李 亞 芬

[邁進(jìn)工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)(上海)有限公司, 上海 200235]

0 引 言

基于全球變暖對(duì)人類(lèi)及其他生物生存環(huán)境造成的不利影響,低碳環(huán)保的理念越來(lái)越為大家所認(rèn)可。在2020年的第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上,中國(guó)政府提出了力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到CO2排放峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的發(fā)展目標(biāo)。

清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院編制的《中國(guó)長(zhǎng)期低碳發(fā)展戰(zhàn)略與轉(zhuǎn)型路徑研究》報(bào)告中指出:在2015年度,我國(guó)終端能源消費(fèi)中電力消費(fèi)的比例為21.3%,到2030年將會(huì)超過(guò)30%,而2050 年這個(gè)比例將達(dá)到70% 以上[1]。

2018年度所有終端能耗中建筑部門(mén)的能耗約占20%,這一比例呈逐年增加的趨勢(shì)。我國(guó)電力供應(yīng)主要來(lái)自火力發(fā)電,建筑中采用綠色清潔的電力將對(duì)減少CO2的排放發(fā)揮重要的作用。

建筑領(lǐng)域的低碳化轉(zhuǎn)型途徑可以概括為開(kāi)源與節(jié)流兩個(gè)方面。“開(kāi)源”即通過(guò)發(fā)展可再生能源網(wǎng)絡(luò),“節(jié)流”即通過(guò)計(jì)量、能耗分析、自動(dòng)控制等方式節(jié)約電力能耗。本文以上海地區(qū)某綜合體項(xiàng)目為例,對(duì)相關(guān)電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 光伏發(fā)電

國(guó)家能源局最新數(shù)據(jù)顯示,國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電裝機(jī)總量已達(dá)到4.7億kW,位居全球第一。國(guó)家及各地相繼出臺(tái)了各類(lèi)政策及規(guī)范,極大推動(dòng)了建筑領(lǐng)域分布式光伏發(fā)電的發(fā)展[2]。上海市發(fā)展和改革委員會(huì)于2022年8月印發(fā)了《上海市能源電力領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》的通知,通知規(guī)定“新建公共建筑、住宅屋頂安裝光伏面積不低于30%”。

1.1 太陽(yáng)能資源分布

中國(guó)是一個(gè)太陽(yáng)能資源較豐富的國(guó)家,超過(guò)2/3地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2 000 h[3]。相較而言上海地區(qū)光照強(qiáng)度較弱,根據(jù)中國(guó)氣象局發(fā)布的《2022年中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源年景公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示,上海固定式光伏發(fā)電首年利用小時(shí)數(shù)在1 201～1 300 h,最佳斜面總輻照量平均值為1 561.1 kWh/m2,水平面總輻照量平均值為1 448.5 kWh/m2。

1.2 光伏組件

目前建筑行業(yè)中光伏組件種類(lèi)繁多,主流類(lèi)型大體分為單晶硅、多晶硅及薄膜,其中薄膜光伏板包含非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒等多種材質(zhì)。綜合多個(gè)廠家資料,3種材料主要特性對(duì)比如表1所示。

表1 3種材料主要特性對(duì)比

目前市場(chǎng)主流以單晶硅光伏板為主,市場(chǎng)占有率超過(guò)80%。在屋頂安裝空間不足,且對(duì)外立面造型及采光性能有要求時(shí),可選擇薄膜光伏板,但相應(yīng)造價(jià)較高。

本項(xiàng)目為上海地區(qū)商業(yè)、辦公綜合性項(xiàng)目,總建筑面積約25萬(wàn)m2,包含5幢塔樓及局部裙房,屋頂面積約15 000 m2。按上海地方要求,光伏設(shè)置面積為30%屋頂面積,屋面設(shè)置光伏即需設(shè)置4 500 m2光伏板,如立面安裝光伏系統(tǒng)需設(shè)置7 500 m2光伏安裝面積。塔樓屋面預(yù)留有光伏設(shè)備布置空間,且室內(nèi)為辦公室,對(duì)幕墻采光性有一定要求,綜合考慮下選擇單晶硅光伏板作為本項(xiàng)目光伏系統(tǒng)組件。

1.3 光伏組件安裝

光伏系統(tǒng)組件安裝可分為安裝型光伏建筑(BAPV)與構(gòu)建型光伏建筑(BIPV)兩種形式。BAPV是指光伏組件附著在建筑物上,與建筑本體相對(duì)獨(dú)立存在。目前常見(jiàn)的屋頂設(shè)置基礎(chǔ)及鋼架構(gòu)用于敷設(shè)太陽(yáng)能電池板就是BAPV形式。而B(niǎo)IPV指光伏組件本身即為建筑物的一部分,與建筑集成一體。BIPV常見(jiàn)形式有光伏瓦片、光伏幕墻和光伏采光頂[4]。

上海地區(qū)緯度31°17′,并網(wǎng)系統(tǒng)推薦傾角為24°17′,獨(dú)立系統(tǒng)推薦傾角為34°17′。

本項(xiàng)目光伏板尺寸為2 278 mm×1 134 mm×35 mm(長(zhǎng)×寬×厚),均安裝于塔樓屋頂區(qū)域,屋頂為混凝土平屋頂,結(jié)構(gòu)預(yù)先設(shè)置混凝土支墩,于支墩上設(shè)置支架、檁條供光伏陣列傾斜安裝。光伏組件安裝大樣圖如圖1所示。

圖1 光伏組件安裝大樣圖

為避免傾斜安裝時(shí)前排光伏組件對(duì)后排光伏組件造成遮擋,影響發(fā)電效率,光伏組件安裝需滿足最小間距要求。光伏陣列安裝間距示意圖如圖2所示。

圖2 光伏陣列安裝間距示意圖

參考GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.2.2條文說(shuō)明計(jì)算方法[5]:

(1)

式中:D——兩排陣列間距離;L——陣列傾斜面長(zhǎng)度;β——陣列傾斜角,即24°17′;φ——當(dāng)?shù)鼐暥?即31°17′。

代入本項(xiàng)目數(shù)據(jù)求得D=3 863 mm,故本項(xiàng)目屋頂光伏陣列間距不得小于3 863 mm。

實(shí)際項(xiàng)目中不時(shí)遇到管道、風(fēng)機(jī)、冷卻塔、水箱等設(shè)備遍布屋頂?shù)那闆r。此種情況下屋頂無(wú)空余空間用來(lái)安裝光伏板,可采用光伏組件架空高位安裝的方式。架高安裝多采用平鋪組件方式,因?yàn)閮A斜安裝增加了設(shè)備高度,不利于建筑外觀;此外考慮塔樓屋頂風(fēng)勢(shì)較大,傾斜安裝恐風(fēng)力掀起光伏板,影響人員及設(shè)備安全。

1.4 供配電設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立系統(tǒng)及并網(wǎng)系統(tǒng),獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)配置儲(chǔ)能裝置。按單晶硅光伏板考慮,每1 W光伏組件、支架及其逆變器等設(shè)備建造成本約5元,而1 Wh儲(chǔ)能裝置的建造成本就達(dá)到了約1元?？紤]項(xiàng)目為商業(yè)、辦公業(yè)態(tài),光伏組件產(chǎn)生電能的時(shí)間段與項(xiàng)目本身用電高峰段時(shí)間相近,故本項(xiàng)目選擇并網(wǎng)系統(tǒng),自發(fā)自用,余電上網(wǎng)。本項(xiàng)目光伏板分散設(shè)置于各塔樓屋頂,采用分布式并網(wǎng)方式,即分別由各屋頂光伏板通過(guò)饋電設(shè)備就近并網(wǎng)接駁于各用電負(fù)載的載體上。選擇頂層租戶母線出口的樓層租戶電表箱作為就近并網(wǎng)點(diǎn),光伏并網(wǎng)點(diǎn)示意圖如圖3所示。

圖3 光伏并網(wǎng)點(diǎn)示意圖

1.5 光伏系統(tǒng)發(fā)電量

光伏發(fā)電系統(tǒng)電量預(yù)測(cè)有條件的情況可由PVsyst等專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,本文僅按公式法對(duì)發(fā)電量做簡(jiǎn)略估算。參考GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中第6.2.2條計(jì)算方法。光伏系統(tǒng)上網(wǎng)發(fā)電量Ep可按下式計(jì)算[5]:

(2)

式中:Ep——上網(wǎng)發(fā)電量;HA——水平面太陽(yáng)能總輻照量(峰值小時(shí)數(shù));

ES——標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度(取1 kWh/m2);

PAZ——光伏組件安裝容量;

K——綜合效率系數(shù),取0.8。

本項(xiàng)目光伏板安裝總?cè)萘繛?00 kW,上海地區(qū)水平面總輻照量平均值為1 448.5 kWh/m2,代入求得年發(fā)電量為69.5萬(wàn)kWh。按0.7元/kWh,本項(xiàng)目光伏1年可節(jié)約48.65萬(wàn)元,光伏系統(tǒng)建設(shè)成本約300萬(wàn),回本期約6年。相較于光伏系統(tǒng)25年的使用周期,光伏系統(tǒng)的建設(shè)不僅有利于國(guó)家碳中和的政策發(fā)展,也對(duì)建設(shè)方具有長(zhǎng)期盈利效益。

2 樓宇自控與能耗管理

建筑電氣的節(jié)能主要由選擇節(jié)能型設(shè)備及采用節(jié)能運(yùn)行模式兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文主要探討運(yùn)行模式下的節(jié)能方式。

2.1 照明系統(tǒng)控制

本項(xiàng)目不同功能區(qū)照明系統(tǒng)采用了不同的控制方式。辦公室、大堂等具備自然光照條件的區(qū)域,設(shè)置照度感應(yīng)器控制室內(nèi)照明跟隨自然光照度強(qiáng)弱變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。電梯廳、走道、車(chē)庫(kù)區(qū)域分回路設(shè)置照明燈具,接入樓宇自控系統(tǒng),由DDC控制器根據(jù)設(shè)置模式進(jìn)行分時(shí)段開(kāi)啟不同回路照明。樓梯間一般狀態(tài)下人流較少,其內(nèi)部照明則采用紅外感應(yīng)控制,僅在有人員通過(guò)的情況下點(diǎn)亮。機(jī)房、儲(chǔ)藏室等物業(yè)用房設(shè)置就地開(kāi)關(guān),按需要開(kāi)啟及關(guān)閉房間內(nèi)照明。建筑外墻景觀照明則采用智能照明系統(tǒng)控制,可以按時(shí)間、環(huán)境、節(jié)假日等多種場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)立面照明控制。

2.2 暖通系統(tǒng)控制

暖通空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗的大頭,其節(jié)能運(yùn)行對(duì)降低建筑碳排放具有重要影響意義。本項(xiàng)目設(shè)置冷熱源群控系統(tǒng),通過(guò)在管道上設(shè)置傳感器采集冷熱水的供回水溫度、壓力、流量等參數(shù),由相應(yīng)算法控制自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉水泵、閥門(mén)等設(shè)備,以此實(shí)現(xiàn)滿足環(huán)境溫度的需求并能避免能源的浪費(fèi)。室內(nèi)新風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)CO2濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制送風(fēng)量,并由供冷、供熱工況自動(dòng)調(diào)整送風(fēng)溫度設(shè)定值。

2.3 派梯系統(tǒng)

本項(xiàng)目中5幢辦公樓客梯采用派梯系統(tǒng)控制,電梯與辦公大堂閘機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。閘機(jī)設(shè)置人臉識(shí)別、刷卡、二維碼讀卡裝置,人員通過(guò)閘機(jī)后,根據(jù)派梯屏指示前往分配的電梯處等待。該系統(tǒng)通過(guò)收集各樓層實(shí)際候梯人數(shù)及各臺(tái)電梯所處位置及狀態(tài),自動(dòng)對(duì)電梯進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)配,在減少人員等候時(shí)間的同時(shí)也降低了電梯系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以上海地區(qū)案例為依托,對(duì)光伏發(fā)電及樓宇自控系統(tǒng)兩方面進(jìn)行分析,探討了建筑電氣設(shè)計(jì)中降低碳排放的手段。在“雙碳”目標(biāo)的大趨勢(shì)下,光伏發(fā)電不單純只是一個(gè)政策規(guī)定,在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)這個(gè)系統(tǒng)也能為使用方帶來(lái)切實(shí)的收益。樓宇自控系統(tǒng)是建筑物成為智能建筑最重要的一項(xiàng)因素,善用樓宇自控系統(tǒng)既能減少能耗,也能節(jié)約人力成本。