JUAL智库 | 单层屋面光伏系统火灾蔓延的风险分析与预防

（优尔屋面科技（苏州）有限公司，江苏苏州，215000）

随着光伏技术的快速发展，越来越多光伏系统已被广泛应用到建筑屋面上，尤其是可利用面积较大的工业厂房，成为近几年工商业分布式光伏电站的优选载体。

光伏组件发电期间，组件内部无法彻底关断，加上较复杂的电气结构及材料特性，光伏系统存在一定的起火风险。一旦发生火灾，火势在光伏组件间和屋面结构中的迅速蔓延可能对工厂生产运营和人员安全造成严重威胁。

 

1. 屋面光伏电站起火原因

屋面光伏系统起火主要原因可以归纳为以下三类：

A. 电气因素

接线松动：连接器或电缆松动，导致接触不良，形成电弧，引发火灾。

短路：电气元件老化或安装不当可能导致电路短路，产生高温并引发火灾。

直流电弧：太阳能发电系统中直流电压较高，若出现断路或接触不良，容易产生电弧。

B. 组件因素

热斑效应：光伏组件部分遮挡或损坏时，热量集中在特定区域，可能引起组件过热甚至燃烧。

C. 外部因素

接地不良：接地系统设计不合理，导致静电累积或漏电事故。

极端天气：雷击、暴风雨、冰雹等自然灾害可能导致组件或系统损坏，引发火灾。

异物干扰：如积灰、落叶、鸟巢等阻挡组件表面或压迫电缆，引起局部过热。

 

2. 单层屋面光伏系统中各组成材料的燃烧能量分析

单层屋面光伏系统中燃烧释放的能量可以通过估算各材料的构成及其热值得出。

光伏组件的主要材料包括光伏玻璃（70-75%，不可燃）、封装材料EVA/POE（10-15%，可燃，热值约30MJ/kg）、硅片（5-8%，不可燃）、背板PET/PVDF（5-10%，可燃,热值约30MJ/KG）、金属导体（铝框架、接线等，3-5%，不可燃）以及接线盒（1-2%，可燃，热值约30MJ/kg）。

单层屋面上主要材料包括防水卷材（TPO/PVC，可燃，热值40/17MJ/kg），保温材料（岩棉不可燃，XPS可燃，热值约40 MJ/kg）以及隔汽层（PE，可燃，热值约40MJ/kg）。

以国内常见光伏组件尺寸2278×1134 mm为例，其重量约27kg，其中可燃物占25%（即6.75kg），燃烧释放的能量为6.75kg×30MJ/kg=202.5MJ；单层屋面以TPO防水卷材+岩棉保温材料为例，TPO防水卷材重量按1.5kg/m²估算，PE隔汽层重量按0.4kg/m²,即总可燃物约4.9kg，燃烧释放的能量为4.9kg×40MJ/kg=196MJ。

当屋面发生火灾时，一块光伏组件面积下各屋面和光伏系统中可燃材料燃烧后释放的总能量约为398.5 MJ，相当于燃烧10升汽油（1升汽油的燃烧热值约为40 MJ）。

 

3. 单层屋面火势蔓延主要方式及其具体表现

当现有火势的火焰蔓延并点燃附近材料时，这是最容易理解的火势蔓延形式，因为它涉及火焰和易燃物体之间的直接相互作用。其实所有火势的蔓延都是通过传导、对流和辐射三种方式完成的。

A. 传导

传导是指热量通过固体材料从高温区域传递到低温区域的过程。这种热量传递不需要物质的整体移动。

如同将一把金属勺子放在一杯热茶中，经过一小段时间，勺子柄虽然没有直接接触茶水，但也会变热。这是因为茶水的热量通过金属勺子传导。

具体在单层屋面系统光伏系统中，通过传导的方式导致火势蔓延的表现如下：

A-1. 屋面结构中的金属材料（如铝合金、不锈钢、屋面钢板等）具有较高的导热性；

A-2. 火灾发生时，热量会通过金属支架或框架迅速扩散到相邻的光伏组件或屋面材料，从而扩大火灾范围；

A-3. 一些屋面保温材料（如聚苯泡沫、聚氨酯泡沫）虽然导热性较低，但火灾发生时，其局部区域会因热传导导致材料软化、分解，甚至助燃。

 

传导蔓延的速度较慢，但会导致火势向远离火源的区域扩展，特别是当选用的结构材料为高导热性材料时。

 

B. 对流CONVECTION

对流是指热量通过流体（空气或液体）的运动进行传递。火灾中对流通常由火焰产生的热空气流动引起。

当火燃烧时，它会加热周围的空气。热空气上升，较冷的空气进入取而代之，形成一个循环，可以将火势和热量传播到其他区域。类似地，在火灾中，上升的热空气会将火焰、烟雾和余烬向上和向外传播，在移动过程中可能会点燃其他物质，这个过程在多层建筑中尤其危险。

具体在单层屋面系统光伏系统中，通过对流的方式导致火势蔓延的表现如下：

B-1. 火焰燃烧产生的高温热气流会向上升起，在屋面上形成热对流，使得火灾迅速向高处蔓延；

B-2. 对于斜屋面，热对流会加速火势从低处向高处扩展，导致火焰覆盖整个屋面；

B-3. 屋面和光伏组件之间的间隙可能形成“烟囱效应”，热空气沿空隙通道快速流动，推动火焰向远处传播。

 

特别是在大风条件下，对流传播的速度会进一步加快，所以，对流是火灾蔓延最快的方式之一，火势会在极短时间迅速扩大火灾面积。

 

C. 辐射RADIATION

辐射是指通过电磁波（红外线）的形式传递热量的过程。热辐射不依赖于介质，可以在真空中传播。

辐射热的一个简单例子是，即使周围的空气很冷，皮肤也会感觉到太阳的温暖。在火灾中，火焰会发出辐射热，这会导致附近的材料升温并着火，即使它们没有直接接触火焰或处于上升热空气的路径上。

具体在单层屋面系统光伏系统中，通过辐射的方式导致火势蔓延的表现如下：

C-1. 火灾中心产生的大量热辐射会加热周围的光伏组件、屋面材料和支架结构，使其温度迅速升高至燃点，引发新的燃烧点；

C-2. 热辐射的强度与火源温度和距离成正比，靠近火源的区域燃烧速度更快；

C-3. 金属表面（如铝合金或屋面钢板）可能反射部分热辐射，使热量在局部区域聚集，形成“热点”，增加火灾扩展的风险。

 

热辐射是引发二次火源的主要方式，特别是在密集的光伏阵列中，会导致相邻组件快速起火，形成连锁反应。

 

D. 三种蔓延方式的综合作用

在实际火灾中，这三种方式通常不是单独起作用，而是综合影响火势的蔓延：

初期阶段：以传导和对流为主，火源通过局部传导和热气流扩展到相邻区域。

中期阶段：热辐射开始显现，周围未燃材料因辐射加热达到燃点，火灾面积迅速扩大。

后期阶段：传导、对流和辐射共同作用，导致火焰全面扩散，难以控制。

 

4. 单层屋面光伏系统火势蔓延主要特点

A. 燃烧速度快

屋面通常为平铺或低倾斜角的结构，火焰可以在水平面上快速扩展。如屋面材料为可燃性材料（如阻燃性差的防水卷材、可燃的保温材料等），火势会迅速蔓延。同时，高温会导致屋面材料的分解、熔化甚至滴落，形成“二次燃烧”。

B. 连锁反应明显

屋面上的光伏电站或其他设备紧密排列，火势容易从一个燃点向相邻区域扩散。火焰传播的路径可能包括光伏组件、支架、连接电缆和屋面材料之间的缝隙。

C. 热辐射传递快

平铺屋面的大面积结构使热辐射作用更为显著，能够快速加热周围材料，促使火焰蔓延。金属支架或光伏组件的框架也会传导热量，加速火势在结构之间传播。

D. 局部高温区域形成

火灾过程中，局部热点（如电气设备故障、可燃材料堆积处）会形成高温区域，进一步引发其他部位燃烧。屋面结构中常见的接线盒、伸缩缝以及保温层下方都是局部热点容易积聚的区域。

 

5. 单层屋面光伏系统的火灾预防

根据以上火灾蔓延方式和特点，通过科学的材料选择和设计优化，可以有效降低传导、对流和辐射对火灾蔓延的影响，从而来提高单层屋面光伏系统的防火安全性。

A. 减少传导的影响

选择低导热性材料作为屋面系统的关键组成部分，如使用导热性较低的岩棉保温层代替高导热性的聚氨酯泡沫材料，以阻隔热量通过屋面结构的快速传递。

对于金属部件（如光伏支架和铝合金框架），可以通过添加隔热垫层或采用热断桥设计，减少火灾中热量向相邻区域的扩散速度。

在屋顶内部设计中，可增加防火隔热层，例如添加耐火板材或防火涂层，进一步阻止热量通过固体结构的传递。

B. 抑制对流的作用

优化屋面通风设计，减少火灾过程中形成的“烟囱效应”。可以通过控制光伏组件与屋面之间的通风间隙，避免热气流的快速流动和火焰的加速传播。

在光伏阵列或屋面系统中合理布置防火隔断，例如每隔一定面积设置不燃材料（如金属防火隔板或砂石带），有效切断热气流的传播路径，防止火灾在大范围内蔓延。

考虑风速和风向对火灾扩散的影响，尽量避免屋顶设计中存在过多贯穿性开口。

C. 降低辐射的威胁

在光伏组件的布局设计中，保持光伏阵列之间合理的防火间距，确保组件之间的最小间距能够有效阻止热辐射引发的连锁燃烧。

选用具有高反射性或耐高温特性的材料，如带有防热涂层的支架、框架及屋面材料，从而减少火源对周围未燃区域的热辐射强度。

在屋顶区域安装阻挡热辐射的隔热屏障或防火墙，例如采用不燃金属板或耐火混凝土作为间隔，进一步降低热辐射对远距离区域的威胁。

 

通过针对火灾蔓延的不同方式采取科学的设计优化和材料选择措施，可以在源头上减缓火灾的扩散速度，同时为光伏系统和建筑本身提供更高的安全保障。这种综合性的防火设计不仅能够显著降低火灾风险，还为光伏技术的更广泛应用奠定了安全基础。

（PV-X在FM认证研究中心进行防火蔓延测试）

火灾蔓延也是单层屋面光伏系统安全运行的******考验之一，更简单的做法是选择一套经过测试认证的系统解决方案，如FM Approved的PV-X光伏系统，通过了一系列严格的性能测试，包括但不限于风荷载测试、抗火性能测试、抗冲击测试、防水性能测试等。这些测试确保系统在极端气候条件下（如强风、大雨、冰雹等）依然稳定运行，具备卓越的耐用性和安全性。同时，FM认证还涵盖材料的耐用性、系统完整性和整体性能表现，为屋顶光伏提供全面保护，是行业高标准的象征。