TPOPVC单层柔性卷材屋面太阳能安装系统解决方案

王文超，马丁•汤姆森

（JUAL Roofing Technology（苏州）有限公司，江苏苏州，215000）

Solar mounting system solution for TPO/PVC single-ply roofing

Wang Wenchao，Martin Thomsen

（Jual Metal Products(Suzhou) Co., Ltd.，Suzhou Jiangsu，215000.China）

Abstract：TPO / PVC single-ply roofing usually has a base surface formation, less shelter, available area, design long life, easy to transform and so on, generally used in industrial plants and large span flat roof. In the single-ply roof to install solar can not only increase the photovoltaic power generation function, but also to maintain a single layer of roof system protection effect, do both. Solar installations are challenging on the single-ply roofs, which is mainly due to the roof's waterproofing performance and roof load considerations.

引言

伴随全球化能源短缺，气候变化等环境压力的逐渐增大，太阳能、风能、生物质能等新能源得到了迅速发展。作为一种可再生能源，太阳能光伏发电可以为企业和居民提供清洁的电力供应，实现人类可持续发展的目标。

得益于光伏技术的不断发展和制造成本的持续下降，光伏技术的应用效益显著提升。按建造一处25年运行周期的屋面太阳能系统估算，仅需5-7年即可回收投资成本。

太阳能规模发电需要较大面积的安装区域，城市可使用土地和农村耕地面积日趋紧张，占用大面积的土地资源安装太阳能组件，会无形增加建造成本和输电距离，而工业厂房具有大面积的空闲屋面成为安装光伏组件成为最佳选择。

但屋面太阳能一旦装机发电投入使用后，难以对使用中的屋面进行翻新，其对建筑屋面防水系统的要求也同时提高。在我国，目前作为屋面太阳能发电装机主要载体的大面积厂房和公共设施建筑，其屋面构造形式主要为传统的压型金属板屋面及新型的TPO/PVC单层柔性卷材屋面。

1 压型金属板屋面太阳能系统

压型金属板屋面太阳能系统是利用金属卡具将横向支撑构件固定于屋面板的板肋上，光伏组件安装于横向支撑构件之上。

国内早期太阳能屋面大多采用压型金属屋面系统，实际应用过程中发现很多缺陷：

1、金属板材的接缝因为施工锁边质量缺陷、风荷载、尤其是太阳能组件安装过程中人员的踩踏，造成锁边松脱，不可避免地导致屋面渗漏，而屋面完工后，屋面大部区域被太阳能电池板覆盖，无法维修，影响厂房的正常使用；

2、金属屋面一般采用滑动支座固定板材，金属屋面板的热胀冷缩应力的通过滑动支座释放，夹具式的光伏紧固件限制了钢板的温度变形，变形的应力不能释放，导致锁边空隙增大导致渗漏；

3、光伏组件的设计使用寿命通常为25年，而国内厂房金属屋面板大多采用树脂涂层，寿面在5-10年左右，屋面板的寿命远低于光伏组件，两者寿命不匹配，且夹具一般采用铝合金材质，与金属板材存在电位差，由于电化学腐蚀，会加速金属板的腐蚀。金属板锈蚀破坏后，需拆除光伏组件，整体更换金属板材，代价巨大。

2 单层柔性卷材屋面太阳能系统

正因为太阳能应用于传统压型金属屋面存在以上缺陷，近年来，越来越多的屋面太阳能开始采用新型的单层柔性卷材屋面系统，一般采用TPO或PVC机械固定单层柔性卷材屋面，屋面层次由上至下一般为：TPO/PVC防水卷材、保温层、隔汽层、压型钢板基层。

相较于传统压型金属屋面而言，太阳能屋面采用TPO/PVC单层柔性卷材屋面具有以下优点：

1、单层屋面可利用面积大，一般除基本的采光和通风外，突出屋面的遮挡物少，平整度高，易于太阳能安装施工和后期维护；

2、卷材搭接边采用热风焊接，接缝可靠，且卷材仅在搭接边固定，大面空铺，基于TPO/PVC卷材的物理化学性能，适应大跨度建筑变形大的特点，防水效果可靠；

3、单层屋面机械固定施工对金属屋面板的厚度有一定要求，金属屋面板的厚度一般在0.75mm以上，设计稳固，如选择合适的安装方式，一般不需要对结构进行二次加固处理；

4、单层屋面作为新型建筑屋面形式，多为近些年建造，且TPO/PVC卷材具有超长的使用寿命，屋面整体寿命与光组件的使用寿命匹配，满足太阳能建造设计的运行周期要求。

3 单层屋面太阳能安装面临的挑战

在单层屋面安装太阳能并非易事，特别是外露防水卷材的性能遭遇两难境地：在防水卷材施工之前安装增加防水细部处理的数量和难度，施工人为因素的不稳定极易出现渗漏隐患；而在防水卷材施工之后安装则造成穿孔，处理不当则出现渗漏及窜水。

在单层屋面上安装太阳能，关键的前提条件是如何不影响屋面原本防水保温性能和经久耐用要求。太阳能安装常见的无穿透安装方法有胶粘法a、配重法b和叠合法c三种。

a.胶粘法是将塑性框架直接与TPO/PVC卷材粘接，保证屋面基本防水性能，对屋面增加的荷载小，但胶粘法只能承重，在风荷载负压吸力的作用下无能为力，直接导致防水卷材的拉伸和破坏，进而造成上部太阳能光伏面板的破坏，风揭风险极大。

b.配重法是依靠自重和外加压重块辅助将太阳能面板固定在屋面上，需要屋面的承载力极高，常见于混凝土屋面，而单层屋面多为大跨度结构，且光伏组件增加的屋面自重至少在20-30kg/m2，同时为了抵消风负压，光伏组件及配重的单位面积均布荷载增加0.50-0.60kN/m2，一般会超出原结构屋面荷载的设计取值，需对屋面结构（如钢梁、檩条）进行二次加固，成本巨大。

c.叠合法是胶粘法中的一种特殊形式，是薄膜光伏条带与卷材直接叠合（无框架）在一起，卷材需与所使用的胶粘剂或底涂料相容，因为无法倾斜，一般效率较低，同时要对屋面坡度由特殊要求，不能最大程度获取太阳能，且太阳能薄膜直接与卷材粘接，热量积聚无法冷却，对屋面卷材的耐久性存在不利影响。[1]

胶粘法和叠合法虽然不对防水卷材造成穿透，但对单层屋面卷材的抗风揭破坏和热老化耐候性造成极大影响，其应用对屋面和光伏组件有特定要求，不具备对单层屋面的通用性；配重法看似不影响单层屋面外露防水卷材的防水性能和耐候性，但对屋面结构要求较高，一般大跨度单层屋面需对钢梁和檩条进行二次加固，则会对上部的金属屋面板和保温防水层造成更大的影响，且成本极高。

因此，需要一种全新的解决方案能同时保证整个外露屋面的防水保温性能和不利荷载控制两大方面，且兼顾系统的成本考虑。

4 不利荷载

屋面不利荷载主要包括自重、风荷载和雪荷载等，在绝大多数单层屋面中，风荷载是影响单层屋面太阳能安装系统安全性的首要因素，因此风荷载是单层屋面太阳能安装系统设计中最主要的控制荷载之一。

以某项目屋面南向太阳能安装系统为例，屋面为TPO防水卷材单层屋面防护系统，屋面高度20m，根据GB5009-2012《建筑结构荷载规范》计算[2]：

其中“负号”意思表示风力方向朝上，即计算单元中支架受到向上的风吸力为1.6kN。

解决单层屋面太阳能安装支架负风压的关键是将这部分力分散传递到屋面结构，穿透和不穿透两种固定方式中，穿透是实现分散传递负风压的可行和可靠的做法。

连接构件穿透屋面系统，根据屋面情况可选择与屋面钢板、屋面檩条或屋面钢梁连接，传力直接，对屋面原有受力性能影响小，但此做法需控制光伏系统支撑结构的重量，以免超出下部屋面结构的承载力。

5 防水性能

穿透屋面系统解决分散传力荷载，但同时带来另一个关键问题就是保证屋面防水和保温的性能。

防水卷材作为一种非成品材料，必须经过完善的施工过程才能将其优良的性能发挥出来，业界常说“三分材料七分施工”，而“七分施工”中最难管控的就是细部节点的处理，尤其是单层屋面防护系统中，由于防水层的外露和空铺，细部节点的小缺陷可能会直接造成整体屋面防水保温性能的失效。

单层屋面防水材料常用PVC防水卷材和TPO防水卷材，其独特的可焊接性和耐久性大幅提升防水卷材应用中搭接边的系统弊端。

穿透连接带来众多屋面细部节点的防水问题，若仍按照常规现场裁剪焊接的方式处理这些细部节点，耗资耗时耗力，也必定造成屋面不可控制渗漏隐患。

细部节点是否能和防水卷材大面焊接施工一样简捷可靠，是解决整体防水保温性能的关键，但此做法需要注意穿透构件的安装方式，以免多工种、多专业交叉施工在天气突变时对屋面防水性能带来的影响。

6 解决方案

综上所述，理想的单层屋面太阳能安装方案需要至少同时满足以下的要求：1）荷载方面，需有足够的安全度来抵抗负风压吸力，同时对屋面增加的重量尽可能小；2）防水性能，需与单层屋面大面防水卷材同样可靠，尽可能减少人为因素的影响；3）施工步骤简单快捷，随时应变天气突变，屋面防水层穿透和修复的时间尽可能足够短。

6.1 不利荷载

屋面采用连接构件穿透屋面系统，根据屋面情况可选择与屋面压型钢板、檩条或钢梁直接连接。为了掌握这种连接方式分散传力对屋面结构的影响情况，采用0.75mm压型钢板单层屋面防护系统进行模拟拉拔实验，特制自锁件与压型钢板扣接，试验分别从正常使用极限状态和承载力极限状态两个方面进行。

正常使用极限状态下屋面板不能有明显形变，为了精确控制屋面压型钢板的变形量，预先设置缓释装置，在压型钢板达到要求变形量时，缓释装置起效，试验结束，结果数据如图5所示。正常使用极限状态时特制自锁件受到的拉拔力对应1332kg，即13.05kN。

承载力极限状态则是对特制自锁件进行破坏试验，最终破坏拉拔力对应2908kg，即28.50kN。

实验证明，在不影响屋面正常使用的情况下，穿透屋面系统的抗拉拔力13.055kN>1.6 kN，满足设计要求。

其次，为减少对屋面系统承重的要求，用于固定光伏组件的支架采用轻型铝合金型材[3]，安装支架系统的重量控制在平均2~3 kg⁄m^2 ，对屋面增加的单位面积均布荷载平均在0.019~0.029 kN⁄m^2 。

6.2 防水性能

穿透系统的防水性能主要集中体现在细部如何与大面防水卷材同质量、同施工、同寿命的问题上，细部节点与大面防水卷材同样施工简捷质量可靠，即无传统的细部节点。

消除金属材料穿透系统与单层屋面防水卷材的细部问题的关键在于能否将防水卷材与金属件无缝连接？

答案是可行的。

避免现场施工多种不确定因素对防水性能的影响，研究出了在工厂内将单层屋面防水卷材与金属件相结合的工艺，采用覆膜技术将TPO/PVC原料与金属板融合制成覆膜板，可与防水卷材直接热风焊接，经试验测试，TPO防水卷材与覆膜金属板热风焊接剥离强度为1.275kN⁄50mm。而TPO防水卷材接缝剥离强度仅为4.0N（H型）和3.0N（L型、P型）。[4]

其次，对覆膜金属板进行了涂层杯突试验，用仪器头部的一球形冲头，恒速地推向覆膜金属板板背面，观察正面覆膜是否开裂或从底材上剥离，通过规定的压陷深度要求。

7 模块化快速安装流程

施工流程：定位基座→安装穿孔基座→安装固定托架→主框架安装→副框架安装→安装太阳能电池板→安装尾部盖

7.1 定位屋面基座

在屋面顶端，用墨盒纵向拉一条平行于屋脊的直线（即垂直于压型钢板波纹方向），根据具体项目以及太阳能支架模块的尺寸将屋顶基座定位。

7.2 安装穿孔基座

在基座位置先沿第一条安装线将防水层用刀割开，开口长度在50~150mm之间。用刀头穿透保温层试探底部压型钢板的上表面。

确定压型钢板上表面后，采用中空切割棒与表面中心位置将保温切除，在同样的相交部位用Φ25mm的不锈钢钻孔器钻孔，再将档杆锚伸入孔内，翻转固定，最后旋紧基座，并用热风焊枪焊接防水层。

基座需安装在轻钢屋面板的波峰位置，在与屋面防水卷材热风焊接时，边角需顺向与导水面，以避免焊缝积水。

7.3 安装固定托架及主副框架

将主框架托架固定在基座上，按照水平线调节下螺母位置用内六角扳手将螺母锁住。

使用带锤头螺母的框架固定架将主框架安装在销钉上。锤形螺栓必须旋转90度才能锁紧，以确保正确的装配。请注意锤形螺栓的尾部方向标识。

副框架与主框架采用两个框架夹进行固定。

7.4 安装太阳能电池板

从一侧开始太阳能电池板的安装，全部安装完成后再进行另一侧的安装，直至安装完成。

第一块电池板的安装需要2个尾部夹及两个中部夹。中部夹在第二块电池板放置到位以后再安装。

8 结语

TPO/PVC单层柔性卷材屋面作为目前防水卷材的高水平应用屋面，在其优秀的防护和耐久性能的基础上，可以发挥更多更大的功能，一举多得，太阳能就是其中之一。本文提到的单层屋面太阳能安装解决方案已通过德国TUV认证，并在丹麦、瑞典、英国、法国、德国和中国等多地区取得良好的应用，业主对屋面的外观、防水性能和太阳能系统均非常满意。

参考文献：

[1] 马大卫.太阳能屋面与防水[J].中国建筑防水，2010增刊1:128-130

[2] GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[3] 周关根等.太阳能光伏组件与金属屋面系统连接设计及工程应用[J].施工技术，2014（14）:194-196

[4] GB 27789-2011，热塑性聚烯烃（TPO）防水卷材[S].