秦國經(jīng), 韓銀鳳, 賈洋洋, 王超楠

(1.中國建筑第八工程局有限公司 西北分公司工程設(shè)計(jì)研究院, 陜西 西安 710082;2.西安空間無線電技術(shù)研究所, 陜西 西安 710010)

0 引 言

2021年10月26日國務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達(dá)峰行動方案》,該方案在“城市建設(shè)碳達(dá)峰行動”中提到:推廣光伏發(fā)電與建筑一體化(BIPV)應(yīng)用、提高建筑終端電氣化水平,建設(shè)集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑。到2025年,城鎮(zhèn)建筑可再生能源替代率達(dá)到8%,新建公共機(jī)構(gòu)建筑、新建廠房屋頂光伏覆蓋率力爭達(dá)到50%。

在新能源占主導(dǎo)地位情況下,建筑電氣化是促進(jìn)建筑領(lǐng)域早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必要途徑。目前,中國建筑領(lǐng)域電氣化率為48%,預(yù)計(jì)2035年達(dá)75%,2050年達(dá)90%。本文結(jié)合實(shí)際工程,通過在屋頂設(shè)置分布式光伏板、光導(dǎo)管等措施,以減少傳統(tǒng)用電。與此同時(shí),設(shè)置數(shù)字可尋址照明接口(DALI)控制系統(tǒng),配合照度感應(yīng),進(jìn)一步減少運(yùn)行過程中的能耗。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于陜西省咸陽市,地上建筑面積為11 615 m2,建筑層數(shù)為地上4層;建筑高度為23.35 m,為多層公建。建筑功能:第一、第二層為科研辦公,第三、第四層為報(bào)告廳等。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 “光儲直柔”建筑電氣系統(tǒng)

光儲直柔是在建筑領(lǐng)域應(yīng)用太陽能光伏、儲能、直流配電和柔性交互技術(shù)的簡稱。光儲直柔建筑電氣系統(tǒng)的最終目標(biāo)是使建筑用電系統(tǒng)由目前的剛性負(fù)載變?yōu)槿嵝载?fù)載,可以根據(jù)電力系統(tǒng)的供需關(guān)系隨時(shí)調(diào)整用電功率,而不取決于當(dāng)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)各用電設(shè)備的用電功率。典型“光儲直柔”建筑系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 典型“光儲直柔”建筑系統(tǒng)接線

2.2 “光儲直柔”建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 光伏發(fā)電量預(yù)測

依據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]中第25.2.4條及條文說明,光伏發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)測發(fā)電量可按下式計(jì)算:

EP=HA×PA÷Ea×K

(1)

式中:EP——年發(fā)電量;

HA——水平年太陽能總輻射量;

PA——光伏組件安裝容量;

Ea——標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照量;

K——綜合效率系數(shù)。

其中,綜合效率系數(shù)包括光伏組件類型修正系數(shù)K1,光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)K2,光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率K3,光照利用率K4,逆變器效率K5,集電線路損耗K6,升壓變壓器損耗K7,光伏組件表面污染修正系數(shù)K8,光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)K9。在確定公式中的綜合效率系數(shù)時(shí),需要考慮光伏組件設(shè)置的位置、角度、產(chǎn)品性能參數(shù)以及電氣系統(tǒng)等諸多因素。在最佳條件下,一般可取0.65～0.85。

國內(nèi)往往采用公式(1)計(jì)算法,這種方法存在著主觀性強(qiáng)、誤差大、分析不全面等缺點(diǎn)。目前,多采用光伏電計(jì)算軟件,如PVsystem、RETScreen、PVSOL、Sunny Design、PVF-chart和Conergy等,由于軟件自帶氣象、光伏組件、逆變器等基本數(shù)據(jù)庫,能夠較完整地對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬、計(jì)算和數(shù)據(jù)分析,效果較好。

2.2.2 光伏組件的確定

太陽能電池種類繁多,形式各樣,按基體材料分類主要有以下幾種:① 硅太陽能電池,如單晶硅、多晶硅、非晶硅電池等。② 化合物半導(dǎo)體太陽電池,主要包括單晶化合物電池,如砷化鎵、多晶化合物、碲化鎘電池等。③ 有機(jī)半導(dǎo)體太陽電池,其中有機(jī)半導(dǎo)體主要有分子晶體、電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物、高聚物3類。④ 薄膜太陽電池，主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、化合物半導(dǎo)體薄膜電池、納米晶薄膜電池等。單晶硅和多晶硅電池的主要性能對比如表1所示。

表1 單晶硅和多晶硅電池的主要性能對比

目前,硅太陽能電池因具有較高性價(jià)比仍然占據(jù)市場主體地位,屋頂、室外雨棚一般考慮采用這種材料。薄膜光伏電池可以與光伏幕墻結(jié)合,在立面展示效果好,在建筑光伏一體化設(shè)計(jì)中,常采用不同材料的薄膜電池配合達(dá)到更好的效果。

本項(xiàng)目結(jié)合建筑效果,考慮在屋頂采用轉(zhuǎn)化率較高的單晶硅光伏組件,以充分利用有限屋頂,達(dá)到最大收益。

2.2.3 光伏發(fā)電機(jī)組安裝規(guī)模和發(fā)電量

本項(xiàng)目考慮在屋頂安裝單晶硅光伏發(fā)電機(jī)組,光伏組件采用支架固定安裝方式。電池組件傾斜面上的總輻射量為傾斜面上的直接輻射量、散射輻射量以及地面反射輻射量之和。依據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B表77-光伏陣列最佳傾角參考值,西安緯度34.3°,斜面日均輻射量為12 952 kJ·m-2,日輻射量為12 781 kJ·m-2,獨(dú)立系統(tǒng)推薦傾角φ+14°,并網(wǎng)系統(tǒng)推薦傾角φ-5°。單晶硅光伏組件技術(shù)規(guī)格如表2所示。

表2 單晶硅光伏組件技術(shù)規(guī)格

本項(xiàng)目位于陜西省咸陽市,2021年,全國太陽能資源總體為偏小年景。陜西省2021年水平面總輻照值為1 321.47 kWh·m-2,固定式發(fā)電最佳斜面總輻射量平均值為1 463.73 kWh·m-2。咸陽市經(jīng)緯度、日均峰值日照時(shí)數(shù)、最佳傾角、年均發(fā)電量如表3所示。

表3 咸陽市經(jīng)緯度、日均峰值日照時(shí)數(shù)、最佳傾角、年均發(fā)電量

本項(xiàng)目選用單晶硅光伏組件,屋頂光伏發(fā)電及配電干線平面圖如圖2所示。共安裝單晶硅光伏組件632塊,裝機(jī)容量為348 kWp。依據(jù)表3內(nèi)容,光伏發(fā)電量估算如表4所示。

圖2 屋頂光伏發(fā)電及配電干線平面圖

表4 光伏發(fā)電量估算

2.2.4 低壓配電系統(tǒng)和節(jié)能分析

本項(xiàng)目主要負(fù)荷類型為照明、弱電用電、貨梯與客梯、空調(diào)用電等。其中，二級負(fù)荷為236 kW,三級負(fù)荷為1 123 kW,消防負(fù)荷為166 kW。本項(xiàng)目位于陜西省咸陽市,屬于夏熱冬冷地區(qū),單位面積能耗約92.8 kWh·m-2。

年均用電量估算如表5所示。此處依據(jù)文獻(xiàn)[2]的辦公能耗數(shù)據(jù)。

表5 年均用電量估算

對比表4和表5,預(yù)估本項(xiàng)目年發(fā)電量349 079 kWh,年用電量925 260 kWh。

“光儲直柔”建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)一般采用并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),減碳手段主要有:① 依據(jù)建筑儲能系統(tǒng),將光伏發(fā)電裝置發(fā)出的多余電量儲備起來,根據(jù)用電需求,隨時(shí)調(diào)節(jié)電力供給。② 通過直流電器使用,形成用電柔性度,更大程度使用光伏綠電,實(shí)現(xiàn)建筑用電自我調(diào)節(jié)和自我優(yōu)化,使建筑成為清潔能源的儲存者與調(diào)節(jié)者。但“光儲直柔”系統(tǒng)蓄電設(shè)備造價(jià)較高,蓄電1 kWh增加造價(jià)約1 000元,所以本項(xiàng)目采用并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),自發(fā)自用,余電上網(wǎng),且預(yù)留通信接口[2-3]。

2.2.5 系統(tǒng)供配電設(shè)計(jì)

(1) 光伏匯流箱。為了減少直流線纜,選擇KBT-PVX系列光伏接線箱。將光伏組串并聯(lián)接入接線箱,匯流后通過直流斷路器輸出,接線箱可同時(shí)接入多路光伏組串,每路電流可達(dá)11 A。接線箱配有直流、高壓防雷器,正、負(fù)極都具備雙重防雷功能;配有耐高壓的直流熔斷器、斷路器,直流耐壓值不低于1 000 V,接線箱防護(hù)等級達(dá) IP65,滿足室外安裝的要求。

(2) 光伏配電柜。選擇KBT-PVG/JZ系列光伏交/直流配電柜及開啟式雙面維護(hù)可裝設(shè)指示儀表,配有斷路器、防反二極管、避雷器等電氣元件,動熱穩(wěn)定性好,能達(dá)到不同工作環(huán)境的防護(hù)等級。

(3) 配電室。在園區(qū)地下一層變配電室室內(nèi)設(shè)置光伏配電柜和并網(wǎng)逆變器等設(shè)備。配電室設(shè)計(jì)要求符合GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定。

(4) 光伏發(fā)電系統(tǒng)。

① 當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用非逆流并網(wǎng)時(shí),應(yīng)配置逆向功率保護(hù)裝置;當(dāng)檢測到逆向電流超過額定輸出的5%時(shí),光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)在2 s內(nèi)停止向電網(wǎng)送電。

② 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量參數(shù),光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)的開關(guān)之間應(yīng)具有同時(shí)切斷相導(dǎo)體和中性線導(dǎo)體的功能,應(yīng)配置防孤島保護(hù),應(yīng)配置電能計(jì)量裝置,應(yīng)設(shè)置警示裝置。箱內(nèi)應(yīng)設(shè)置具有明顯斷點(diǎn)的隔離開關(guān)和斷路器。

③ 光伏發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘坎灰顺^上一級變壓器額定容量的25%;光伏發(fā)電系統(tǒng)額定電流與并網(wǎng)點(diǎn)的三相短路電流之比不宜超過10%。

(5) 防雷與接地。

① 光伏匯流箱內(nèi)應(yīng)設(shè)置限壓型電涌保護(hù)器。

② 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié)母排。光伏系統(tǒng)與建筑物 PE 母線可靠聯(lián)結(jié),系統(tǒng)直流側(cè)采用局部等電位保護(hù)。將電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分、建筑物金屬構(gòu)件、PE 母線聯(lián)結(jié)后與建筑物總等電位聯(lián)結(jié),以求最大限度地降低電擊的危險(xiǎn),保護(hù)光伏系統(tǒng)。

③ 光伏方陣的外露可導(dǎo)電部分及所有防雷器接地端均與建筑物原有的避雷帶和防雷接地引下線可靠連接。

3 導(dǎo)光管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)光管采光系統(tǒng)主要分為:① 室外采光管;② 導(dǎo)光傳輸區(qū);③ 室外漫射區(qū)。本項(xiàng)目導(dǎo)光管安裝方式選擇直管安裝方式。

本項(xiàng)目屋面面積約1 850 m2,屋面至吊頂距離為5.2 m,吊頂距離報(bào)告廳室內(nèi)地面高度為7.15 m。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)光導(dǎo)照明系統(tǒng)選用DS530產(chǎn)品,報(bào)告廳0.75 m水平面照度要求300 lx,以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行導(dǎo)光管照明設(shè)計(jì)。導(dǎo)光管采光系統(tǒng)設(shè)計(jì)間距8.9 m,經(jīng)過和室內(nèi)通風(fēng)管及其他結(jié)構(gòu)和設(shè)備的對圖調(diào)整后,最終設(shè)計(jì)布置23套導(dǎo)光管采光系統(tǒng)。

陜西咸陽市屬于光氣候第Ⅱ區(qū),其地區(qū)室外天然光設(shè)計(jì)照度值ES為16 500 lx。導(dǎo)光管采光系統(tǒng)導(dǎo)光管直徑為530 mm,依據(jù)《照明設(shè)計(jì)手冊》(第三版)中表5-31,At=0.22 m2。導(dǎo)光管長度約5.5 m,導(dǎo)光管的等效長度M=L/D=5 500/530=10.38。查《照明設(shè)計(jì)手冊》中表5-30可知,導(dǎo)光管反射表為0.99,M=8時(shí),TTE=0.895;M=12時(shí),TTE=0.852,根據(jù)內(nèi)插法計(jì)算,M=10.38時(shí),TTE取值為0.869。根據(jù)《照明設(shè)計(jì)手冊》中式5-80和制造商數(shù)據(jù),τ1=0.87,τ2=0.88,η=τ1×TTE×τ2=0.87×0.869×0.88=0.665 3,即導(dǎo)光管系統(tǒng)效率為0.665 3。依據(jù)《照明設(shè)計(jì)手冊》中式5-79,ΦU=ES×At×η=16 500×0.22×0.665 3=2 415 lm,即光通量為2 415 lm。由于報(bào)告廳長度43.8 m,進(jìn)深41.6 m,hX=6.4 m,室空間系數(shù)RCR由《照明設(shè)計(jì)手冊》中式5-81得

查《照明設(shè)計(jì)手冊》中表5-27、表5-28可知:CU=0.99,MF取值為0.9。S=1 820 m2

依據(jù)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,27.2 lx照度可按照1 W·m-2的功率密度折算,導(dǎo)光管系統(tǒng)提供的照明功率為1 W·m-2×1 820 m2=1 820 W。年工作時(shí)長按2 790 h計(jì)算,導(dǎo)光管系統(tǒng)年節(jié)約耗電量為1 820 W×2 790 h÷1 000=5 077.8 kWh。

4 DALI智能照明設(shè)計(jì)

4.1 DALI照明技術(shù)

DALI調(diào)光系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是每個(gè)燈具都有獨(dú)立的地址,通過DALI系統(tǒng)軟件可對每個(gè)燈具進(jìn)行精準(zhǔn)控制。因每個(gè)燈具具有獨(dú)立地址特性,可實(shí)現(xiàn)對同一強(qiáng)電回路燈具、不同強(qiáng)電回路燈具或各回路中的燈具組合進(jìn)行尋址,實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制、任意分組控制,調(diào)控具有非常大的靈活性。用戶可根據(jù)需求,隨心所欲地設(shè)計(jì)并調(diào)節(jié)相應(yīng)的照明方案。

4.2 DALI照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的照明分為公共區(qū)域照明、科研用房照明、報(bào)告廳照明、會議室照明。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目探討DALI智能照明系統(tǒng)在辦公樓上的設(shè)計(jì)應(yīng)用,充分發(fā)揮DALI調(diào)光、調(diào)色溫的功能進(jìn)行照明設(shè)計(jì)。DALI智能照明系統(tǒng)主要設(shè)備包括DALI控制器、DALI驅(qū)動電源、可調(diào)光調(diào)色溫?zé)艟?、DALI控制面板、人員存在與照度感應(yīng)器、AI語音控制器、觸控屏幕。

4.3 色溫控制邏輯

一般色溫較高,色調(diào)越冷(偏冷);色溫越低,色調(diào)越暖(偏紅)。本項(xiàng)目主要為科研用房照明用電,相關(guān)色溫取3 300～5 300 K,色溫特征為中間。人們感覺最舒適的光環(huán)境是晴天的自然光,通過觀察自然光線的變化可以發(fā)現(xiàn),早晨和傍晚時(shí)為暖光,晴天白天時(shí)為中性光。DALI系統(tǒng)燈光可通過人體感應(yīng)方式自動開啟或者關(guān)閉燈光,也可以通過本地面板實(shí)現(xiàn)手動方式開啟或關(guān)閉燈光。不同的時(shí)間段內(nèi),控制器按照對應(yīng)的控制策略執(zhí)行亮度輸出和色溫值。

4.4 照明亮度控制邏輯

為了充分利用自然光,在每個(gè)公共區(qū)域和科研、會議、報(bào)告區(qū)域均設(shè)置有DALI照度感應(yīng)器。當(dāng)陰雨天時(shí),無法從室外引入足夠的自然光照度,可逐步提高燈具的亮度輸出。照度傳感器可始終維持正常照度。

4.5 DALI系統(tǒng)節(jié)能

通過DALI系統(tǒng)擬合太陽光譜的自然變化過程,可以使辦公區(qū)域內(nèi)保持適宜的色溫。同時(shí)依據(jù)室內(nèi)傳感器照度,實(shí)時(shí)自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光強(qiáng)度,最大效果地引入室外自然光,降低照明能耗。預(yù)估照明傳感器與人體感應(yīng)傳感器的結(jié)合使用,可有效降低15%的照明能耗。依據(jù)表5,本項(xiàng)目年節(jié)約照明用電約86 315 kWh。

5 造價(jià)增加成本

典型近零能耗建筑設(shè)計(jì)過程中,高性能外窗的增量成本占比較大,其次是熱回收新風(fēng)機(jī)組。而增量經(jīng)濟(jì)效益最大的為太陽能光伏系統(tǒng),其全生命周期經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)[4]。增量成本預(yù)算如表6所示。

6 結(jié) 語

通過上述工程實(shí)例,本文從光伏發(fā)電系統(tǒng)、光導(dǎo)管、DALI系統(tǒng)幾個(gè)方面進(jìn)行分析,通過電氣設(shè)計(jì)最大幅度降低建筑對能源的需要。在建筑節(jié)能發(fā)展新趨勢下,通過被動式設(shè)計(jì)最大程度地降低負(fù)荷,挖掘更多的新型能源技術(shù),完善光伏建筑一體化設(shè)計(jì),完善能耗檢測、分析、運(yùn)行的策略,為后來設(shè)計(jì)者提供有效的設(shè)計(jì)參考。

表6 增量成本預(yù)算