量最低核算要求的设置量，该系数按DG / TJ 08 - 2329 - 2020表4.1.3取值，篇幅所限表1仅摘录其中办公、商业、教育3个建筑类型的数据。

所以，依据公式（1）可求得建筑物的可再生能源综合利用量QL。在《核算标准》第4.1.6条要求：“可再生能源建筑应用的常规能源替代量总量不应小于可再生能源综合利用量，常规能源替代量应根据能源系统种类和建筑类型按该标准的表4.1.6取值”，因篇幅所限表2仅摘录表4.1.6的部分内容。

表2中Ac为太阳能集热器外框尺寸总面积（m ² ）；Ad为太阳能光伏外框尺寸总面积（m ² ）。Ac及Ad分别乘以相应的系数再求和就可以计算出太阳能热水系统、太阳能光伏等系统提供的常规能源替代总量。将求得的常规能源替代总量与QL进行比较，当其小于QL时，则再根据项目实际情况增加太阳能集热器或光伏或地 / 空气源热泵的数量，直至不小于QL。至此，上海新建公共建筑光伏的安装面积可以通过上述方法最终确定。对新建居住建筑可采用类似上述的方法，而对新建工业厂房《实施意见》中仅有面积比例不低于50 % 这一个条件，较为简单。

直流电弧

近年来，光伏火灾事故常常见诸报端。当光伏与建筑结合时，光伏引起的火灾风险就更值得我们关注，因为严重时会造成建筑物损坏和人身伤害，甚至蔓延到大楼和周边。直流电弧是光伏系统中非常常见的故障现象，由于接点不牢、绝缘老化、接地不良等情况都会产生电弧。而直流电弧不像交流存在过零点，一旦产生就会持续，不易熄灭。据不完全统计，光伏电站火灾事故半数因直流电弧而起。

光伏系统中的直流电弧主要有3个类别：串联、并联及对地电弧。如图1（引自GB / T 39750 - 2021《光伏发电系统直流电弧保护技术要求》）所示，当发生错误接线或者串联接线断裂易发生串联电弧；当正负极相邻线路之间短路可能形成并联电弧；当绝缘发生故障可能形成对地电弧。

GB / T 39750 - 2021中也提供了直流电弧的防护方法。对于串联电弧而言，接触不良是串联电弧常见原因，而光伏组串过程中对插点很多，接触不良易形成直流电弧。GB / T 39750 - 2021中提到如图2所示的一种隔离方法，隔离装置安装于光伏组串的输出端或逆变器的输入端。实际实施时一种比较常见的方法是由逆变器中集成的隔离装置进行保护动作，但这种方式缺点也很明显：首先，当某一个组串出现串联电弧故障，整个逆变器可能就会因此停机；其次，即便逆变器停机了我们依然无法判定电弧发生的位置，从而无法进行维修和改善。因此一些组件级的隔离装置也应运而生，在光伏组件或接线盒的输出端安装组件级开关装置，在实现故障保护的同时也能实现故障定位。

当组件方阵导体之间发生并联电弧，断开光伏系统直流母线或相应组串是无法熄灭并联故障电弧的，甚至可能导致更大的电流通过电弧通路。GB / T 39750 - 2021中提到的一种短路装置，此装置安装于组串的输出端或逆变器的输入端。我们熟知的交流系统中短路危害巨大，但在光伏直流侧，因为光伏组件的短路电流和正常电流差别不大，故短时间的短路并不会损坏光伏组件（GB / T 39750 - 2021推荐的短接时间是不超过15 s），从而可以人为地采用短时的短路来熄灭并联电弧。待并联电弧熄灭后关闭短路装置，系统就又恢复了正常运行。

当线路老化或机械损伤导致对地放电，将会出现对地电弧。对地电弧有一定的不确定性，例如天气干燥时也许发现不了，但在下雨等潮湿天气可能又情况较严重。运维中较常见的是发生故障时将逆变器停机，等接地处干燥后再开机运行。但是这个方法并没有真正的排除隐患，也没能降低维护人员触电风险。如果安装组件级关断装置，则可以排除隐患的同时定位故障，帮助运维人员故障后进行改善。

目前市场上提供的组件级快速关断产品，除了具备电流、电压、温度、功率等实时监测功能，还兼有各类电弧故障检测及保护、故障定位的功能，但其对建筑光伏的意义还不仅于此，本文第4章将分析其对于消防救援的重要意义。

组件级快速关断对建筑光伏的重要意义

由于光伏组件往往采用串联方式构成回路，光伏直流侧形成的电压范围一般为几百伏到上千伏，即使逆变器停机，光伏组件矩阵内仍然存在千伏左右的直流高压。当光伏或建筑物发生火灾时，如果不能及时将光伏组件关断，很难保障消防人员的安全。在日常运维检修或物业保养时，运检人员也存在触电风险。

在美国国家电气规范NFPA 70 - 2020《National Electric Code》的ARTICLE 690.12，明确提出“PV system circuits installed on or in buildings shall include a rapid shutdown function to reduce shock hazard for firefighters in accordance with 690.12(A)through(D)”,即为了减少消防员的电击风险，应根据条款690.12（A）至（D），在建筑物上及建筑物内的光伏系统电路配置快速关断功能。条款690.12（A）至（D）则从关闭的受控导体范围、受控限值（电压、时间、距离等限值）、操作装置控制的回路数量、设备标识等方面提出了非常具体细致的要求。例如，规定以光伏矩阵周围一英尺为界，在此界限范围外，当快速关断设备启动后30 s内，任意两根导线之间及任意导线与接地之间的电压降低到30 V以下；界限范围内，当快速关断设备启动后30 s内，任意两根导线之间及任意导线与接地之间的电压降低到80 V以下。加拿大电气安装规范《Canadian Electrical Code》2021版也有类似要求。为确保光伏直流侧在发生消防救援时的电气安全，德国电气工程师协会在其制定的电气设备安全技术规范VDE - AR - E 2100 - 712中要求：在光伏系统中如果逆变器关闭或者电网出现故障时，需要使直流电压小于120 V。

快速关断功能对保障消防灭火人员和运维人员的安全非常重要，但目前在国内相关标准和要求中提及得较少，仅在安徽和浙江等部分省份的地方标准中有提及，上海现行的地方标准中也未有相关的规定，具体的设置方法也缺乏相应的规定和指引。建筑光伏作为可再生能源是建筑市政供电的补充，不必承担供电可靠性的要求；运维涉及的人员很多，运维时间跨度也很长；组件数量众多；消防救援时安全保障难。因此笔者认为建筑光伏应该推广采用如图3所示的组件级快速关断系统，同时在消防控制中心和屋顶光伏阵列运维人员的入口处设置紧急操作按钮，在火灾等紧急情况下，通过该按钮可以实现组件级的快速关断，从而将光伏阵列各组成部分的电压降至安全范围。