房建軍

(1．國家能源集團綠色能源與建筑研究中心，北京 102211；2．北京低碳清潔能源研究院，北京 102211)

隨著社會的進步和生活水平的提高，建筑照明、空調(diào)和智能電器等的大量使用使建筑能耗大幅增加[1]，建筑成為城市中主要的電能消耗者[2]。2018年，建筑運行能耗占全國能源消費總量的22%[3]。深入貫徹建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的思想，需要積極降低建筑能耗。目前電力是建筑能源主要的消費類型[4]，大規(guī)模推廣建設(shè)光伏建筑，采用就地發(fā)電就地使用的模式，甚至可以把建筑轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉吹纳a(chǎn)者[5]。

使用光伏組件或構(gòu)件作為新型建材，集成到建筑上，稱為光伏建筑一體化，即BIPV(Building Integrated Photovoltaic)[6]，符合建筑整體的功能要求，提升建筑的美感；無需額外占用土地，就地發(fā)電就地使用，還可以降低建筑冷熱負荷，進而降低建筑能耗。

低壓直流供電與交流供電方式相比，具有供電線損少、用電設(shè)備效率高等優(yōu)點，可以方便的接入光伏發(fā)電和儲能設(shè)備，減少逆變上網(wǎng)的成本和電能損失，同時對建筑用電負荷移峰填谷，降低總供電容量，提高電網(wǎng)的能效[7-8]。因此光伏建筑配備低壓直流供電系統(tǒng)是電氣節(jié)能的熱點研究方向和發(fā)展趨勢。美國綠色建筑協(xié)會正在試行在綠色建筑評估體系中加入直流供電系統(tǒng)[9]。

然而在實際應(yīng)用中光伏建筑結(jié)合低壓直流供電缺乏全面、系統(tǒng)的設(shè)計指導(dǎo)思想，沒有清晰和全面的設(shè)計內(nèi)容要求。本文提出了光伏建筑一體化及低壓直流供電電氣節(jié)能設(shè)計的主要原則和主要內(nèi)容，并據(jù)此完成了BIPV項目的光伏系統(tǒng)及低壓直流供電電氣節(jié)能設(shè)計。根據(jù)項目的基本情況和光伏發(fā)電量預(yù)測結(jié)果，梳理提高發(fā)電效率、降低投資和運行成本的光伏系統(tǒng)設(shè)計要點；制定低壓直流供電架構(gòu)及電氣節(jié)能設(shè)計方案，以及直流負荷節(jié)能方案。本光伏建筑項目的設(shè)計與建設(shè)成功經(jīng)驗對光伏建筑一體化及低壓直流供電節(jié)能技術(shù)的理論研究和應(yīng)用推廣具有重要的參考價值。

1 BIPV及直流供電電氣節(jié)能設(shè)計主要原則和內(nèi)容

1.1 BIPV及直流供電電氣節(jié)能設(shè)計主要原則

與采用傳統(tǒng)建材的建筑相比，光伏組件和建筑的有機融合即光伏建筑一體化是新型的技術(shù)。光伏建筑直流供電系統(tǒng)，由光伏系統(tǒng)、低壓直流供電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、能效管理系統(tǒng)及智能直流負荷組成，具有可靠、綠色、安全、高效、智慧的特征，在提高建筑低壓供電效率、降低建筑運行成本、提高建筑用能品質(zhì)及降低建筑能耗等多方面都發(fā)揮著重要的作用。設(shè)計需要遵循一些特有的原則(如圖1)。

圖1 BIPV和低壓直流供電電氣節(jié)能設(shè)計原則

(1)滿足建筑功能需求

首先光伏組件要滿足BIPV建筑對于建材的要求。電氣系統(tǒng)設(shè)計要滿足各種建筑功能的用電需求，保證供電穩(wěn)定、安全、可靠。

(2)符合建筑安全要求

光伏組件的使用和安裝必須滿足建材和建筑的安全性要求，避免造成安全隱患。組件串聯(lián)后形成高電壓，并通過逆變器和供電線路連接中低壓電網(wǎng)，所以應(yīng)特別注意BIPV建筑上的光伏系統(tǒng)設(shè)計不得引起電擊事故，同時，還需要滿足建筑防火和防雷設(shè)計規(guī)范。

(3)滿足可再生能源最大化利用和提高能效要求

應(yīng)配備建筑綜合能源管理系統(tǒng)，具備能效管理、分析功能，綜合調(diào)度建筑產(chǎn)能、用能，達到最大化利用光伏發(fā)電，降低建筑的能源消耗的效果。

(4)滿足經(jīng)濟合理要求

在光伏建筑及直流供電節(jié)能設(shè)計時，應(yīng)該進行科學(xué)的經(jīng)濟性預(yù)測分析，確保項目滿足經(jīng)濟合理要求。根據(jù)建筑物的實際需求和預(yù)測分析選擇光伏系統(tǒng)的安裝規(guī)模、安裝位置等，避免在不合理的位置使用光伏組件，造成效益低下，并保證直流供電的節(jié)能效果。

1.2 BIPV和直流供電節(jié)能設(shè)計主要內(nèi)容

節(jié)能是在充分滿足建筑物功能要求的前提下，合理進行供電、電氣照明、建筑設(shè)備及系統(tǒng)控制的設(shè)計，確保安全可靠、經(jīng)濟合理、高效節(jié)能。科學(xué)的減少能源消耗，提高能源利用率，而不是為了引入可再生能源或者節(jié)約能源而犧牲建筑物的功能要求，降低其使用標(biāo)準。

光伏建筑及直流供電節(jié)能設(shè)計的主要內(nèi)容如下：

(1)光伏建筑一體化——光伏發(fā)電系統(tǒng)和建筑有機融合，光伏利用最大化；

(2)直流供電系統(tǒng)——合理確定供電系統(tǒng)架構(gòu)、電壓等級，降低供電能耗等；

(3)直流供電電氣設(shè)備——采用高效電器如暖通、照明、辦公等設(shè)備，利用直流供電提高效率；

(4)能效監(jiān)管系統(tǒng)——供熱、供冷、光伏發(fā)電、直流供電系統(tǒng)和各種負荷能效監(jiān)管；

(5)節(jié)能高效照明——合理設(shè)計照明，并采用高效直流供電燈具進一步提高能效；

(6)采用節(jié)能控制技術(shù)——智能樓控系統(tǒng)多聯(lián)機節(jié)能控制、照明節(jié)能控制等；

其中(1)(2)(3)是本文研究的重點。

2 項目概況

項目是一座BIPV技術(shù)的展示、實驗平臺，位于北京市昌平區(qū)，總建筑面積1 063 m2，建筑高度9.15 m。幕墻和屋面采用裝配式光伏建筑一體化設(shè)計，共安裝865塊薄膜光伏組件，其中南、東、西立面各安306、91、168塊，屋面上以傾角10°安裝300塊，總裝機容量為84.3 kW。該分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用自發(fā)自用、就地消納模式。項目所在地水平面年均峰值日照小時數(shù)為1 365 h。使用PVSyst軟件計算得到的首年發(fā)電量預(yù)測值為66 081 kWh。

圖2是本項目直流供電能源結(jié)構(gòu)圖，光伏發(fā)電就地供給建筑使用，能量單向流入建筑供電系統(tǒng)；光伏發(fā)電能量不足部分由電網(wǎng)補充，多余能量則送入電網(wǎng)，能量雙向流動；建筑供電系統(tǒng)向直流負荷供電；儲能系統(tǒng)與直流供電系統(tǒng)之間能量雙向流動。

圖2 直流供電能源結(jié)構(gòu)圖

3 光伏建筑項目及低壓直流供電節(jié)能主要技術(shù)

3.1 BIPV光伏方陣應(yīng)用特點

本項目中光伏組件的安裝與裝配式幕墻系統(tǒng)一體化設(shè)計，作為建筑的圍護結(jié)構(gòu)，需要滿足建筑的功能、安全和美觀的要求。

通常在設(shè)計、建設(shè)光伏建筑時光伏組件的安裝位置由建筑設(shè)計決定，光伏系統(tǒng)合理、科學(xué)的布置決定了建筑光伏系統(tǒng)的裝機容量，可以提高發(fā)電效率、降低損耗。在進行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮能量轉(zhuǎn)換特性和氣象因素[10]。可使用PVSyst等軟件預(yù)測計算建筑上各個位置安裝的光伏方陣發(fā)電量，評估經(jīng)濟性。如圖3所示，假設(shè)在東、西、南建筑立面和屋面分別安裝100 kW光伏組件，使用PVSyst設(shè)計軟件計算北京地區(qū)的全年各月發(fā)電量。在北京地區(qū)與發(fā)電量最高的南向35°傾角光伏方陣相比，屋面水平布置的光伏方陣年均發(fā)電量約為其85%，南、東、西立面的光伏幕墻年均發(fā)電量約為其71%、52%和53%。

圖3 建筑立面屋面光伏方陣月均發(fā)電預(yù)測

3.2 BIPV項目光伏方陣優(yōu)化設(shè)計要點

本項目的光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用就地發(fā)電、就地消納的運行方式?？紤]組件的安裝位置、一體化安裝方式、智能運維的特點，為提高發(fā)電效率、降低投資和運行成本，提出了以下設(shè)計要點：

(1)組串方式

光伏組件和幕墻單元體一體化設(shè)計和加工，為施工和布線方便，同一幕墻單元體中的7片組件串聯(lián)組成組串。同一朝向的單元體并聯(lián)匯流后接入同一路最大功率控制回路。

(2)最大功率回路細化配置

項目中光伏組件布置在屋面、南立面和東西兩面，周圍光照條件也較為復(fù)雜?？紤]經(jīng)濟合理，為每個組串配備獨立的最大功率控制通道成本較高，因此將每個立面分成幾個獨立單元進行匯流各自接入最大功率控制回路，實現(xiàn)最大功率輸出，提高發(fā)電量。

(3)幕墻單元體加強散熱

光伏組件安裝在BIPV建筑上，散熱條件必然不如地面電站，光伏組件的溫度升高會導(dǎo)致組件發(fā)電功率降低。本項目在幕墻單元體上隱蔽式安裝了通風(fēng)百葉，為組件提供充足通風(fēng)散熱條件又不影響建筑美觀。

(4)布線和匯流設(shè)計

在BIPV建筑幕墻單元體上，光伏線纜布設(shè)的空間局促、工作環(huán)境溫度高，設(shè)計和施工時注意避免線纜受擠壓、割傷等風(fēng)險。直流匯流箱就近安放在幕墻單元體下方，減少線纜的傳輸損耗。

3.3 低壓直流供電架構(gòu)

低壓直流供電系統(tǒng)的架構(gòu)、電壓等級與建筑光伏裝機容量、負荷大小與工作特性以及儲能系統(tǒng)容量之間密切相關(guān)，對建筑能耗有很大的影響，需要深入研究驗證。

傳統(tǒng)的交流供電的架構(gòu)，光伏發(fā)電、儲能和直流負荷等需要經(jīng)DC/DC和DC/AC兩級變換接入電網(wǎng)(不區(qū)分能量傳輸?shù)姆较?。采用直流供電架構(gòu)，只需要一級DC/DC電能變換環(huán)節(jié)，大大減少變換環(huán)節(jié)的電能損耗和設(shè)備成本。研究表明直流供電比交流供電系統(tǒng)提高7%的電能傳輸效率，投資成本下降6%，并提高2倍的系統(tǒng)可靠性[11]。

本項目低壓直流供電系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)(光伏組件、光伏發(fā)電變換裝置)、整流器、直流負荷、儲能系統(tǒng)、直流供電裝置組成,架構(gòu)如圖4所示。光伏組串經(jīng)過光伏最大功率控制模塊，接入750 V單極式直流供電母線，減少供電線路和用電設(shè)備損耗。750 V母線為多聯(lián)機供電，又經(jīng)DC/DC變換為220 V直流，為直流負荷如照明、辦公設(shè)備、自動化設(shè)備等供電。市電經(jīng)整流器變換為750 V直流，當(dāng)光伏發(fā)電和儲能能量不足時，補充供電。儲能系統(tǒng)放置在建筑外專門設(shè)計的儲能集裝箱中，帶有保溫、通風(fēng)、滅火等功能。能量管理系統(tǒng)根據(jù)光伏發(fā)電功率、母線電壓、負荷功率、電池組荷電狀態(tài)，調(diào)節(jié)電池充放電功率，實現(xiàn)光伏發(fā)電最大化利用、平滑光伏發(fā)電波動和電力負荷移峰填谷的主要目標(biāo)。

圖4 BIPV項目低壓直流供電架構(gòu)圖

3.4 直流負荷

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，需要更加綠色、智慧、安全的用電負荷，目前滿足這些要求的用電負荷實質(zhì)上都是內(nèi)部直流供電，如IT設(shè)備、通訊設(shè)備、智能家電等，因此用戶側(cè)低壓直流供電也就有了非常良好的基礎(chǔ)[12]。用電設(shè)備直接采用直流供電，可以降低設(shè)備功耗,比交流供電時耗電量減少10%左右，比如滿負荷工作的臺式電腦比交流供電時功率低7%，耗電量低11%[13]。高效綠色照明越來越多的選擇LED，與交流供電相比，LED照明采用直流供電電能利用率提高達3%，降低驅(qū)動電源成本約30%[11]。

本項目直流負荷主要有多聯(lián)機、服務(wù)器、自動化控制設(shè)備、臺式電腦、投影儀和照明燈具等。負荷用電條件如表1所示。

表1 主要直流負荷用電條件

3.5 能效監(jiān)測

本項目是BIPV和直流供電技術(shù)的示范項目，同時也是實驗平臺，設(shè)計、建設(shè)了功能全面的綜合能源管理系統(tǒng)，包含光伏監(jiān)控系統(tǒng)、能效監(jiān)管系統(tǒng)、樓宇智能控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)。采集并分析建筑內(nèi)的各類用電負荷、冷熱負荷的運行數(shù)據(jù)；采集光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行信息，如電壓、電流、發(fā)電量、溫度等，以及所處的環(huán)境條件，如太陽輻照強度、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向等；對建筑的產(chǎn)能、用能信息進行詳細的記錄和調(diào)度管理。

4 結(jié)論

光伏建筑一體化及低壓直流供電是建筑行業(yè)內(nèi)的新興技術(shù)，在提高建筑供電效率、降低建筑運行成本、提高建筑用能品質(zhì)及降低建筑能耗等多方面都發(fā)揮著重要的作用。為大力推廣光伏建筑一體化和直流供電技術(shù)在城市建筑，尤其是公共建筑上的應(yīng)用，解決應(yīng)用中存在的問題，本項目進行了一些有益的探索：

(1)提出了光伏建筑低壓直流供電系統(tǒng)電氣節(jié)能設(shè)計的主要原則和主要內(nèi)容；

(2)依據(jù)以上原則設(shè)計了此建筑的低壓直流供電架構(gòu)及電氣節(jié)能方案；

(3)從供電架構(gòu)合理性、節(jié)能原理、能效管理等角度為光伏建筑一體化和直流供電電氣節(jié)能的應(yīng)用和研究提供一些有價值的參考與借鑒。