陳忠華， 陳致遠(yuǎn)， 王仁順， 陳琳， 尹建兵， 王駿海， 江全元*

(1.杭州市電力設(shè)計院有限公司， 杭州 310012； 2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司， 杭州 310016；3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院， 杭州 310027)

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出[1]，中國能源革命有了清晰明確的發(fā)展路線和目標(biāo)，清潔、低碳、安全、高效的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)將加快推動太陽能等可再生能源的發(fā)展；2017年《中國建筑能耗研究報告》數(shù)據(jù)顯示，建筑能源消費約占全國能源消費總量的20%[2]，預(yù)計到2050年，建筑部門節(jié)能減排潛力將達(dá)到74%，可減少碳排放量約50%，因此建筑節(jié)能是實現(xiàn)中國碳排放目標(biāo)的關(guān)鍵[3]。光伏系統(tǒng)與建筑物結(jié)合具有節(jié)約土地、調(diào)峰填谷以及降低能耗等多重作用，在城市中具有良好的發(fā)展前景[4]。

目前對于光伏建筑一體化(building integrated photovoltaic, BIPV)技術(shù)的研究，國內(nèi)外已有一些研究成果。文獻(xiàn)[5]采用EnergyPlus軟件對巴西地區(qū)建筑進(jìn)行能耗模擬分析，證明了半透明光伏玻璃的應(yīng)用價值；文獻(xiàn)[6]研究了光伏玻璃發(fā)電性能與建筑能耗之間的關(guān)系，分析了不同地域下光伏玻璃建筑節(jié)能差異；文獻(xiàn)[7]對比了意大利地區(qū)鈣鈦礦光伏玻璃與普通玻璃的建筑能耗水平，分析了光伏玻璃在節(jié)能方面的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[8]將太陽能板與通信樓建筑物相結(jié)合，提出了北京地區(qū)建筑光伏一體化的設(shè)計方案并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價。文獻(xiàn)[9]研究了雨水花園與光伏系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計方案，結(jié)果表明該項目具有良好的環(huán)境價值和經(jīng)濟(jì)效益。但目前光伏建筑一體化的研究視角較為單一，缺乏對影響建筑能耗和光伏發(fā)電量的因素綜合分析，并且對碳排放效益考慮較少，對光伏幕墻應(yīng)用價值挖掘不夠全面。

基于能耗分析和經(jīng)濟(jì)性評價的建筑能效評價方法，借助Dest-C軟件進(jìn)行杭州地區(qū)某辦公建筑物分別加裝普通玻璃和光伏幕墻能耗模擬，基于PVsyst軟件對光伏幕墻發(fā)電量進(jìn)行仿真計算，在此基礎(chǔ)上對光伏幕墻建筑進(jìn)行節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)性評價，以杭州辦公建筑仿真模型為例提出了建筑能效提升策略。

1 光伏幕墻建筑能效評估模型

通過建立能耗分析模型和經(jīng)濟(jì)性評價模型，對光伏幕墻建筑方案進(jìn)行能效評估。

1.1 能耗分析模型

能耗分析模型包括能耗影響因素分析和相關(guān)性分析兩部分。

1.1.1 能耗影響因素分析

將不同時段、不同設(shè)備類型的能耗總量進(jìn)行對比，分析室內(nèi)能耗受季節(jié)等因素影響的變化趨勢；對比不同傾角、朝向、環(huán)境溫度下光伏幕墻發(fā)電量的變化情況，從而綜合考慮建筑能耗影響因素。

1.1.2 相關(guān)性分析

某一區(qū)域的能耗可能與多種因素有關(guān)，通過灰色關(guān)聯(lián)分析，可得到不同因素與能耗之間的關(guān)聯(lián)程度；同理，可以得到不同因素與光伏幕墻發(fā)電之間量的相關(guān)程度?；疑P(guān)聯(lián)分析具體步驟如下[10]。

(1)確定參考序列X0={x0(1),x0(2),…,x0(n)}；其中n表示參考序列維度；選取m個比較序列Xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)}(i=1,2,…,m)。

(2)對X0和Xi進(jìn)行無量綱處理[10]。

(3)計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)，公式為

ξi(k)=

(1)

式(1)中：ρ為分辨系數(shù)，取值范圍[0,1]。

(4)計算參考序列和比較序列之間的灰色關(guān)聯(lián)度γ，公式為

(2)

(5)根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度大小排序，分析各比較序列對參考序列的影響。

此外，為對比不同類別建筑能耗和溫度等因素之間的正、負(fù)相關(guān)性，可采用Pearson相關(guān)性系數(shù)評估，公式為

(3)

1.2 經(jīng)濟(jì)性評價模型

1.2.1 靜態(tài)投資回收期

靜態(tài)投資回收期(static payback period, SPP)是指不考慮時間成本時項目收回投資所需時間，廣泛應(yīng)用于項目經(jīng)濟(jì)性評價[12]。對于光伏幕墻建筑項目，假設(shè)項目投運后各年凈收益均相同，則SPP的計算公式為

(4)

式(4)中：LCC(life cycle cost)為在不考慮時間成本情況下項目全壽命周期費用；Apr為項目每年凈收益。

1.2.2 效益費用比

效益費用比(benefit-cost ratio, BCR)是指項目全壽命周期效益與全壽命周期費用的比率[13]，是項目經(jīng)濟(jì)性分析的輔助評價指標(biāo)，其計算公式為

(5)

式(5)中：RCC為不考慮資金的時間價值下，項目全壽命周期效益；LCC 為全壽命周期投入成本。當(dāng)BCR大于1時，說明項目設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)上是可行的，即項目投運產(chǎn)生的效益大于投入的成本費用；并且BCR值越高，代表項目盈利效果越好。

1.2.3 減排環(huán)境效益

目前中國電源結(jié)構(gòu)中仍以火電為主，截至2020年底，浙江電網(wǎng)裝機(jī)容量為10 142萬kW，以火電裝機(jī)容量占比最高，達(dá)到60.2%。建筑物安裝光伏幕墻后可以代替常規(guī)燃煤機(jī)組提供電能，減少CO2等溫室氣體及污染物的排放，減少排放物造成的環(huán)境治理成本為

(6)

(7)

式(7)中：EPV為光伏幕墻發(fā)電量。

2 光伏幕墻建筑能效評估方法

2.1 仿真建筑簡介

以杭州市某辦公大樓為例，該建筑為3層，辦公樓每層樓高3.6 m，面積為504 m2。共12間辦公室，每個辦公室為6 m×6 m的房間，并向外設(shè)窗戶，中間設(shè)有一條2 m×36 m的走廊。南、北向單面墻總面積為3.6×6×6×3=388.8 m2，東、西側(cè)墻面總面積為(6+6+2)×3.6×3=151.2 m2。建筑仿真模型軸測圖如圖1所示。該建筑功能為辦公室，通風(fēng)設(shè)定為房間與房間、房間與外部環(huán)境都有通風(fēng)口。

圖1 仿真建筑軸測圖Fig.1 Axonometric drawing of simulated building

2.2 光伏幕墻發(fā)電仿真

PVsyst是一款光伏系統(tǒng)設(shè)計輔助軟件，可用于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量模擬計算[15]。PVsyst軟件中光伏電池特性表示為

(8)

式(8)中：Iph為光生電流，與光照強(qiáng)度和面積成正比；I0為二極管反向飽和電流；q為電子電荷，取1.6×10-19C；A為二極管發(fā)射系數(shù)；k為玻爾茲曼常量，取1.38×10-23J/K；U、I分別為光伏電池的開路電壓和輸出負(fù)載電流；Tc為環(huán)境溫度；Rs、Rsh分別為光伏電池等效模型中的串聯(lián)和并聯(lián)電阻[16]。

杭州地區(qū)全年環(huán)境參數(shù)如表1所示。Ieff的計算公式為

表1 杭州地區(qū)全年環(huán)境參數(shù)Table 1 Annual environmental parameters in Hangzhou area

Ieff=IInc-IShd-IIAM-ISlg

(9)

式(9)中：IShd、IIAM、ISlg分別表示陰影遮擋、相對投射率、灰塵遮擋3個因素導(dǎo)致輻照量減少量。

2.3 建筑能耗仿真模擬

建筑能耗模擬工具采用清華大學(xué)研發(fā)的DeST-C軟件平臺，該平臺在建筑能耗模擬中應(yīng)用廣泛，可用于建筑設(shè)計方案比較以及建筑節(jié)能評估[17]，建筑模型參數(shù)設(shè)定如下。

2.3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及參數(shù)如表2所示，其中導(dǎo)熱熱阻等參數(shù)用于評估圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of enclosure structure

2.3.2 熱擾參數(shù)

辦公室不同日類型、不同時段的人員密度不同，設(shè)置人員、燈光、設(shè)備的熱擾參數(shù)如表3所示。

表3 人員、燈光、設(shè)備的作息時間及熱擾參數(shù)Table 3 Working and rest time and heat disturbance parameters of personnel, lighting and equipment

2.3.3 能耗設(shè)備定義

建筑的能耗系統(tǒng)主要包括空調(diào)、照明、動力等系統(tǒng)，對各能耗系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備選型以及系統(tǒng)定義。

(1)空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)是建筑的主要耗能系統(tǒng)之一，設(shè)置建筑的空調(diào)季為每年6—8月，采暖季為每年11月中旬—次年3月中旬。在繪制建筑結(jié)構(gòu)圖時每層樓設(shè)置一個空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)類型為風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)?？照{(diào)系統(tǒng)的冷源類型為離心式電制冷機(jī)，熱源類型為燃?xì)鉄崴仩t，設(shè)備容量均依據(jù)建筑負(fù)荷確定。

(2)照明系統(tǒng)。建筑在白天和黑夜的照明能耗不同，照明系統(tǒng)在計算能耗時可以分析窗墻比對照明能耗的影響，DeST-C軟件支持對建筑進(jìn)行陰影和采光計算，可以對一年建筑的自然采光情況進(jìn)行模擬。

(3)動力系統(tǒng)。建筑的動力系統(tǒng)主要考慮了電梯、通風(fēng)機(jī)的能耗。電梯型號選擇辦公類直梯，額定功率26 kW，能量回收效率為10%；通風(fēng)機(jī)型號選擇辦公室汽車庫變頻通風(fēng)機(jī)，額定流量為1 000 m3/h，額定揚程為1 000 Pa，額定效率為60%。

3 算例分析

針對第2節(jié)介紹的辦公建筑以及相關(guān)物理參數(shù)，分別采用PVsyst軟件和DeST-C軟件進(jìn)行光伏幕墻發(fā)電量模擬和建筑能耗仿真(加裝普通玻璃和光伏幕墻)計算，采用第1節(jié)介紹的光伏幕墻建筑能效評估模型對建筑方案進(jìn)行綜合能效評估。

3.1 光伏幕墻發(fā)電量結(jié)果分析

設(shè)置光伏幕墻安裝在建筑南面，安裝傾角為90°。以一年為仿真時長，圖2展示了不同月份的光伏玻璃幕墻發(fā)電量的變化情況，光伏玻璃幕墻一年發(fā)電量累計為33.2 MW·h，上網(wǎng)發(fā)電量為32.4 MW·h，受到光伏陣列效率和逆變器效率等因素影響，系統(tǒng)平均轉(zhuǎn)換效率為85%。

圖2 光伏幕墻各月發(fā)電量Fig.2 Monthly power generation of photovoltaic curtain wall

當(dāng)改變光伏玻璃傾角時，年發(fā)電量及轉(zhuǎn)換效率的變化如表4所示?？梢钥闯?，當(dāng)光伏玻璃的安裝傾角從90°(豎直方向)不斷傾斜到50°的過程中，年發(fā)電量不斷增加，因為傾角為90°時夏季光伏幕墻平面得到的有效輻照量IInc與環(huán)境中的輻照量有較大差距。

表4 安裝傾角對發(fā)電量的影響Table 4 Influence of installation angle on power generation

改變光伏幕墻的朝向，窗前比均為0.9，即在建筑的不同面安裝光伏玻璃幕墻，年發(fā)電量如表5所示。由于不同朝向光伏玻璃幕墻面積以及得到的輻照量不同，光伏幕墻年發(fā)電量不同，建筑朝南面安裝光伏玻璃的年發(fā)電量比建筑北面安裝光伏玻璃的年發(fā)電量明顯增加，而建筑東面和西面安裝光伏玻璃的效果相同。

表5 幕墻朝向?qū)Πl(fā)電量的影響Table 5 Influence of curtain wall orientation on power generation

采用灰色關(guān)聯(lián)分析計算光伏幕墻發(fā)電量與溫度、輻照量等因素之間的關(guān)系，灰色關(guān)聯(lián)排序結(jié)果如表6所示，結(jié)果表明光伏幕墻發(fā)電量主要影響因素為有效輻照量。

表6 光伏幕墻發(fā)電量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)序Table 6 Gray correlation degree and correlation order of factors of photovoltaic curtain wall power generation

3.2 建筑能耗模擬結(jié)果分析

以建筑物加裝普通玻璃為例，窗墻比設(shè)置為0.5，分析建筑的能耗水平及影響因素。該建筑的總面積為1 512 m2，總空調(diào)面積為1 512 m2，不同形式的能源折算值如表7所示。

表7 能源折算關(guān)系Table 7 Energy conversion relationship

3.2.1 建筑總能耗

辦公建筑一年總能耗如表8所示，主要消耗能源形式是電能和天熱氣，一年總電耗為29.88萬kW·h，單位面積電耗值為197.61 kW·h/(m2·a)。一年消耗能源折合成等效電能的總耗量為36.36萬kW·h，單位面積能源折合電耗值為240.47 kW·h/(m2·a)。參照GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》，夏熱冬冷地區(qū)A類和B類商業(yè)辦公建筑的能耗指標(biāo)約束值分別為85 kW·h/(m2·a)和110 kW·h/(m2·a)，因此該模擬辦公建筑的單位面積能耗高于約束值，能耗較高，需要采取措施降低能耗。

表8 建筑總體能耗Table 8 Total building energy consumption

3.2.2 建筑分月能耗

從時間角度分析該建筑逐月能耗情況如圖3所示，可以看出該建筑電耗較高的時間出現(xiàn)在6—8月，在一年的夏季時段；而天然氣消耗較高出現(xiàn)在冬季，由于電耗是該辦公建筑的主要能耗來源，因此該建筑能耗高峰期為夏季。

圖3 建筑逐月能耗Fig.3 Monthly building energy consumption

3.2.3 建筑分項能耗

分項建筑能耗中空調(diào)、照明、設(shè)備、電梯、給排水、通風(fēng)分別耗電量如表9所示，建筑分項能耗所占比例如圖4所示，可以看出該辦公建筑中耗能較大的為空調(diào)、電梯、設(shè)備和照明，所占比例分別為36%、26%、18%和16%。

圖4 分項能耗所占比例Fig.4 Percentage of sub-item energy consumption

表9 建筑分項能耗Table 9 Building sub-item energy consumption

分項建筑能耗和單位面積建筑能耗逐月變化情況分別如圖5和圖6所示。

圖5 分項能耗逐月分布情況Fig.5 Monthly distribution of sub-item energy consumption

圖6 單位面積分項能耗分布情況Fig.6 Distribution of sub-item energy consumption per unit area

根據(jù)圖5和圖6可以看出，空調(diào)電耗較高的時間出現(xiàn)在6—8月，主要原因是夏季空調(diào)能耗較高；照明電耗較高的時間出現(xiàn)在1—3月及11—12月，主要原因是冬季日照時間減少、自然采光較弱；給排水電耗較高的時間出現(xiàn)在1—4月及10—12月，主要原因為冬季燃?xì)鉄崴仩t供暖能耗需求增加；設(shè)備電耗、電梯電耗、通風(fēng)電耗在一年中分布較為均勻。

3.2.4 相關(guān)性分析

采用灰色關(guān)聯(lián)分析計算建筑能耗與影響因素之間的關(guān)系，結(jié)果如表10所示，能耗與溫度之間的相關(guān)性最大，因此不同月份之間能耗差異較大。

表10 建筑能耗影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)序Table 10 Gray correlation degree and correlation order of factors of building energy consumption

建筑分項能耗與溫度之間的Pearson相關(guān)性系數(shù)矩陣如圖7所示。

指標(biāo)1表示溫度，指標(biāo)2～7分別代表空調(diào)、照明、設(shè)備、電梯、給排水、通風(fēng)能耗圖7 溫度和分項能耗Pearson相關(guān)性系數(shù)矩陣Fig.7 Pearson correlation coefficient matrix of temperature and sub-item energy consumption

由圖7可知，空調(diào)能耗受溫度影響最大，并且成呈正相關(guān)，因此夏季空調(diào)能耗較高；照明和給排水能耗和溫度之間也存在較高的相關(guān)性，呈負(fù)相關(guān)。

3.3 光伏幕墻節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)性評價

對比建筑加裝普通玻璃和光伏幕墻建筑能耗變化情況，通過經(jīng)濟(jì)性評價分析光伏幕墻項目的經(jīng)濟(jì)可行性。

3.3.1 節(jié)能效益計算

選取辦公樓南面安裝光伏玻璃幕墻，窗墻比為0.9，光伏玻璃幕墻總面積為350 m2。光伏玻璃的光學(xué)物理參數(shù)如表11所示。

表11 玻璃光學(xué)參數(shù)Table 11 Optical parameters of glass

通過對比安裝光伏幕墻前后建筑一年冷熱負(fù)荷變化以及幕墻發(fā)電量來評估安裝光伏幕墻對建筑總耗能的影響，結(jié)果如表12所示。

根據(jù)表12可知，由于玻璃幕墻的反射和隔熱效果以及發(fā)電量，光伏幕墻建筑總耗能比普通玻璃降低71.76 MW·h，按照商業(yè)用電0.67 元/(kW·h)計算安裝光伏玻璃后節(jié)約的電費為48 079.2元。

表12 建設(shè)光伏幕墻前后節(jié)能量Table 12 Energy saving before and after the construction of photovoltaic curtain wall

3.3.2 經(jīng)濟(jì)性評價

目前光伏玻璃幕墻的成本主要包括光伏幕墻材料費用、光伏幕墻安裝人工費、光伏建筑電氣部分費用，光伏幕墻的建設(shè)投資費用為1 000～2 000 元/m2。根據(jù)靜態(tài)投資回收期、效益費用比分析不同光伏幕墻建設(shè)成本下光伏建筑的經(jīng)濟(jì)性[18]。

(1)靜態(tài)投資回收期。不同光伏幕墻建設(shè)成本下，投建光伏幕墻項目的靜態(tài)投資回收期如表13所示。

由表13可知，隨著單位面積光伏幕墻成本的提高，光伏幕墻項目的靜態(tài)投資回收期不斷增加，光伏幕墻的壽命周期一般為20～25年，在目前的幕墻成本范圍內(nèi)，建設(shè)光伏幕墻建筑的投資回收期小于光伏建筑的壽命期，表明項目投資能在規(guī)定的時間內(nèi)收回成本，在經(jīng)濟(jì)上可以接受。

表13 不同投建成本下靜態(tài)投資回收期Table 13 Static payback period under different investment and construction costs

(2)效益費用比。假設(shè)光伏幕墻壽命周期為20年，不同光伏幕墻建設(shè)成本下，項目的效益費用比如表14所示。

由表14可以看出，隨著幕墻成本的提高，光伏幕墻項目的效益費用比不斷減小，但在目前光伏幕墻成本的范圍區(qū)間內(nèi)，項目的效益費用比均大于1，因此辦公建筑南面建設(shè)光伏幕墻在經(jīng)濟(jì)上可行。

表14 不同投建成本下效益費用比Table 14 Benefit cost ratio under different investment and construction costs

(3)碳排放環(huán)境效益。根據(jù)建筑配置光伏幕墻后節(jié)能量以及燃煤機(jī)組單位電量排放物的排放密度和處理成本[12]，光伏幕墻在20年壽命周期內(nèi)總的減排量和環(huán)境效益如表15所示，減少CO2排放量為1 180.89 t，總環(huán)境效益達(dá)到156 331.87 元。

表15 光伏幕墻減排環(huán)境收益Table 15 Environmental benefits of photovoltaic curtain wall emission reduction

3.4 建筑能效提升策略

對比加裝普通玻璃和光伏幕墻建筑能耗以及結(jié)合建筑能耗影響因素和光伏幕墻發(fā)電量影響因素，得到建筑能效提升策略如下。

(1)對比建筑物加裝普通玻璃和光伏幕墻能耗，由于玻璃幕墻的反射和隔熱效果，冷、熱負(fù)荷峰值均下降，并且光伏幕墻可以提供電力補償量，因此加裝光伏幕墻可以有效提升建筑能效水平。

(2)針對建筑能耗影響因素，溫度和窗墻比對建筑能耗影響較大，因此在設(shè)計光伏幕墻時應(yīng)重視窗墻比的影響；建筑分項能耗中，空調(diào)和電梯兩者占總能耗比例超過60%，因此需要重點進(jìn)行節(jié)能方案設(shè)計，可通過考慮能耗指標(biāo)和用戶舒適度指標(biāo)建立節(jié)能優(yōu)化模型降低建筑能耗[19]。

(3)由于光伏幕墻發(fā)電量可以降低建筑能耗，因此影響光伏幕墻發(fā)電量的因素也會影響建筑能耗，在設(shè)計光伏幕墻安裝時可通過選擇合適傾角和朝向提高有效輻照量，從而提高光伏幕墻發(fā)電量和降低建筑能耗。

4 結(jié)論

本文提出了基于能耗分析和經(jīng)濟(jì)性評價的建筑能效評價方法，以杭州地區(qū)某辦公建筑物為例，采用DeST-C軟件和PVsyst軟件進(jìn)行能耗仿真計算和光伏幕墻發(fā)電量模擬，驗證了加裝光伏幕墻對建筑能效的提升作用，采用經(jīng)濟(jì)性評價模型分析了光伏幕墻建筑項目的經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境價值，提出了建筑能效提升策略，得到如下主要結(jié)論。

(1)灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，影響光伏幕墻發(fā)電量的主要因素是有效輻照量，和建筑能耗相關(guān)性最高的因素是環(huán)境溫度。

(2)建筑物配置光伏幕墻和普通玻璃相比，光伏幕墻總耗能比普通玻璃降低71.76 MW·h，加裝光伏幕墻可有效提升建筑能效水平。

(3)在目前的幕墻成本范圍內(nèi)，光伏幕墻建筑項目的投資回收期小于光伏建筑的壽命期，效益費用比均大于1，在20年壽命周期內(nèi)可減少CO2排放量為1 180.89 t，總環(huán)境效益達(dá)到156 331.87 元，具有良好的經(jīng)濟(jì)價值和環(huán)境價值。