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发电与建筑一体化在北京南站的应用


2009中国(国际)建筑电气节能技术论坛论文集?供配电节能

太阳能光伏发电 与建筑一体化在北京南站的应用
北京住总集团有限责任公司工程总承包部
张立新

摘要文章以太阳能光伏发电与建筑一体化技术在北京南站的应用实例。从施工 的角度介绍太阳能光伏发电与建筑一体化施工过程的质量控制,并指出利 用太阳能发电可以达到节约能源和

环境保护的作用,发展前景广阔。
关键词 太阳能电池光伏发电

建筑一体化施工工艺

1前言
能源是国民经济持续发展的动力,在严峻的能 源价格暴涨的压力下,世界各国都把开发利用清洁

计理念渲染出独具魅力的建筑外观,使建筑物更加 完美和谐。
(2)太阳能光伏发电并网系统没有噪音、没有污

染物排放、不消耗任何燃料,符合当今绿色环保的要 求,环保效果显著。 (3)太阳能光伏发电系统是采用模块化组装形式, 是一种分散式的电力生产装置,非大型集中式的发电 厂,可以降低输电和配电成本,对于建设资源节约型, 环境友好型的社会具有示范效应。
(4)在北京交通枢纽人口稠密地区,利用建筑屋 顶可以为太阳能板阵列提供大量的安装面积,使太阳

能源作为本国未来发展的能源战略。太阳能为人类 提供可持续能源,并保护人类赖以生存的生态环境。 世界各国,竞相推广太阳能光伏发电,尤以德国、日 本和美国力度最大。到2050年,太阳能光伏发电将 达到世界总发电量的10%~20%,成为人类的基础能
源之一。

2005年,国内首个大型公建项目首都博物馆新 馆300kWp太阳能光伏并网发电系统建成投入使用,
它是当时国内最大的太阳能光伏发电并网工程;2007 年北京国家体育馆lOOkWp太阳能光伏并网发电系

能光伏并网发电系统无需建设多余的基础设施和占
额外的土地资源。

(5)太阳能光伏发电与建筑一体化设计可以在
原地发电,原地用电,在一定范围内可以节省电站

统建成投入使用。2006年1月1日,我国颁布《中华 人民共和国可再生能源法》,政府鼓励用户安装和使 用太阳能光伏发电系统。如果说石油能源是20世纪
的主体能源,那么太阳能将是21世纪人类的主体新

送电的投资。对于并网用户,太阳能光伏发电既 可供给本建筑物照明负载使用,又可将多余的电力
送入市区电网。在用电高峰期间可以缓解高峰电力 的压力。

能源,“谁掌握了未来能源,谁就掌握了人类的未来”。 太阳能光伏并网发电的时代即将到来。

(6)太阳能光伏发电并网系统不仅可以满足建筑 能源节约的要求,也可以实现建筑物零排放的要 求。它是一种可再生能源,是人类取之不尽,用之不竭 的永久性能源,它的推广应用对我国节能减排工作具
有深远的示范意义。

2太阳能光伏发电与建筑一体化的优点
(1)与建筑一体化的太阳能光伏发电技术是将 太阳能光伏发电系统与建筑物相结合,以创新的设

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2009年9月-中国北京

婴堕主型垦堕】堡墼里玉蔓堕量查堡堑堡塞薹:璧堡皇堇丝-_—一

3太阳能光伏发电与建筑一体化在北京南站 的应用
(1)北京南站改扩建工程的位置与功能 北京南站改建_亡程位于北京市南二环右安门东 滨河路以南.南i环两路以北,马家堡东路以西,马家 堡西路以东,崇文吒西南角与丰台区右安门地域的交 界处。北京南站改建工程为地上两层,地下i层.共 设13个站台24股道。集客运铁路、城际铁路、地 铁、公交、出租等市政变通设施为一体,是亚洲最现 代化的大型综合交通枢纽。 (2)北京南站改扩建工程的自然条件 北京南站改扩建工程位于东鳋t15020’一1170 32‘,北纬39。23’一41005’,在全国太阳能资源区域划分 中属于一类地区,年日照时数达2600—3000h,为太阳 能光伏发电与建筑一体化设计提供了极为有利的自
然条件。

(3)北京南站改扩建工程应用太阳能板的部位 北京南站改扩建工程站房屋面采用直立锁边金 属板屋面,表面为银色喷涂。中央采光带为彩釉中空 夹腔Low2e玻璃,墙面主要为Low2e中空夹胶玻璃 幕墙。中央椭圆屋面最高点为401ll,檐口高度为20m. 雨篷崖面摄高点30m.檐口高度16 5m,均为异型 曲面。站房中央采光带面积约为14000m2,在中央 采光带的部位安装太阳能电池板,用于白天室内照 明(如图1所示)。整体建筑结构以锕结构、玻璃幕 为外立面诨然一体,给人以飘逸通透,气势宏伟的 现代感受(如例2所示)。
围3太阳能光优井同发电工作原理

5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程 施工工艺流程如图4所币。

4太阳能光伏并网发电的工作原理
光伏并网发电T作原理:光伏并网发电系统主要 由太阳能电池组件、并网三相逆变器、计量装置及配 电系统组成。太阳能能量通过太阳能电池组件转化为 直流电,再通过并网逆变器将直流电转换为与电删同 频率、同相位的正弦渡交流电.一部分给当地负荷供 电,剩余电能馈^电网(如图3所示)。

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5.2施工工艺操作要点
5.2.1

SOL

4.0SN),MC公接头、MC母接头连接锁紧。MC电

太阳能电池板方阵安装 (1)采光屋顶为隐框形式,选用中空玻璃。中空玻

缆应选择最短路径敷设,在每组串MC电缆的头尾
(“+”、“一”极)均应套上写有相应编号的号码管,避免

璃第二道密封胶采用硅酮密封胶,必须与结构性玻璃 配用的玻璃胶相融,将太阳电池组件封装在8+12A+8 (Low—E)+1.52PVB+8mm白色圆点彩釉低辐射钢化夹
胶中空玻璃内。 (2)屋面的太阳能电池组件由2块或3块单块太

连接错误。 (5)电池组件连接线应在全玻组件与全玻组件 或玻璃组件之间的钢结构沟槽内,或光伏屋面钢结构 的预留铝槽内。MC电缆的接线方式见图6所示。 (6)在钢结构屋面的工字钢表面粘贴lmm厚的
橡胶垫片或聚四氟乙烯防腐、防噪音垫片。 (7)钢结构屋面有1100mm、850mm、600ram宽的

阳能电池板串联而成,每块太阳能电池板规格为 600x1200mm,太阳能电池板方阵则是由串联后的太 阳能电池组件并联而成,光伏电池组件内部接线如图
5所示。
MC

铝板装饰带,铝板装饰带厚度为3,0mm单板,表面氟
碳喷涂。太阳能电池板方阵构件的接线盒、汇线盒

铜铟镓硒

MC

导出线,均布置在装饰盖板下的胶缝内。此装饰盖板

具有可拆卸性,便于对线路进行检修(如图7所示)。 (8)汇线盒安装在靠近太阳能电池板方阵间距


100mm沟槽内。钢屋面太阳能电池板组件的MC电

缆,布置在镀锌槽钢两侧的铝槽内,而中间部位的 MC电缆则隐藏在板块之间的胶缝处(如图8所示o
(9)中空玻璃内太阳能电池板组件采用压模成型

的三元乙丙橡胶或氯丁橡胶,作密封垫块及密封胶 条。三元乙丙橡胶、氯丁橡胶或硅橡胶制品,应符合国 家现行《建筑橡胶密封垫预成型实心硫化的结构密封
图5太阳能电池组件

垫用材料规范}HG/T3099—2004和《工业用橡胶板》 GB/T5574—2008的有关规定。
(10)汇线盒尺寸为416x465x179mm,安装在光 伏面上的横向预留钢结构的镀锌槽钢的两侧,24个 汇线盒按照其对应位置进行安装,并做防水处理,设

(3)太阳能电池组件必须经过测试合格方可安装, 对每个光电板组件的测试应作记录存档。光电板组 件测试方法为目测和万用表检测。光电板组件测试 内容为外观完好、开路电压。 (4)太阳能电池板方阵内的电缆敷设。太阳能电
池组件MC电缆敷设随太阳能电池板方阵安装同步

备金属外壳接地,线缆采用锡焊、压接的方式连接。
(1 1)太阳能光伏子方阵布置。按照施工图平面

进行,即安装太阳能电池组件,敷设MC电缆(FLEX一

布置图设计的部位,把太阳能电池板组件安装在相应
MC电缆头现场制作

MC电缆头太阳能板自带

太阳能电池板组件

太阳能电池板组件

图6组件间MC电缆连接

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]口■

图7钢屋面太阳能电池板安装

3.0mm装修铝单板(表面氟碳喷涂)

图8组串至汇线盒MC电缆连接

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}1 2009中国(国际)建筑电气节能技术论坛论文集?甘 配电节能

的位置上,并根据所在子方阵的位置进行对应的编号
(如表1所示)。
表1组件电缆编号组串列
串号 01 02 03 04 电缆编号 +S—Ol—Ol +S—Ol—02 +S—Ol—03 +S—Ol一04 +S—Ol—05 +S—0l一06 +S—Ol一0r7 +S—0l-08 +S一0l—09 组件编号
lll—0l

(14)线号、回路号标识清晰,方阵的输出端应有 明显的极性标识和子方阵的编号标识(如图9所示)。
5.2.2导管、桥架安装

组件编号
lllJ02

组件编号
lllJ03

组件编号
112—Ol

电缆编号
—S—Ol—01

(1)套接紧定式钢导管管路弯曲敷设时,管材弯
曲半径应大于等于10位管外径。 (2)弯曲部位无褶皱、凹扁、裂纹等缺陷。管端切 口处平齐、光滑。

113—Ol

113—02

113-J03

114._ol

—S—Ol_一02

114—02

114_03

112—)2

112.一D3

一S—Ol—03

“7—0l

117—02

117—03

118—Ol

—S—OlJ04

(3)钢导管水平敷设,每隔1.5m设一个固定卡具; 钢导管垂直敷设,每隔2m设一个固定卡具。固定卡 具用螺栓固定在角铁上,严禁套接紧定式钢导管与钢 结构直接焊接固定。
(4)套接紧定式钢导管与连接套管就位,用紧定


06 07 08 09

119—Ol

119J02

119—03

lll0—0l

—S—0l—05

1110—D2

1110—03

118-一02

118—03

—S—OlJ06

1115—0l

lll5—02

1113J02

“13—03

—S—0l—D7

1114-Ol

1114—02

lll4.m3

lll5--03

-s_0l-08

1118—04

lll8—Ol

1118—02

1118—03

一S—OlJ09

扳手持续拧紧紧定螺钉,直至拧断“脖颈”,使钢导管 与连接套管成为整体。

(12)MC电缆敷设及接线时,应以一个汇线盒所 辖区域进行,即完成了一个汇线盒所辖区域的电缆敷 设及接线后,再进行下一个汇线盒所辖区域作业。
(13)MC电缆接线时注意接线的“+”、“一”极。串

(5)套接紧定式钢导管与桥架连接,应采用内外
带锁紧螺母方式连接,管口内戴护口。

(6)依据施工图设计标高及桥架规格,并进行放 线定位,确定好支架的固定位置,做好标记,然后依照
测量尺寸制作支架。

联接线时:“+”接“一”;并联接线的:“+”接“+”,“一”接 “一”。红颜色导线为正极,蓝颜色导线为负极。

(7)在角钢上敷设桥架应各自有单独卡具吊装,

圈9汇线盒及方阵接线示意图

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吊杆采用中8咖镀锌圆钢。桥架水平安装支架间距
为1.5m,垂直安装支架间距为2m。

③基础型钢安装。基础型钢为1∥槽钢,设备与 槽钢采用M12的镀锌螺栓固定。槽钢与预埋接地


(8)在工字钢、角钢标定的固定点位置将吊装卡
具压接在钢结构上,并将顶丝拧牢。

00x6mm镀锌扁钢焊接,接地点不得少于两点。 ④交、直流配电柜内防雷接地与PE线连接,PE

(9)直线段连接应采用连接板,用垫圈、弹簧垫 圈、螺母紧同,连接处应缝隙严密平齐。连接板的两端 的跨接线采用大于等于4ram2的铜芯软编制线。 (10)敷设在竖井内或穿越不同防火分区时的桥 架,应用防火材料对洞口进行封堵。 5.2.3电缆敷设 (1)电缆敷设前做好技术交底,列出详细电缆表, 表中注明每个回路电缆的型号、规格、走向、起始设备 名称。 (2)电缆敷设前应对电缆的规格、型号、截面、电 压等级等参数进行核实,以满足施工图设计要求,且 绝缘层无扭曲、坏损等现象。并用lkV摇表迸行绝缘 检测,做好施工记录。
(3)汇线盒到地下配电室直流配电柜的电缆,采 用低烟无卤阻燃交联聚氯乙烯护套电缆(DYWL—ZR— VJV一2x35mm2),穿导管敷设。接线方式为P(+)/N(一)。

线与配电室内的接地连接。装有电器元件的活动 柜门,应以裸铜编织软线与接地的金属构架可靠
接地。 ⑤交流配电柜ACP的尺寸为:600mmx600mm

x2200mm,2台ACP交流配电柜分别对应安装在I、 Ⅱ号配电室,与逆变器、直流配电柜并排。柜内每个子 系统的回路由分层隔板分隔,并做标识。 ⑥直流配电柜DCP的尺寸为:600mmx600mm x2200mm,2台DCP直流配电柜分别对应安装在I、 Ⅱ号配电室,与逆变器、交流配电柜并排。 ⑦按交、直流配电柜系统图设计要求敷设电缆。
引入配电柜内的电缆应排列整齐,编号清晰。 (2)逆变器安装

①设备进场开箱检查。由施工单位、监理单位、建 设单位和供货单位共同参加,开箱后检查逆变器表面 有无损伤,型号规格与设计是否相符,用户手册、保修 卡、合格证、产品配套部件是否齐全后方可填写设备
进场检验报告。

(4)交流配电柜到市电并网电缆,采用低烟无卤
阻燃交联聚氯乙烯护套电缆(DYWL—ZR—YJV一

4x70mm2+1x50mm2)与市电母线连接,穿桥架敷设。 接线方式为LI/L2/L3/N/PE。 (5)电缆敷设到位后挂上统一规格的标识牌,电 缆的编号、走向必须在标识牌上标识。 (6)电缆敷设完后,分回路进行相间、相地、相零
绝缘测试,做好施工记录。

②搬运。该产品在搬运过程中,应避免强烈振动、 摔跌、磕碰,严禁将包装箱倒置。 ③逆变器后侧距离墙壁距离为l m。 ④基础型钢安装。基础型钢为12’槽钢,设备与 槽钢采用M12的镀锌螺栓固定。槽钢与预埋接地
100mmx6mm镀锌扁钢焊接,接地点不得少于两点。

5.2.4成套设备安装
(1)交、直流配电柜安装

⑤逆变器的尺寸为:600ramx600mmx2557mm,8 台逆变器分别安装在I、Ⅱ号配电室,I号配电室放
置NBl、NB2、NB3、NB4逆变器,Ⅱ号配电室放置NB5、 NB6、NB7、NB8逆变器。

①设备进场开箱检查。由施工单位、监理单位、建 设单位和供货单位共同参加,核对清单所列设备的规 格、型号、数量、附件、合格证、产品技术说明书等应与 实物相符,并符合施工图的设计要求,方可填写设备 进场检验报告。 ②交、直流配电柜后侧距离墙壁为lm,左侧或右 侧距离墙壁为1.2m。

⑥直流配电柜到逆变器的电缆敷设。直流配电 柜、逆变器在同一配电室内,两者距离要求较近。采用 低烟无卤阻燃交联聚氯乙烯护套电缆(DYWL—ZR— YJV一2x35mm2),并对电缆作对应编号。接线方式为P
(+)/N(一)。

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2009中国(国际)建筑电气节能技术论坛论文集?供配电节能

⑦逆变器到交流配电柜的电缆敷设。直流配电
柜、逆变器在同一配电室内,两者距离要求较近。采用

(1)电压偏差 正常运行时,光伏并网系统和电网接口处的电压

低烟无卤阻燃交联聚氯乙烯护套电缆(DYw心R_YJV
-2x35mm2),并对电缆作对应编号。接线方式为L/N。 5.2.5防雷接地 (1)防直击雷。太阳能光伏犀面的金属支架及其它 金属构件均与屋面避雷带或防雷引下线做可靠连接。 (2)防感应雷。为防止感应雷给系统设备造成损 坏,需采取下列保护措施:

允许偏差为电网额定电压的±7%,单相电压允许偏差 为电网额定电压的一10%叶7%。
(2)频率

光伏系统并网时应与电网同步运行。电网额定频率 为50Hz,光伏并网系统的输出频率允j奇偏差值为蜘.5Hz。 (3)谐波和波形畸变 光伏并网系统的输出应确保对连接到电网的其 它设备不造成不利影响。总谐波电流畸变率应小于逆
变器额定输出的5%。 (4)功率因数

①为屎岿塑嘲翻疆殖渐深统引^感囱赫,在直
②为保护逆变器不受市电引入感应雷破坏,在交

流配电柜内安装直流防雷器,采用JDl50K825D浪涌保
护器串接C65H-50A/3P断路器再接入主电路的正负极。

当光伏系统中逆变器的输出功率大于其额定输
出功率的50%时,平均功率因数应大于等于0.9。 (5)电压不平衡度 光伏系统并网运行(仅对三相输出)时,电网接口

流配电柜内安装防雷器,采用YD40K385QH/3P+N交 流防雷器串接C65H一50M3P断路器再接到交流输出 线上,同时防雷器接地端与PE线连接。 (3)接地。该太阳能光伏并网发电系统中的直流部 分采用不接地系统;交流部分采用TN_s系统,设有专
用保护接地线,所有电气设备金属外壳均做可靠接地。

处的三相电压不平衡度不应超过允许值的2%,短时 不得超过4%。 (6)直流分量 光伏系统并网运行时,逆变器向电网馈送的直流 电流分量不应超过逆变器额定交流输出电流的1%。
6.2安全保护

(4)太阳能光伏并网发电接地系统与建筑物的接 地系统采用联合接地体,联合接地体接地电阻应小于
等于0.5Q。 5.2.6与市电并网

光伏系统和电网异常或故障时,为保护设备与人 身安全,应具有相应的保护功能。
(1)过/欠电压

(1)交流配电柜与市电并网。太阳能光伏并网发 电系统三相交流输出额定电压为380V,最大输出电
流为105A。

当电网接口处电压超过电压允许偏差值时,光伏 并网系统应停止向电网送电。系统应能检测到电网的 异常电压并做出反应,电压的有效值在电网接口处测
量,应满足表2的条件。
表2异常电压响应
序号 电压(电网接口处J
U<50%XU正雷 50%U正常≤U<85%U正誊 85%U正常≤U≤110%U正童 110%U,rt<U≤135%U iE'/g 135%U正常<U≤150%×U正譬

(2)交流配电柜采用低烟无卤交联聚氯乙烯绝 缘氯乙烯护套电缆(DYWL—ZR—YJV一4x70mm+l x50mm)与市电母线连接。接线方式为:L1/L2/L3/N/PE。 6施工质量控制
6.1电能质量

最大跳脱时间
O.1B 2.08



光伏并网系统向电网发送电能质量应受控,在电 压偏差、频率、谐波和功率因数方面应满足实际要求 并符合相关标准。当光伏系统输出电能相关参数的偏 差超出允许范围时,系统应能检测到这些偏差并将光 伏并网系统与电网安全断开。
2 3 4 5

继续运行
2.0s
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n广1■

(2)过/欠频率 当电网接口处频率超过频率允许偏差值时,过/ 欠频率保护应在0.2s内动作,将光伏并网系统与电网 断开。 (3)防孤岛效应 当与光伏并网系统相连的电网因为某种原因不 可获得时,该光伏并网系统必须在规定时限内与电网 断开,防止出现孤岛效应,以保证设备与人身安全。 (4)恢复并网

具有在全社会倡导节能环保的功效,成为公众示范
项目。 太阳能属于能量低密度、不稳定的能源,发电量

受天气影响较大,而且并网发电后会对供电电网的稳 定性造成一定影响。国内科技人员可以通过这个平 台进行太阳能光伏组件的定制、并网逆变器的研制、 分布式电能并网技术等课题的研究。目前我国的并网 逆变器总体技术水平与国外相比还有差距,通过该工
程的应用,不断完善和积累太阳能光伏并网发电系

由于电网参数异常导致光伏并网系统停止向电 网送电,在电网的电压和频率恢复到正常范围后的
20s-5min内,光伏并网系统不应向电网送电。 (5)防雷和接地

统的设计、施工与运营经验,有望在并网逆变器的研 制上取得突破。该项目采用德国先进的材料设备和成
熟的安装工艺,建成我国主站房示范工程,是国家电

网公司在太阳能光伏并网技术方面的重点科研项 目,工程项目建设完成后将实现工程的零污染,在太 阳能光伏发电设备寿命期满后,项目主设备的大 部分材料(如钢材、玻璃、铜铟镓硒化合物等)都可
回收再利用。

光伏系统和并网接口设备的防雷和接地符合 《光伏发电系统的过压保护导则》sJ/rrl 1 127—1997和 《光伏系统并网技术要求))GB/T19939—2005的6.5条
规定。

(6)短路保护 光伏并网系统应具有电网短路保护功能,当电网 短路时,逆变器的过电流应小于等于额定输出电流
的150%,并在0.1s内将光伏系统与电网断开。 (7)隔离和开关

开发利用太阳能资源,建设光伏并网发电系统, 对减轻我国能源供应压力,抑制二氧化碳等温室气体
的排放,减少城市污染起到了积极的作用,符合近期

在中国签署生效的《京都议定书》的精神,对《中华人 民共和国可再生能源法》的实施也起到了推动作用。
虽然太阳能光伏发电日益受到我国政府的高度

在连接光伏并网系统与电网的开关柜中应提供 手动和自动的隔离开关,隔离开关原则上应当采用带 可视断点的机械式开关。 (8)逆向功率保护 系统在不可逆流的并网方式下工作,当检测到供
电变压器次级处的逆流为逆变器额定输出电流的5%

重视,但太阳能电池的高额成本是制约其大规模应用 的主要原因。在我国,完全商业化运作的并网光伏发 电上网电价大约为4.5元瓜Wh左右,还无法同火力、 水力发电等竞争。预计到2010年,光伏系统发电成本 有望下降到0.8元/kWh左右。从长远发展的角度看, 推广太阳能光伏发电与建筑一体化设计必将对我国
利用清洁能源产生巨大的推动作用。 参考文献

时,逆向功率保护应在0.5~2.0s内将光伏系统与电网
断开。

7社会与环保效益总结
北京南站改扩建工程主站房245kWp太阳能 光伏发电与建筑一体化建成后,将成为我国最大的
太阳能光伏电站,为我国提供良好的光伏并网技术

1王立雄.《建筑节能》中国建筑工业出版社,2004;5


王斯成.杨鸿雁.王连贵等编.《光伏系统并网技术要 求))(GB/T19939—2005)中国标准出版社,2006;1

的研究平台。北京南站改扩建工程如此大面积地采 用太阳能电池板,开启了我国大型公益建筑先河,

3王长贵.王斯成主编.《太阳能光伏发电实用技术》 化学-r,11,出版社,2005;9

2009年9月?中田北京

7l

太阳能光伏发电与建筑一体化在北京南站的应用
作者: 作者单位: 张立新 北京住总集团有限责任公司工程总承包部

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(4)北京南站中,主站房屋面中央采光带也采用了太阳能光伏发电系 统,该系统总发电量约 320 千瓦,可辅助解决车站的用电问题。 上述光伏建筑一体化建筑的设计建成...
光伏发电的具体应用
太阳能光伏发电技术;北京南站的屋顶, 设计并安装了太阳能电池板; 北京附近以及...总之, 太阳能光伏发电技术在我国民用建筑领域只能说已经开始推广 应用,它还没有...
建论分析
节能等理念, 在众多大型火车站中首次采用太阳能发电...应用差距有了 一定的认知与了解,亲自到达北京南站实...考虑到建筑设计中去,实现节能系统与建筑的一体化。...
关于北京南站综合交通枢纽的考察报告
立体化交通明显,考 虑未来储蓄用地,运用现代化综合...太阳能发电系统将在白天开启,辅助解决车站用电问题。...五、北京南站的两点不足(一)单体建筑大气奢华,民族...
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