王金芝，魯月紅，孫瑞瑞，季海霞

(安徽工業(yè)大學建筑工程學院，安徽馬鞍山243032)

建筑能源消耗，尤其是供熱和制冷能耗關系到居民室內(nèi)熱舒適度及大氣環(huán)境質(zhì)量，其與室外氣象條件關系密切[1-3]。全球氣候系統(tǒng)復雜，影響氣候變化的因素多，氣候變化對建筑能耗的影響受到特別關注[4-6]。為了應對氣候變化、污染排放以及建筑能源消耗帶來的影響，多數(shù)國家一直在努力減少對化石燃料的依賴并出臺一系列政策支持可再生能源的發(fā)展[7-9]。

近年來，中國重點發(fā)展零能耗建筑，大力推廣建筑節(jié)能技術[10]。魏巍賢等[11]建立可計算的一般均衡(computable general equilibrium，CGE)模型，模擬分析可再生能源電價補貼對可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，結果發(fā)現(xiàn)可再生能源電價補貼能夠促進可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有利于促進改善大氣環(huán)境，實現(xiàn)經(jīng)濟增長。Cavicchi[12]運用比較分析法對美國可再生能源電力補貼設計方案進行了研究，結果發(fā)現(xiàn):基于生產(chǎn)的補貼方式有利于降低電力批發(fā)市場的價格，與為糾正環(huán)境外部性而提高市場電價的目標相反；基于發(fā)電量補貼的定價方法沒有顯著降低電價；在設計電價補貼的過程中要著眼于社會福利最大化，重視補貼的成本效益評估。王風云[13]研究了可再生能源定價機制，認為目前缺乏對可再生能源政策實施效果的評估及反饋機制的研究，需建立可再生能源電價補貼調(diào)整機制。上述對零能耗建筑可再生能源系統(tǒng)的研究多關注電價補貼對可再生能源發(fā)電的影響，極少關注國家政策對不同氣候區(qū)零能耗建筑中可再生能源系統(tǒng)的影響。因此，文中分析不同氣候區(qū)建筑能耗，根據(jù)不同氣候區(qū)太陽能和風能資源的分布，針對不同氣候區(qū)建筑設計合適的可再生能源系統(tǒng)，并對不同補貼額度下的可再生能源系統(tǒng)進行優(yōu)化。

1 建筑可再生能源系統(tǒng)的優(yōu)化設計路線

根據(jù)《民用建筑熱工設計標準》[14](GB/T 50176—2016)，我國將整個建筑熱工設計劃分為5 個設計分區(qū)，分別為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)?？紤]不同氣候區(qū)城市的代表性、典型性以及該地區(qū)可再生能源的利用情況，選取夏熱冬暖地區(qū)(廣州)、夏熱冬冷地區(qū)(上海)、寒冷地區(qū)(北京和拉薩)、溫和地區(qū)(昆明)及嚴寒地區(qū)(哈爾濱、烏魯木齊)7個城市作為不同氣候區(qū)的代表。

不同氣候區(qū)建筑可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化設計路線如圖1。收集7個典型城市的氣象數(shù)據(jù)，確定圍護結構和室內(nèi)熱源等參數(shù)，通過Energy Plus軟件模擬計算不同氣候區(qū)典型城市建筑逐時冷熱負荷；分析建筑其他電力能耗(如照明，微波爐等)，得出建筑總能耗；由不同氣候區(qū)典型城市建筑能耗初步配置不同氣候區(qū)可再生能源系統(tǒng)(光伏、風力發(fā)電機等)，根據(jù)建筑用能和產(chǎn)能平衡要求篩選可行的可再生能源系統(tǒng)組合；比較分析標準額度補貼和補貼額度減半對可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化選擇的影響，得到不同氣候區(qū)典型城市經(jīng)濟最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)。

圖1 可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化設計路線Fig.1 Optimal design route of renewable energy system

2 建筑可再生能源系統(tǒng)

2.1 建筑模型

以兩層的居住建筑為參考建筑(圖2)，南北朝向，建筑高度為3 m，總建筑面積為212.16 m2。該建筑設置有廚房、餐廳、客房、起居室、臥室、書房、衛(wèi)生間，主要用電設備有照明、電視機、計算機、冰箱、洗衣機、微波爐和電熱水器等。其主要電器能耗見表1。根據(jù)不同氣候區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準[16-19]，確定不同氣候區(qū)建筑所用圍護結構的材質(zhì)性能及構造方式，結果見表2。

圖2 居住建筑模型Fig.2 Model of residential building

表1 居住建筑的主要電器能耗Tab.1 Energy consumption of main electric equipment in residential building

表2 不同氣候區(qū)建筑物基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of buildings in different climate zones

根據(jù)GB 50034—2013《建筑照明設計標準》[19]，居住建筑照明功率限值為5 W/m2，設備功率密度統(tǒng)一取7 W/m2，以一家四口為基準，人員熱擾設置為0.02人/m2。參考相關居住建筑節(jié)能設計標準，確定室內(nèi)空氣新風量為30 m2/(h·人)。因此，建筑的年總能耗可由式(1)計算，其中總能耗包括建筑冷熱負荷EHC和家電能耗。

式中:EBEC為建筑總能耗，kWh；EL為照明能耗，kWh；ET為電視機能耗，kWh；EC為計算機能耗，kWh；ER為冰箱能耗，kWh；EWM為洗衣機能耗，kWh；EMO為微波爐能耗，kWh；EWH為電熱水器能耗，kWh；i 為第i小時。

2.2 可再生能源系統(tǒng)模型

2.2.1 光伏組件

光伏面板的輸出功率PPV和太陽光照強度、環(huán)境溫度以及當?shù)貧夂驐l件密切相關，具有很強的非線性，如式[20-21]

式中:PPV為光伏板的額定容量，表示標準測試條件下電池的輸出功率，kW；fPV為光伏板的降額因子，%；HT為光伏板上的太陽輻射強度，kW/m2；HS為標準測試條件下的光照強度，取1 kW/m2；α 為功率的溫度系數(shù)，%/℃；θC為電池板的工作溫度，℃；θC,STC為標準測試條件下電池板的工作溫度，25 ℃。光伏組件技術參數(shù)如表3[22]。

2.2.2 風力發(fā)電機

在風力發(fā)電機中，影響風能系統(tǒng)輸出的3 個主要因素為空氣密度、掃掠面積、風速，其產(chǎn)生的功率PWT可用式(3)[8]計算。

式中:ρ 為空氣密度，1.29 kg/m3；A 為掃掠面積m2；v 為風速，m/s；C 為風機性能系數(shù)；η 為發(fā)電機和風力發(fā)電機的組合效率。風力發(fā)電機技術參數(shù)如表4[22]。

表4 風力發(fā)電機技術參數(shù)Tab.4 Technical data of wind turbine

2.2.3 風光互補發(fā)電系統(tǒng)

光伏面板在太陽光照射下產(chǎn)生直流電，獨立風力發(fā)電機交流發(fā)電，不穩(wěn)定，一般需要整流。故風力光伏互補發(fā)電系統(tǒng)（簡稱風光互補發(fā)電系統(tǒng)）需采用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，逆變器的安裝成本、更換成本及年運營和維護成本分別為4 985，4 985，70 元/kW。假定逆變器的壽命為20 a，轉(zhuǎn)換效率為90%。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電量以自發(fā)自用為主，多余的電量并入國家電網(wǎng)。我國不同氣候區(qū)的余電補貼政策不同，根據(jù)發(fā)改委文件《關于推進電力市場建設的實施意見》和《2018 年度全國電力價格情況監(jiān)管通報》，統(tǒng)計2018 年不同氣候區(qū)典型城市的余電補貼，具體如表5。

在并網(wǎng)可再生能源系統(tǒng)中，國家電網(wǎng)被視為具有電池功能，當可再生能源發(fā)電不足時，國家電網(wǎng)可向建筑物供電；當可再生能源發(fā)電充足且有余量時，可將多余電量售給國家電網(wǎng)。假設建筑年能源平衡，因此設最大購電凈額為0 kWh，則建筑1 a 余電量EGrid可由式(4)計算，

表5 不同氣候區(qū)典型城市的余電補貼Tab.5 Residual subsidies for typical cities in different climate zones

式中:EBEC建筑總耗電量，kWh；EPV為光伏組件發(fā)電量，kWh；EWT為風力發(fā)電機發(fā)電量，kWh；i 為第i 小時?？稍偕茉聪到y(tǒng)發(fā)電成本T 可由式(5)計算，

式中:TPV為光伏組件發(fā)電成本，元/a；TWT為風力發(fā)電成本，元/a；T逆變器為逆變器發(fā)電成本，元/a；TGrid為余電回收成本，元/a。

3 結果與討論

3.1 可再生能源分布

根據(jù)不同氣候區(qū)典型城市(北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊)的氣象年逐時數(shù)據(jù)[23]，統(tǒng)計7個典型城市氣象年8 760 h的月太陽輻射及月平均風速，結果如圖3，4。由圖3可看出:拉薩太陽輻射高于其他城市，多數(shù)城市最高太陽輻射處于5—9月份，而1，2，11，12月份太陽輻射總量減少；太陽輻射潛力拉薩較大，廣州較小。由圖4可看出:哈爾濱最大風速為3.81 m/s，上海和烏魯木齊最大風速分別為3.59，3.16 m/s；昆明和拉薩的全年風速相對較穩(wěn)定，廣州的全年風速比其他城市低且更穩(wěn)定。

圖3 7個城市的的月太陽輻射分布Fig.3 Distribution of monthly solar radiation in seven cities

圖4 7個城市的平均月風速分布Fig.4 Distributionofaveragemonthlywindspeedinsevencities

3.2 建筑能耗

采用Energy Plus 軟件模擬計算不同氣候區(qū)典型城市建筑物的能耗，結果如圖5，6。由圖5 可看出，北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊建筑物最大年能耗分別為14.7，5.1，19.7，4.8，9.3，7.8，19.1 kWh。由于不不同氣候區(qū)供熱和制冷的需求不同，不同氣候區(qū)建筑物的能耗也不同。由圖6可看出:哈爾濱建筑能耗高于其他城市，年能耗達到37 863 kWh，日能耗為103.7 kWh；拉薩和上海建筑能耗相差不大，年能耗分別為13 435.6，12 469.9 kWh，日能耗分別為36.8，34.2 kWh；廣州建筑能耗較少，年能耗為6 394.2 kWh，日能耗為17.5 kWh。

綜上，不同氣候區(qū)建筑物年能耗存在差異，應根據(jù)所在地區(qū)建筑能耗和可再生資源分布，選擇合適的可再生能源系統(tǒng)以實現(xiàn)零能耗目標。

3.3 可再生能源系統(tǒng)的成本優(yōu)化

3.3.1 標準額度補貼對可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響

根據(jù)北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊7 個典型城市可再生能源分布及其建筑能耗，初步配置不同氣候區(qū)可再生能源系統(tǒng)為風光互補發(fā)電系統(tǒng)。由于可再生能源系統(tǒng)與國家電網(wǎng)連接，根據(jù)7個城市的余電補貼(表5)及年建筑能耗(圖6)和產(chǎn)能平衡要求，得到標準額度補貼政策下，7個城市經(jīng)濟最優(yōu)的建筑可再生能源系統(tǒng)，結果如表6。從表6可看出:標準額度補貼政策下，北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本T 分別為109 316，49 131，183 831，52 082，80 027，63 559，163 203元/a，7 個城市可再生能源系統(tǒng)T 為49 131～183 831 元/a，哈爾濱的可再生能源系統(tǒng)T 是廣州的3.5 倍以上；廣州經(jīng)濟最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為6 kW 光伏組件、0 kW 風力發(fā)電機及2 kW逆變器；哈爾濱經(jīng)濟最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為2 kW 光伏組件、35 kW 風力發(fā)電機及6 kW 逆變器。這是因為各城市建筑能耗有差異，即哈爾濱的日能耗為103.7 kWh，廣州的日能耗為17.5 kWh。

3.3.2 補貼額度減半對可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響

隨著光伏發(fā)電技術進步及國家政策調(diào)控的推進，光伏行業(yè)市場化導向更明確、補貼退坡信號更清晰。因此，考慮補貼額度減半對可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響，結果見表7。由表7 可看出:補貼額度減半政策下，北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊的可再生能源系統(tǒng)T 分別為105 445，45 779，179 957，49 710，76 837，60 678，160 568元/a；廣州經(jīng)濟最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為6 kW光伏組件、0 kW風力發(fā)電機及2 kW逆變器；哈爾濱經(jīng)濟最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為2 kW光伏組件、35 kW風力發(fā)電機及6 kW逆變器。對比表6，7可看出，補貼額度標準和減半政策下，7個城市可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電成本T 相差不大，且可再生能源系統(tǒng)的最優(yōu)配置沒有變化。由此表明，補貼額度減半對可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響較小，對可再生能源系統(tǒng)成本優(yōu)化沒有影響。

4 結 論

1)不同氣候區(qū)能源分布差異大，7個典型城市中拉薩太陽能比較豐富而風資源比較匱乏；上海和哈爾濱風資源比較豐富，太陽能資源處于中等水平；廣州太陽能和風資源都比較低。

2)不同氣候區(qū)建筑能耗差異較大，哈爾濱供熱需求較大，其建筑日能耗為103.7 kWh，而廣州建筑日能耗為17.5 kWh。

3)考慮不同氣候區(qū)能源分布及建筑能耗差異，基于國家發(fā)電補貼政策對可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響，設計不同氣候區(qū)經(jīng)濟最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)，不同氣候區(qū)7個典型城市經(jīng)濟最優(yōu)的建筑可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電成本為49 131～183 831 元/a，哈爾濱是廣州的3.5倍以上。其中:廣州經(jīng)濟最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為6 kW光伏組件、0 kW風力發(fā)電機及2 kW逆變器；哈爾濱經(jīng)濟最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為2 kW光伏組件、35 kW風力發(fā)電機及6 kW逆變器。

表7 補貼額度減半下7個城市可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電成本和最優(yōu)配置Tab.7 Generation cost and optimal allocation of renewable energy systems in seven cities under the halving subsidy