韓小霞／范天剛／韋古強(qiáng)／杜 洋

1.吉林魯能漫江生態(tài)旅游開(kāi)發(fā)有限公司，吉林漫江134504

2.都城偉業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100044

3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海201900

嚴(yán)寒地區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)在被動(dòng)式
超低能耗建筑中的應(yīng)用

韓小霞1／范天剛1／韋古強(qiáng)2／杜 洋3

1.吉林魯能漫江生態(tài)旅游開(kāi)發(fā)有限公司，吉林漫江134504

2.都城偉業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100044

3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海201900

0 前言

2010年歐盟出臺(tái)了《建筑能效2010指令》（EPBD 2010），2015年我國(guó)出臺(tái)首部地方性超低能耗設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［1－2］。住建部已將被動(dòng)式房屋建設(shè)列為“十三五”規(guī)劃中節(jié)能低碳發(fā)展的重要內(nèi)容。2016年第1季度我國(guó)累計(jì)光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到5 031萬(wàn)kW，其中分布式光伏703萬(wàn)kW。至此，光伏發(fā)電已成為實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑目標(biāo)的有效方法之一。

國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電在被動(dòng)房中的應(yīng)用已有很多成功案例，如Charron提出零能耗太陽(yáng)能住宅的定義［3］；Mitsuhiro Udagawa在日本東京郊區(qū)對(duì)一棟76m2傳統(tǒng)木質(zhì)舊屋改造后，光伏發(fā)電每年發(fā)電5.5MW·h／a［4］；德國(guó)薩克森州的度納幼兒園，光伏發(fā)電可以提供47.6%的生活熱水用量供應(yīng)［5］；Evola完成溫帶地中海氣候低層住宅零能耗建筑設(shè)計(jì)，每戶僅用6.5m2的光伏系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)零能耗［6］；韓國(guó)建設(shè)科學(xué)研究院Cho Dong?Woo等人于2012年底，通過(guò)戶式太陽(yáng)能光電一體化系統(tǒng)為每戶提供電能38kW·h／m2.a，成為韓國(guó)首棟8層近零能耗居住建筑［7］；Milorad在塞爾維亞Kragujevac地區(qū)低層居住示范建筑安裝29m2PV板，即可滿足建筑物全年用電量需求，安裝45.6m2PV板后，還可以向電網(wǎng)供電［8］；獲得2015國(guó)家綠色建筑創(chuàng)新一等獎(jiǎng)的上?，F(xiàn)代申都大廈進(jìn)行可再生能源PV、被動(dòng)房等改造后，能耗費(fèi)用由80萬(wàn)元減為50萬(wàn)元［9］；中國(guó)建筑科學(xué)研究院在寒冷地區(qū)建造的3 692m2近零能耗示范建筑，實(shí)現(xiàn)能耗目標(biāo)低于25kW·h／m2·a［10］。

本文以長(zhǎng)白山地區(qū)生態(tài)旅游綜合開(kāi)發(fā)超低能耗別墅項(xiàng)目為例，為了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)寒地區(qū)氣候特性、冬季取暖、夏季制冷、日常用電負(fù)荷需求與光伏發(fā)電量之間的合理匹配，利用PVsyst 6.4.3軟件完成正南、正東、正西等不同朝向最佳傾角的屋頂11kWp光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？紤]不同運(yùn)行方式下電源供電的可靠性，在滿足別墅自用的前提下實(shí)現(xiàn)余量上網(wǎng)，向小區(qū)內(nèi)其他用電負(fù)荷供電，達(dá)到區(qū)域供、用電平衡的目的。同時(shí)，依據(jù)地方電價(jià)政策、煤價(jià)政策以及碳排放交易價(jià)格，可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

1 建筑用能分析

1.1 氣候條件

白山市位于吉林省長(zhǎng)白山西側(cè)，北緯N41°56′，東經(jīng)E127°56′，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是吉林省最為寒冷的地區(qū)。項(xiàng)目所在地歷年最高氣溫33.2℃，歷年最低氣溫－40.5℃，多年平均氣溫3.4℃；相對(duì)濕度60%～70%，全年夏季最大濕度達(dá)80%左右；多年平均凍層深度1.40m，最大凍深達(dá)1.69m；年降水量822mm左右，年降雪量平均320～700mm，積雪深度1～2m；多年平均日照時(shí)數(shù)2 462.2h，年平均太陽(yáng)能總輻射量為1 300kW·h／m2，正南42°傾角年平均總輻射量為1 629kW·h／m2。

自2011年1月1日到2016年9月1日，白山市天氣共出現(xiàn)多云620天，晴546天，雨528天，雪316天，陰1天［11］。根據(jù)GB 50352－2005《民用建筑設(shè)計(jì)通則》［12］，吉林省白山市確屬于嚴(yán)寒地區(qū)。

1.2 超低能耗建筑模型

別墅效果如圖1所示。

圖1 聯(lián)排三居室效果圖

對(duì)項(xiàng)目中聯(lián)排兩居室、聯(lián)排三居室、獨(dú)棟三居室建筑進(jìn)行建模分析。表1為典型的三居室建筑類(lèi)型的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸信息。

表1 三居室的基本信息

結(jié)合自然條件，項(xiàng)目采用完全符合被動(dòng)式超低能耗建筑要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑材料。采用熱惰性大的重質(zhì)復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能，使外墻、屋面的平均傳熱系數(shù)達(dá)0.076W／m2·K，地面的平均傳熱系數(shù)0.097W／m2·K；窗體的設(shè)計(jì)選用氣密性測(cè)試0.6h－1外窗框，窗扇間采用耐久性良好的密封材料密封；木屋建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法做到無(wú)熱橋設(shè)計(jì)，但熱橋系數(shù)保持在0.01W／m2·K；再加上良好的氣密性設(shè)計(jì)和85%的高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，利用可再生能源輔助供冷和制熱，房屋不需要專門(mén)的供暖和制冷耗能，只考慮生活用能，從而實(shí)現(xiàn)低能耗或零能耗。

通過(guò)軟件計(jì)算，可得該建筑的全年采暖熱需求值為12.5kW·h／m2·a（建筑面積，下同），生活熱水負(fù)荷為34.4kW·h／m2·a；在夏季設(shè)計(jì)室溫為25℃的情況下，全年超溫頻率為8.5%（低于10%），因此，不需要采用主動(dòng)式制冷，生活用電負(fù)荷為16.2kW·h／m2·a。

1.3 用電負(fù)荷

根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃及不同家庭居住需求，表2以聯(lián)排三居室為例，采用PHPP軟件作為計(jì)算工具，只考慮每月生活用電，分析項(xiàng)目能耗水平與逐月能耗分布。

表2 三居室每月生活用電負(fù)荷

以上聯(lián)排三居室建筑的全年耗電量為37.42kW ·h／m2，冬季取暖量最大時(shí)耗能為5.92kW·h／m2，夏季最大能耗為2.20kW·h／m2。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用概況

2.1 太陽(yáng)能資源

太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)來(lái)源于瑞士的Meteonorm數(shù)據(jù)庫(kù)7.1版本。表3所列為1990～2010年多年平均各月的輻射量。

表3 Meteonorm數(shù)據(jù)庫(kù)太陽(yáng)能參數(shù)

根據(jù)太陽(yáng)能資源豐富程度評(píng)估［13］的規(guī)定，該地區(qū)為資源豐富區(qū)、太陽(yáng)能可利用區(qū)。各月輻射量如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能各月平均輻射量

2.2 方位角與傾角

項(xiàng)目采用BAPV型光伏發(fā)電系統(tǒng)，在屋頂分別面向不同方向以最佳傾角敷設(shè)，保證9：00～15：00無(wú)陰影遮擋。使用PVsyst6.4.3軟件完成傾角與輻射效率的對(duì)比分析，如表4所示。

表4 光伏系統(tǒng)的方位角和最佳傾角

2.3 方陣設(shè)計(jì)

選擇350Wp單晶硅組件作為項(xiàng)目方陣組件。STC狀態(tài)下，組件效率為18.06%，開(kāi)路電壓48.5V，短路電流9.821A，尺寸1 956mm×991mm×45mm，重量26.5kg。光伏組件采用橫向排列。

根據(jù)安裝位置逆變器選擇室內(nèi)型，當(dāng)光伏方陣的功率＞10kW時(shí)，選擇三相逆變器，否則選擇單相逆變器。設(shè)備效率為98%。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

2.4 發(fā)電量

考慮光伏組件的衰減，市場(chǎng)上多晶組件功率保證第1年是97%～97.5%，25年后是80%。單晶組件功率保證第1年是97%，25年后是83.8%。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)

使用PVsyst6.4.3軟件計(jì)算25年發(fā)電量，如表5所示。

表5 不同朝向敷設(shè)25年光伏發(fā)電量

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 能耗匹配分析

經(jīng)PVsyst 6.4.3軟件模擬計(jì)算，得到不同朝向安裝的逐時(shí)、逐日、逐月光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。不同朝向單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)的各月發(fā)電量如表6所示。與表2別墅用電能耗對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。

從表6和圖4中可以看出，聯(lián)排三居室建筑冬季時(shí)用電量最大能耗為5.92kW·h／m2，夏季最大能耗為2.20kW·h／m2，全年總能耗為37.42kW·h／m2，每棟別墅全年用能約3 368～4 593kW·h。正南朝向的單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏組件發(fā)電量為221.66kW·h／m2。一套62m2、11kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)第一年可產(chǎn)生能量15.27MW·h。即使考慮氣象突變或不確定性因素的影響且系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量只有預(yù)計(jì)發(fā)電量的70%，也完全滿足聯(lián)排別墅三居室耗能并富余，而剩余光伏電量可供給辦公室等白天耗電量大的建筑。此外，即使其他朝向的敷設(shè)方式也能滿足用能要求。

表6 不同朝向單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)各月發(fā)電量／（kW·h／m2）

圖4 建筑用能與光伏發(fā)電量逐月匹配圖

3.2 運(yùn)行方式分析

系統(tǒng)采用自發(fā)自用并網(wǎng)模式，接入點(diǎn)選擇在用戶配電箱，需要增加一塊光伏送電的計(jì)量電表或設(shè)置成雙向計(jì)量表。

光伏發(fā)電系統(tǒng)白天發(fā)電量滿足別墅自用，剩余電量經(jīng)內(nèi)部配電網(wǎng)向其他建筑供電。遇到晚上、陰雨天或極端天氣時(shí)，可以由其他電源形式（如生物質(zhì)發(fā)電）或電網(wǎng)供電，保證電源可靠性。

當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，白天由光伏系統(tǒng)獨(dú)立供電，可以保證部分用電負(fù)荷，不足部分由其他電源形式（如生物質(zhì)發(fā)電、蓄電池）供電。

光伏系統(tǒng)檢修時(shí)，轉(zhuǎn)換為由其他電源形式（如生物質(zhì)發(fā)電）供電或電網(wǎng)直接供電。

項(xiàng)目選用高質(zhì)量的系統(tǒng)元件，同時(shí)直流側(cè)設(shè)置過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，交流側(cè)設(shè)置過(guò)電流保護(hù)、防逆功率保護(hù)和低電壓保護(hù)等，以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

國(guó)內(nèi)組件現(xiàn)貨價(jià)格為RMB 2.95～3.15元／Wp，考慮其他附件和施工安裝費(fèi)用，系統(tǒng)單價(jià)RMB 6.0元／Wp左右，11kWp單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)總投資6.6萬(wàn)元。

吉林省1kV以下的電價(jià)為0.525元／（kW·h），地方補(bǔ)貼政策為0.15元／（kW·h），國(guó)家補(bǔ)貼政策為0.42元／（kW·h），共計(jì)1.095元／（kW·h），按照補(bǔ)貼期限為20年計(jì)算［14］。

正南朝向的11kWp單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)25年總發(fā)電量為250～355MW·h，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益25～35萬(wàn)元。收益率為3.8～5.8倍，4年收回成本。其他朝向敷設(shè)方式比正南朝向敷設(shè)的收益率略低，回收期為5年。

3.4 環(huán)境效益分析

2016年我國(guó)燃煤電廠煤耗314g／（kW·h）標(biāo)準(zhǔn)煤［15］。2016年9月12日通化市4 000kCal動(dòng)力煤的車(chē)板價(jià)為320～340元／t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格560～595元。11kWp單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)25年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤78.5～111.7t，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)4.4～6.6萬(wàn)元。

單位火電發(fā)電量污染物排放量和11kWp單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)25年總減排放量如表7。

表7 火力發(fā)電污染物排放量

4 結(jié)束語(yǔ)

被動(dòng)式超低能耗建筑中可再生能源利用選用光伏發(fā)電系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)結(jié)合了生態(tài)旅游的別墅建筑布局、不同朝向、屋頂形狀和別墅的使用功能等方面，完成安裝容量為11kWp光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出超低能耗建筑的理念和特點(diǎn)。

為了適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特性，確定光伏發(fā)電系統(tǒng)以擴(kuò)大敷設(shè)面積確保發(fā)電量的原則?？紤]別墅的冬季取暖和夏季制冷，兼顧日常用電負(fù)荷的需求情況，光伏系統(tǒng)選用最新的單晶硅高效率組件，其單晶硅246.37kW·h／m2·a，發(fā)電量不僅能確保住戶自用，還有剩余供其他建筑用能。實(shí)現(xiàn)建筑零能耗和小區(qū)內(nèi)供用電平衡，體現(xiàn)出被動(dòng)式超低能耗建筑中可再生能源的主要技術(shù)特征，完成被動(dòng)式超低能耗建筑40kW·h／m2·a的要求。

項(xiàng)目投資6.6萬(wàn)元，25年直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)25～35萬(wàn)元，節(jié)煤產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)4.4～6.6萬(wàn)元。同時(shí)，減少了213～303t碳排放和其他污染物的排放，產(chǎn)生很好的環(huán)保效益。

光伏發(fā)電應(yīng)用雖然低碳環(huán)保，但受屋頂敷設(shè)面積的限制和周?chē)幱坝绊?，?chǎng)地選用受到制約，組件的安裝會(huì)影響建筑與環(huán)境的協(xié)調(diào)；嚴(yán)寒地區(qū)的年積雪日、降雪日、霧淞日等數(shù)量很大，光伏系統(tǒng)的維護(hù)工作很大，對(duì)市政電網(wǎng)的依賴性也很大。

［1]DB 13（J）／T177被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

［2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）［EB／OL］.http：／／www.mo?hurd.gov.cn／wjfb／201511／t20151113＿225589.html.2015?11.

［3]R.Charron.A review of design processes for low energy solar homes［J］．Open House International，2008，33（3）：7?16.

［4]Mitsuhiro Udagawa，Hyunwoo Roh.Study on renovation to solar houses with air collector part 1 house T-renovation to the net zero energy house［J］.Gas（total）?omsolar，2012，（80）：113?116.

［5]張神樹(shù)，高輝.德國(guó)低／零能建筑實(shí)例解析［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［6]Evola G，Margani G，Marletta L.Cost-effective design solutions for low-rise residential Net ZEBs in Mediterranean climate［J］. Energy and Buildings，2014（68）：7?18.

［7]Cho Dong?Wo.Development of low／zero carbon green home［EB／OL］.2013?07?17.http：www.kict.re.kr／eng／rsch／buil1.asp.

［8]Bojic M.Toward a positive-net-energy residential building in Serbian conditions［J］．Applied Energy，2011，88（7）：2407?2419.

［9]夏麟，田煒.上海現(xiàn)代申都大廈改造工程［J］.建設(shè)科技，2014?5.

［10]李聰，曹勇等.被動(dòng)式超低能耗建筑中智慧能源管理的應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2016.2.

［11]天氣網(wǎng)《歷史天氣查詢》吉林白山歷史天氣.http：／／lishi. tianqi.com／fusong／index.html.

［12]GB 50352修改民用建筑設(shè)計(jì)通則（即民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)范（征求意見(jiàn)稿）［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

［13]QX／T 89?2008太陽(yáng)能資源評(píng)估方法［S］.北京：氣象出版社，2008.

［14]吉林省人民政府.吉林省關(guān)于加快光伏產(chǎn)品應(yīng)用促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的建議（128號(hào)）［Z］.吉林省人民政府：2014?12?01.

［15]國(guó)家能源局.2016年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)［Z］.http：／／www. nea.gov.cn／zcfb／2015v／tz＿3.htm，2016?4.

［16]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).2016年第一季全國(guó)電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告［EB／OL］.http：／／www.cec.org.cn／yaowenkuai?di／2016?04?27／152156.html，2016?3.

［17]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2016［EB／OL］.http：／／www.cec.org.cn／guihuayutongji／gongzu?odongtai／2016?08?24／157409.html，2016?8.

Application of Severe Cold Area Photovoltaic Power System in Passive Ultra-low Energy Consumption Building

Han Xiaoxia／Fan Tiangang／Wei Guqiang／Du Yang

以長(zhǎng)白山地區(qū)生態(tài)旅游綜合開(kāi)發(fā)超低能耗別墅項(xiàng)目為研究對(duì)象，在分析嚴(yán)寒地區(qū)氣候特性、冬季取暖、夏季制冷和日常用電負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，利用PVsyst 6.4.3軟件完成不同朝向的11kWp光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在保證電源可靠性前提下，實(shí)現(xiàn)別墅自用、余量上網(wǎng)，達(dá)到區(qū)域供、用電平衡，獲得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

被動(dòng)式 超低能耗建筑 光伏并網(wǎng)系統(tǒng) 嚴(yán)寒地區(qū) PVsyst軟件

Taking an ultra?low energy consumption villa as the research object，where is the comprehensive development of eco tourism in Baishan Mountain area.Based on the a?nalysis of climatic characteristics in cold regions and power load during the winter heating，summer cooling and daily use period，the design of 11kWp grid?connected PV system with different orientation has been completed by using software of PVsyst 6.4.3.Under the premise of power supply reliability，the design can realize villa for personal use，margin internet and regional power balance，at the same time，which also gain enormous economic and environmental benefit.

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