光伏屋頂荷載計(jì)算示例

以下是一個(gè)光伏屋頂荷載計(jì)算示例，適用于住宅或輕型商業(yè)建筑的坡屋面，采用支架式光伏系統(tǒng)（非BIPV），依據(jù)中國(guó)規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-2012 及《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50797-2012 進(jìn)行計(jì)算。

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一、工程概況

• 建筑類型：混凝土坡屋面住宅
• 屋面坡度：30°
• 屋面結(jié)構(gòu)：鋼筋混凝土屋面板 + 防水層 + 保溫層 + 瓦片
• 光伏系統(tǒng)：
  • 光伏組件型號(hào)：晶科能源 JKM540M-72H（單晶PERC）
  • 單塊組件質(zhì)量：25.5 kg
  • 單塊組件尺寸：2278 mm × 1134 mm × 35 mm
  • 安裝方式：平鋪式（傾角≈30°，與屋面一致）
  • 支架系統(tǒng)：鋁合金支架 + 鋼制固定件
  • 組件數(shù)量：20塊
  • 系統(tǒng)總功率：20 × 540 W = 10.8 kW

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二、荷載分類與計(jì)算

1. 永久荷載（恒載）

（1）光伏組件自重

• 單塊組件質(zhì)量：25.5 kg → 重力 = 25.5 × 9.81 =250.155 N
• 20塊組件總重力：20 × 250.155 =5003.1 N
• 組件投影面積：20 × (2.278 × 1.134) = 20 × 2.582 =51.64 m2
• 組件面荷載：5003.1 N / 51.64 m2 ≈96.9 N/m2（約9.7 kg/m2）

（2）支架系統(tǒng)自重

• 通常按組件重量的20%~30%估算（含橫梁、立柱、緊固件）
• 取 25%：5003.1 N × 25% =1250.8 N
• 支架面荷載：1250.8 N / 51.64 m2 ≈24.2 N/m2

（3）原有屋面構(gòu)造層荷載（已存在，但需復(fù)核是否滿足新增荷載）

• 混凝土屋面板：120 mm厚 → 25 kN/m3 × 0.12 m =3.0 kN/m2
• 保溫層（XPS）：50 mm → 0.05 × 0.35 kN/m3 =0.0175 kN/m2
• 防水層 + 瓦片：約0.5 kN/m2
• 原有屋面恒載合計(jì)：≈3.52 kN/m2 = 3520 N/m2

注意：光伏系統(tǒng)是新增荷載，需疊加在原有結(jié)構(gòu)上。

光伏系統(tǒng)總恒載

= 組件 + 支架 = 96.9 + 24.2 =121.1 N/m2
=0.121 kN/m2

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2. 可變荷載

（1）屋面活荷載（GB 50009-2012）

• 住宅坡屋面（坡度30°）：0.5 kN/m2（水平投影）
• 但光伏系統(tǒng)安裝后，不考慮人員走動(dòng)，通常按0.3 kN/m2取值（光伏行業(yè)慣例）
• 光伏區(qū)活荷載取值：0.3 kN/m2

（2）雪荷載（GB 50009-2012）

• 基本雪壓：0.4 kN/m2（假設(shè)位于南方，如浙江）
• 屋面坡度30°，積雪滑落較易，雪荷載折減系數(shù) μr = 0.8
• 雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值：
  Sk = μr × μs × S0 = 0.8 × 1.0 × 0.4 = 0.32 kN/m2
• 光伏組件對(duì)積雪影響：組件表面光滑，雪易滑落，但支架可能積雪，保守取0.32 kN/m2

若在北方嚴(yán)寒地區(qū)，需按當(dāng)?shù)刈畲笱河?jì)算（如東北可達(dá)0.6~1.0 kN/m2）

（3）風(fēng)荷載（GB 50009-2012）

• 基本風(fēng)壓：0.45 kN/m2（50年一遇）
• 屋面高度：10 m，地面粗糙度B類
• 風(fēng)壓高度變化系數(shù) μz = 1.0
• 風(fēng)荷載體型系數(shù) μs：
  • 正壓（迎風(fēng)面）：+0.8
  • 負(fù)壓（背風(fēng)面）：-1.0（取不利值）
• 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：
  wk = μz × μs × βz × w0 = 1.0 × (-1.0) × 1.3 × 0.45 = -0.585 kN/m2
  （βz為陣風(fēng)系數(shù)，取1.3）
• 風(fēng)吸力：0.585 kN/m2（向上，對(duì)固定件拉力極大）

關(guān)鍵點(diǎn)：風(fēng)荷載是光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制性荷載，尤其在高層、沿海、大跨度建筑中。

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三、荷載組合（按承載能力極限狀態(tài)）

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-2012，采用基本組合：

組合1：恒載 + 活載 + 風(fēng)吸力（最不利）

textCopy Code1.2 × 恒載 + 1.4 × 活載 + 1.4 × 風(fēng)吸力= 1.2 × 0.121 + 1.4 × 0.3 + 1.4 × (-0.585)= 0.145 + 0.42 - 0.819= ‌**-0.254 kN/m2**‌（凈向上力）

組合2：恒載 + 雪載 + 風(fēng)吸力

textCopy Code1.2 × 恒載 + 1.4 × 雪載 + 1.4 × 風(fēng)吸力= 1.2 × 0.121 + 1.4 × 0.32 + 1.4 × (-0.585)= 0.145 + 0.448 - 0.819= ‌**-0.226 kN/m2**‌

組合3：恒載 + 風(fēng)壓（正壓）

textCopy Code1.2 × 0.121 + 1.4 × 0.3 + 1.4 × 0.585= 0.145 + 0.42 + 0.819= ‌**1.384 kN/m2**‌（向下壓力）

控制性組合：風(fēng)吸力組合（組合1和2），凈向上荷載約0.25 kN/m2

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四、結(jié)構(gòu)復(fù)核要點(diǎn)

項(xiàng)目	要求	本例情況
屋面板承載力	原有屋面恒載3.52 kN/m2 + 新增0.121 kN/m2 = 3.64 kN/m2	混凝土板設(shè)計(jì)荷載通?！?.0 kN/m2 →滿足
支架錨固強(qiáng)度	抵抗風(fēng)吸力0.25 kN/m2（即25 kg/m2）	每個(gè)支架點(diǎn)需承受約100~200 N拉力 → 選用M8以上膨脹螺栓+鋼夾具，抗拉≥1.5 kN →滿足
屋架/檁條承載力	需驗(yàn)算局部集中荷載傳遞	建議由結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行檁條彎矩、撓度復(fù)核
排水與防水	避免破壞防水層，采用無(wú)穿透支架或?qū)Ｓ梅浪鬃?/td>	建議使用夾具式安裝，避免鉆孔

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五、結(jié)論與建議

1. 光伏系統(tǒng)新增恒載：約0.12 kN/m2，對(duì)混凝土屋面影響極小，通常無(wú)需加固。
2. 風(fēng)吸力是關(guān)鍵：最大風(fēng)吸力達(dá)0.585 kN/m2，支架錨固必須按此設(shè)計(jì)，嚴(yán)禁僅靠膠粘或輕型夾具。
3. 雪荷載影響中等：南方地區(qū)影響較小，北方需重點(diǎn)考慮。
4. 建議：
   • 采用無(wú)穿透式支架系統(tǒng)（如夾具式）保護(hù)屋面防水；
   • 所有連接件需提供抗風(fēng)揭檢測(cè)報(bào)告（如UL 2703或IEC 61215）；
   • 委托有資質(zhì)的結(jié)構(gòu)工程師出具光伏荷載復(fù)核報(bào)告，作為驗(yàn)收依據(jù)。

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附：荷載匯總表（單位：kN/m2）

荷載類型	標(biāo)準(zhǔn)值	設(shè)計(jì)值（1.2/1.4）
光伏組件	0.097	0.116
支架系統(tǒng)	0.024	0.029
恒載合計(jì)	0.121	0.145
活荷載	0.300	0.420
雪荷載	0.320	0.448
風(fēng)吸力	0.585	0.819
最不利組合（風(fēng)吸力）	—	-0.254 kN/m2

最終結(jié)論：該光伏系統(tǒng)荷載在常規(guī)混凝土坡屋面上安全可行，但必須確保支架抗風(fēng)設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)。

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