BIPV 系统的消防安全研究综述

居晓宇，廖百胜,2，黄玉彪，彭 扬，杨立中*

(1. 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026；2. 西南科技大学土木建筑与艺术学院，绵阳 621010；

3. 国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥 230601)

0 引言

在人类社会飞速发展的同时，传统化石能源如煤炭、石油等却正日益枯竭。为应对能源短缺危机，人类开发利用了多种新型能源，而太阳能因具有能量的持续性[1]、普遍性、清洁和安全可靠等特点受到了广泛关注与应用。光伏发电作为利用太阳能的重要形式，其与建筑结合应用的方式[2-3]近年来取得了快速发展，这种将光伏发电与建筑相结合的系统称为光伏建筑一体化(BIPV)系统；但该系统在为建筑提供能源的同时，也为建筑的火灾防治带来了新难题。在过去数十年间，世界范围内由BIPV系统引发的火灾时有发生，造成了较为严重的人员伤害和财产损失。虽然这种形式的火灾问题已经越来越引起人们的重视，但目前对其的研究仍处于起步阶段。本文对BIPV 系统及其引发的火灾的危险性进行了阐述和分析，系统地介绍了现有研究成果，并对未来的研究进行了展望。

1 BIPV 系统的发展状况

在全球总能耗中，建筑能耗约占30%以上，为了实现建筑节能，BIPV 系统被证明是一种有效的方式[4]。通过分析发现，BIPV 系统具有以下诸多优点：1)光伏组件可直接安装在建筑围护结构的表面(或屋顶)，无需额外占用土地；2)可实现就地发电及利用，大幅节省了电网运输的投资成本，并降低了输电损耗[5]；3)除了向建筑自身供电外，还可将多余电能输送到电网，以缓解用电高峰期的供需矛盾；4)安装在建筑围护结构表面的光伏组件可吸收部分太阳光，有助于改善室内温度，降低空调的负荷[6-7]；5)有助于推动光伏组件的生产及应用场景的增加，降低光伏组件市场价格[8]。

过去数十年间，多个国家相继出台了BIPV系统的发展规划。为振兴经济、缓解能源危机，美国一直将开发新能源技术列为其重要的发展对策，并于1997 年提出了“百万光伏屋顶”计划，即在100 万个建筑屋顶或建筑的其他位置安装光伏发电系统；法国、德国、意大利、西班牙等欧盟国家相继制定了新的能源政策，着力于推动光伏发电产业的发展；印度尼西亚、印度等发展中国家也出台了一系列的优惠政策，以扶持光伏发电产业的发展。

中国自2006 年实施《中华人民共和国可再生能源法》以来，致力于大力发展光伏发电，并取得了显著成绩。财政部与住房和城乡建设部都积极响应国家“大力推进节能减排，积极开发新能源”的号召，于2009 年共同发布了包括《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》及《关于印发太阳能光电建筑应用示范项目申报指南的通知》等文件，以补贴和鼓励示范性光伏发电项目的发展。2016 年，国家能源局在《太阳能发展“十三五”规划》中提出，到2020 年底，全国光伏发电总装机容量达到1.05 亿kW，太阳能年利用量超过1.4 亿tce。

2 光伏组件的分类

目前已有多种类型的光伏组件被应用于BIPV 系统。其中，晶体硅光伏组件由于开发最早且发电效率高，其市场份额最大，约为86%。晶体硅光伏组件的结构如图1 所示。

因覆盖层材料的差异，晶体硅光伏组件可分为硬质光伏组件和柔性光伏组件2 种类型。硬质光伏组件的覆盖层材料为钢化玻璃，其坚固耐用，可有效保护电池和其他封装材料；而柔性光伏组件的覆盖层材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。柔性光伏组件作为近年来刚进入市场的新型产品，因柔韧性强、可裁剪、便携等特点而逐渐受到用户的青睐。

3 BIPV 系统的火灾危害性

在光伏组件的各层封装材料中，EVA 胶膜和TPT 背板均属于可燃性材料，增加了建筑自身的燃料荷载。除上述材质问题外，BIPV 系统带来的火灾危害还体现在以下5 个方面[9-10]：1)妨碍建筑通风排烟系统的正常运行。建筑发生火灾时产生的烟雾可能会在光伏阵列下方积聚，对建筑通风排烟系统排出内部烟雾产生不利影响。2)改变建筑内、外部的火势蔓延途径。建筑发生火灾时产生的火焰在光伏组件下方延伸，从而形成顶棚射流火焰，会显著增加组件下方屋面材料受到的火焰辐射。这势必会改变火焰的蔓延路径，对建筑造成更严重的损害。3)妨碍消防灭火救援操作。当建筑发生火灾时，消防人员将无法在较短时间内通过破拆作业等方式快速到达建筑内部，救出被困人员。4)若BIPV 系统发生火灾时光伏发电系统正处于工作状态，会给消防救援人员带来触电的危险。5)光伏组件燃烧产生的毒性气体会对附近人员造成伤害。

表1 展示了近几年国内外涉及BIPV 系统引发火灾的案例。从表中可以看出，BIPV 系统引发火灾后破坏性强，火灾的防治难度高。因此，对BIPV 系统引发的火灾的危险性进行系统性地研究变得尤为必要。

4 BIPV 系统的火灾特性研究进展

针对BIPV 系统的火灾特性，研究人员已开展了一些研究，主要包括光伏组件的火灾特性、组件内部可燃性材料的火灾特性，以及光伏阵列对建筑火灾危险性的影响特性等。

4.1 光伏组件的火灾特性

WOHLGEMUTH 等[11]发现，串联电阻高、热斑效应和电弧故障是导致光伏组件过热进而起火的主要原因。为增强组件的安全性，他们提出了以下建议：1)筛除具有低分流电阻或易产生热斑效应的光伏组件；2)最大程度地减少电路内部的开路；3)确保足够的旁路二极管保护，并可根据ASTM E 2481[12]或IEC 61215[13]中的规定对组件进行热斑效应测试；4)防止因安装不正确引起的接地故障。

表1 近几年BIPV 系统引发火灾的案例Table 1 Recent fire cases caused by BIPV system

CANCELLIERE[14]按照意大利的消防指南中的相关规定，对现有的光伏组件引发的火灾的危险性进行了系统评价，并提出了降低BIPV 系统火灾危害的解决方案。

CHOW 等[15]针对2 种晶体硅光伏组件开展了热重和红外光谱分析，其中一种是使用了聚氨酯粘合剂的硅酸盐光伏组件，另外一种组件中含有环氧树脂，并且可能存在火焰阻燃剂。通过利用锥形量热仪进行燃烧测试，获得了2 种组件的总热释放量、闪燃概率和烟气毒性等可以表征其热危害与烟气毒性危害的参数。结果显示，在燃烧的早期阶段，2 种组件的热危害很小，但有大量的烟气颗粒生成。

YANG等[16]通过开展锥形量热仪燃烧实验，研究了晶体硅光伏组件的火灾特性。实验观测到了光伏组件的着火时间、质量损失速率、热释放速率、CO 和CO2浓度等参数，并基于Petrella准则[17]对光伏组件引发的火灾的危险性进行了评价。

居晓宇等[18-20]研究了柔性与硬质晶体硅光伏组件的点燃温度、点燃时间、热释放速率和临界点燃热通量等参数，表征了其着火特性，提出了预测光伏组件着火行为的数学模型。图2 展示了锥形量热仪燃烧实验中柔性与硬质晶体硅光伏组件的典型燃烧现象[18]。

LIAO 等[21]利用火灾早期特性燃烧实验装置研究了以PET 作为基质层的光伏组件的燃烧热与毒性危害。通过研究该种光伏组件在外加不同辐射热流作用下的点燃时间、质量损失速率、热释放速率及总燃烧热，分析总结了其热危害特性；同时，利用气体探测设备对燃烧产生的如二氧化硫、氟化氢、氰化氢等毒性气体进行了探测，并结合毒性评价指标对气体毒性进行了综合评价。

4.2 光伏组件内部可燃性封装材料的火灾特性

晶体硅光伏组件内部的可燃性封装材料包括EVA 胶膜和TPT 背板。研究人员已针对这2 种材料的热解燃烧特性开展了相关研究。

BONNET 等[22]研制了一种包含磷和硅元素的阻燃型EVA 胶膜，其加热测试结果显示，这2 种元素对于电荷量较低的太阳电池产生了协同作用，并在电池表面形成了致密的碳化层，导致该EVA 胶膜的峰值热释放速率比纯EVA 胶膜的降低了近35%。

居晓宇等[10]采用热重-红外光谱联用分析法测定了典型晶体硅光伏组件封装材料EVA 胶膜和TPT 背板的热解反应动力学参数，揭示了其热解反应机制和产物挥发特性。

OHUCHI 等[23]使用氟塑料替代光伏组件中的EVA 胶膜。通过火焰蔓延测试发现，采用氟塑料封装的光伏组件着火后产生的火焰要弱于采用EVA胶膜封装的光伏组件着火后产生的火焰。

MCGRATTAN 等[24]使用热重-红外光谱-质谱分析法观测了EVA 胶膜的热解特性，发现其主要有2 个热解阶段：醋酸分离和碳氢主链的断裂。

NAIR 等[25]分别研究了FEVE/PET 背板、PVDF/PET/PVDF 背板和PVF/PET/PVF 背板这3种不同类型的商用光伏背板的燃烧特性。实验结果显示，PVF/PET/PVF 背板的阻燃效果最佳；同时发现，背板厚度对背板燃烧时间的影响较大。

4.3 光伏阵列对建筑火灾危险性的影响特性

BIPV 系统中的光伏阵列通常安装于建筑屋顶或立面，其除了增加建筑自身的燃料荷载外，还改变了建筑围护结构的火灾动力学边界条件，对火势蔓延途径产生了不利影响，加重了对建筑的损害。

美国保险商实验室的BACKSTROM 等[26-27]建立了全尺寸房屋及相应的屋顶光伏阵列模型，用于模拟与BIPV 系统相关的火灾，以研究消防员灭火救援过程中遇到的潜在危险。其开展了2组实验：一组为建筑室内发生轰燃后火焰经窗户蔓延烧至屋顶的光伏阵列上；另一组为屋顶上的可燃材料着火并蔓延到光伏阵列背面。实验结果显示，建筑着火后，切断与某一组光伏组件连接的电路，并不能完全避免发生电气火灾；2)光伏阵列下方的火焰会破坏屋顶，从而导致火势蔓延至阁楼空间。

KRISTENSEN 等[28]研究了屋顶上光伏组件背面蔓延的火焰对屋面的再辐射特性。实验中，光伏组件被固定在坡度为13°的屋顶上，最低点距离屋面高度为9 cm。在测量了光伏组件下方屋面上的辐射热流后发现：1)倾斜的光伏组件的下方屋面中，屋面抬升较高的一侧受到的火焰再辐射热流较大。这是因为火焰在撞击倾斜的光伏组件背面后更多地偏向了屋面较高的一侧，从而形成了火焰的不均匀分布，增加了火焰偏转较高一侧的再辐射热流。2)通过改变光伏组件的倾斜角度和安装角度，可以影响其背面的火焰分布情况，进而影响组件所在屋面受到的火焰再辐射热流分布。

MIAO 等[29]选取典型的“房间-竖井”连通结构，进行实验，其在房间入口处放置了油池火火源，竖井立面安装了4 块光伏组件。实验结果显示，与未安装光伏组件的情况相比，安装光伏组件后会对竖井内的烟气排出产生影响，导致竖井内温度显著增加，加剧了火灾的危险性。

居晓宇等[10,30]量化分析了平/坡屋顶安装光伏组件对建筑火灾安全的影响机制，建立了预测火焰辐射反馈热流分布规律的理论模型，提出了屋顶光伏阵列的安装建议。图3 展示了平屋顶安装的光伏组件对屋面火灾再辐射特性影响的实验设计。

4.4 光伏组件火灾的灭火技术

当BIPV 系统发生火灾时，由于光伏组件通常具有较高的电压(300～1000 V)[11,31]，且无法及时断开，因此在对其灭火的过程中，电力安全成了研究人员需要重点考虑的问题。

TOMMASINI 等[32]研究了以水流作为灭火剂，对建筑屋顶上带电的光伏组件进行灭火时，这一过程中的安全距离问题；综合研究了包括水枪喷嘴设计、射流形状、水压及水流长度等在内的不同条件下的灭火情况，并对射流水雾的导电特性进行了评估。研究结果发现，在考虑安全距离的情况下，上述不同条件时的水流可以安全地熄灭直流电压高达1000 V 的带电光伏组件。

RAMANUJAM 等[33]开展了不同喷嘴直径、水压和灭火距离下对建筑立面的带电光伏组件灭火的研究。实验结果表明：1)在其他参数保持不变的情况下，增加水压，漏电电流减小；2)增加水枪喷嘴与带电光伏组件之间的距离可以减小漏电电流，而增加喷嘴直径可以增加漏电电流；3)在直流输入电压为50 V、喷嘴直径为9 mm、1.2个标准大气压的情况下，熄灭带电光伏组件的安全距离为88 cm；4)在直流输入电压为50 V、1.2个标准大气压的条件下，当喷嘴直径为5 mm 时，熄灭带电光伏组件的安全距离则上升为98 cm。

除上述文献外，笔者尚未发现其他涉及BIPV 系统中光伏组件火灾灭火的相关研究。

5 对未来研究的思考

综上所述可知，前人已经开展了与BIPV 系统相关的火灾的危害和特性的相关研究，未来可以考虑从以下几个方面进一步开展深入研究。

5.1 光伏组件热解燃烧特性

由于光伏组件包括多层材料，若组件着火，其火焰蔓延过程必然涉及到内部材料的传热及热解。未来可以结合已经得到的可燃材料热解特性参数，建立光伏组件在外加辐射条件下的表面热吸收、内部热传导和热解的一维热解模型，以预测光伏组件的着火时间[8]。

目前多是在自然通风条件下对光伏组件开展锥形量热仪实验研究，然而在实际的BIPV 系统火灾中，位于火场中的部分光伏组件周围的氧浓度可能要低于大气中的氧浓度，进而产生不同的燃烧行为。因此，未来可考虑采用材料火蔓延装置(FPA)，针对光伏组件在不同氧气浓度下的燃烧行为进行研究。

此外，还可对光伏组件燃烧产生的氟化氢(HF)气体的毒性进行评价；开展对小尺寸FPA测试实验结果适用性的研究，即评价缩尺模型研究结果应用于真实火灾场景中的情况；研究光伏组件热解燃烧行为与环境的耦合作用等；同时，可以利用变倾角辐射实验台(如图4 所示)研究光伏组件在不同外部条件(如倾斜角度、外加辐射及环境风速)下的燃烧特性，同时可对燃烧尾气毒性进行测定并评价。

由于光伏组件的种类多样，其燃烧特性差异较大，因此可以考虑开展不同类型光伏组件的燃烧特性测试，对所测得的数据进行归纳整理；同时可借助已建立的理论模型对测试得到的数据进行深化研究；最后，建立相应数据库，以便于与BIPV 系统相关的研究者、生产商及工程技术人员进行参考和查阅。

5.2 光伏组件对建筑围护结构火灾安全的影响机制

现有的研究大多是针对屋顶光伏组件背面的火焰延伸特性，并提出了预测再辐射热流分布的关系式。未来可以开展建筑立面BIPV 系统火灾特性的研究。主要研究内容可包括：搭建缩尺BIPV 系统模型，研究不同窗户开口尺寸、不同溢流火源功率对建筑立面上安装的光伏组件火灾特性的影响；针对不同类型的建筑立面光伏组件的火灾特性开展对比研究；耦合窗户大小、火源功率及环境风向、风速等因素，综合研究这些因素对建筑立面光伏组件火灾特性的影响；探究BIPV 系统缩尺模型实验结果在真实尺度下的适用情况。

5.3 光伏组件电力故障引发自燃的特性

BIPV 系统中处于运行状态的光伏组件通常具有较高的电压(300～1000 V)[11,31]，这意味着当组件自身出现电路故障时可能会发生自燃现象，进而引发建筑火灾。现有的研究发现，热斑效应、电弧故障和高串联电阻是导致光伏组件过热，从而引发火灾的直接原因。未来可侧重于研究不同电阻阻抗效应及电弧放电能量对光伏组件自燃的影响。同时，还可以对比研究不同老化程度的BIPV 系统中光伏组件产生电路故障的特性。

此外，也可以对光伏发电系统中各组成模块(如光伏方阵、蓄电池组、蓄电池控制器、逆变器、交流配电器及太阳跟踪器等)出现故障后对整个系统安全性能的影响展开研究，进行总结归纳后，提出相应的电力火灾安全评价模型。所涉及到的故障包括：逆变器无法启动或正常运行时突然停止工作；直流输入开关或交流输出开关无法正常合上，即一合上就跳闸；正常光照下，逆变器输出功率不稳定等因素。

5.4 光伏发电系统火灾的灭火技术

现有的研究重点关注在使用水作为灭火介质来扑灭带电光伏组件引发的火灾；然而水是一种电导体，灭火人员在扑救过程中存在触电的风险。因此，寻找更加安全高效的灭火剂将成为未来研究的重点之一。通过系统对比研究市场上现有的如干粉、泡沫、气体及水等常见灭火剂在不同类型光伏发电系统火灾中的灭火效果，总结出采用不同灭火剂的各灭火方法的优、缺点，并据此探讨是否需要开发更加实用有效的灭火剂。

5.5 光伏发电系统火灾的智能探测监控

由于BIPV 系统通常包含大量光伏组件，当某块或某个区域的组件发生故障引发火灾时，若无预警措施，火势可能由此蔓延开来，造成严重后果；但若在故障发生早期阶段即能监测到设备异常，并通报中控室，则可以大幅减小损失，降低引发大型火灾的风险。

为了实现光伏发电系统火灾的早期探测报警，可以考虑从以下2 个方面开展研究工作：1)建立电力监测系统。对运行中的组件的电力学指标参数(如电压、电流及电阻等)进行实时监测，一旦出现异常，立即通报控制系统对异常情况作进一步判断和确认；2)开发一套现场消防探测报警系统，其可由光电感烟探测器、摄像头模组、温度传感器及通信芯片组成复合型可视化探测器，同时耦合通信控制单元、输入输出控制单元及图像处理单元，以图像数据形式反映现场情况，并传输到中控系统，为相关人员判断故障情况提供重要依据。随着智慧消防技术的发展，可以考虑将控制系统集成到相关管理人员的手机等个人移动设备上，实现随时调阅现场情况的功能。

6 结论

本文对BIPV 系统的发展状况、BIPV 系统引发火灾的危害性及与BIPV 系统相关的火灾特性的研究进展进行了介绍，并针对现有研究的不足，从光伏组件热解燃烧特性、光伏组件对建筑围护结构火灾安全的影响机制、光伏组件电力故障引发自燃的特性、光伏发电系统火灾的灭火技术及光伏发电系统火灾的智能探测监控等方面对未来的研究进行了展望。

美国伍斯特理工学院出版的《绿色建筑的消防安全挑战》重点分析了现有的建筑可持续能源系统设计对建筑消防安全的影响[34]，并针对BIPV 系统的消防安全提出了一些在实际应用中的建议。由此可见，BIPV 系统消防安全已经引起国际上的广泛关注和重视。科学防/减灾是实现BIPV 系统消防安全的必由之路，其中重点是加强对光伏组件自身火灾特性的认知，并针对其发生机理制定出科学合理的应对方案和改进措施，进而从根本上实现BIPV 系统经济效益与消防安全并行的目的。