黃繼成，胡夢坤，張改景（. 上海軌道交通十四號(hào)線發(fā)展有限公司， 上海 0035；. 上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 008）

城市軌道交通作為城市交通的重要組成部分，其電力消耗巨大，且城市軌道交通建筑類型多樣，車輛基地和車站建筑等均具備分布式光伏發(fā)電的良好條件。因此，利用光伏發(fā)電進(jìn)行用電替代，對滿足節(jié)能需求、減少碳排放，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通綠色低碳發(fā)展，具有重要意義。

本文在總結(jié)分析光伏技術(shù)發(fā)展理念與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，梳理了城市軌道交通領(lǐng)域可再生能源建筑利用現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了上海城市軌道交通車輛基地光伏利用潛力、現(xiàn)狀與重點(diǎn)關(guān)注問題，并提出了城市軌道交通建筑光伏技術(shù)應(yīng)用新方向，對城市軌道交通提高光伏發(fā)電效率、深化低碳發(fā)展具有一定指導(dǎo)意義。

1 軌道交通領(lǐng)域可再生能源建筑利用現(xiàn)狀

1.1 綠色軌道交通領(lǐng)域可再生能源建筑利用目標(biāo)現(xiàn)狀

1.1.1 國內(nèi)外不同認(rèn)證評價(jià)體系對可再生能源利用目標(biāo)的要求

（1）T/CECS 724-2020《綠色城市軌道交通建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。建議車輛基地公共浴室、食堂、司機(jī)公寓等集中熱水系統(tǒng)采用太陽能熱水系統(tǒng)，停車庫、檢查庫等建筑屋面采用太陽能光伏系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)占屋頂可利用面積的比例要求見表 1。

表 1 光伏發(fā)電系統(tǒng)占屋頂可利用面積的比例要求

（2）T/CABEE 002-2019《綠色城市軌道交通車站評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。規(guī)定綠色城市軌道交通車站應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝妥匀毁Y源條件，合理利用可再生能源，針對可再生能源提供的空調(diào)用冷量與熱量比例、電量比例提出了要求。評分規(guī)則見表 2。

表 2 可再生能源利用評分規(guī)則

（3）Q/CSGDGS 002-2017《長沙市綠色城市軌道交通評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝妥匀毁Y源條件，充分利用太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗稍偕茉串a(chǎn)生的熱水量不低于車輛段建筑生活熱水消耗量的 10%，或可再生能源發(fā)電量不低于地面車站、高架車站建筑用電量的 2%。車輛段建筑可考慮采用地源熱泵等新型熱泵空調(diào)技術(shù)。

（4）《深圳市綠色城市軌道交通工程建設(shè)與運(yùn)營評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。建議在設(shè)計(jì)階段，積極推廣太陽能光熱利用技術(shù)，根據(jù)環(huán)境條件及使用要求因地制宜選用太陽能集熱器；車輛段、停車場、站場路燈照明，采用太陽能－風(fēng)能 LED 照明；具備地?zé)嵩礂l件的城市軌道交通沿線站區(qū)建筑，推廣應(yīng)用地源熱泵技術(shù)，用于為城市軌道交通各車站、車輛段等區(qū)域提供制冷、采暖等能源。

（5）《綠色新建捷運(yùn)系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.0版》（IGBC Green Mass Rapid Transit System Rating Version 1.0）。2014 年，印度綠色建筑協(xié)會(huì)（IGBC）啟動(dòng)了綠色捷運(yùn)系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（IGBC:Green Mass Rapid Transit System Rating）。標(biāo)準(zhǔn)建議，對于地面車站、場地年度可再生能源產(chǎn)生量占總非牽引能源消耗量的比例至少達(dá)到 2.5%；非場址可再生能源對年度非牽引能源總消耗量的貢獻(xiàn)率至少達(dá)到50%。對于地下車站，非場址可再生能源對年度非牽引能源總消耗量的貢獻(xiàn)率至少達(dá)到 10%。

綜上得到，國內(nèi)外綠色城市軌道交通認(rèn)證評價(jià)體系規(guī)定車輛基地建筑屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)占屋頂可利用面積比例應(yīng)＞20%，車站可再生能源提供電量比例應(yīng)＞1%。

1.1.2 從可再生能源核算方法中明確指標(biāo)及潛力

在建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)初期對可再生能源的利用量進(jìn)行核準(zhǔn)，是推動(dòng)可再生能源應(yīng)用的重要舉措。浙江省DB33/1105-2014《民用建筑可再生能源應(yīng)用核算標(biāo)準(zhǔn)》和湖南省《民用建筑可再生能源應(yīng)用量標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）明確了根據(jù)包括交通建筑在內(nèi)的不同公共建筑類型和容積率來核算可再生能源綜合利用量的要求，見表 3。

表 3 可再生能源綜合應(yīng)用核算標(biāo)準(zhǔn)對比表

建議新項(xiàng)目立項(xiàng)初期進(jìn)行可再生能源用量核算，使可再生能源建筑應(yīng)用從定性軌道發(fā)展為定量核算，從示范項(xiàng)目發(fā)展為普遍應(yīng)用。

1.2 城市軌道交通建筑光伏應(yīng)用現(xiàn)狀

城市軌道交通建筑分為車站建筑和車輛基地建筑。車站包括地下車站、地面車站和高架車站，因高架車站一般架空設(shè)置于城市道路上，車站主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)位于室外，建筑物屋頂及側(cè)立面面積大，適用于光伏發(fā)電[1]。車輛基地內(nèi)建筑物類型多樣，屋頂面積大，光伏發(fā)電可利用的建筑面積大；另一方面周圍高層建筑物少，光伏組件被遮擋的可能性小，從而為光伏發(fā)電提供良好條件。

國內(nèi)學(xué)者針對城市軌道交通建筑光伏應(yīng)用開展了相關(guān)研究。鄭林濤等人[2]選取典型高架車站的屋面進(jìn)行光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)后計(jì)算逐時(shí)發(fā)電量，并利用能耗分析軟件 EnergyPlus 對站廳層逐時(shí)空調(diào)能耗、照明能耗進(jìn)行計(jì)算。通過對比，得出光伏發(fā)電量絕大部分逐時(shí)自發(fā)自用，而且光伏發(fā)電系統(tǒng)能有效減緩高架車站用電高峰。牛玲娟[3]以某車輛基地運(yùn)用庫為例，提出一套基于 BIPV 的光伏屋頂設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，預(yù)計(jì)發(fā)電收益可達(dá) 400 萬元。

光伏發(fā)電在國內(nèi)城市軌道交通車輛基地和車站已有大量成功應(yīng)用案例，選取典型車輛基地案例進(jìn)行介紹，如表 4所示。

表 4 國內(nèi)城市軌道交通車輛基地光伏發(fā)電典型應(yīng)用案例

2 上海城市軌道交通車輛基地光伏利用潛力分析

2.1 上海太陽能輻射資源分析

上海位于北緯 31°14’，東經(jīng) 121°29’，位于我國太陽能資源第 III 類分區(qū)，太陽年總輻照量大約為 4 580 MJ/(m2·a)，年均日照時(shí)數(shù) 1930 h，太陽能資源較為豐富。根據(jù) CSWD （Chinese Standard Weather Data，中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)）天氣文件（清華大學(xué)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)庫》），利用氣象分析軟件 Ladybug 得到上海地區(qū)一年四季的太陽總輻射玫瑰圖（圖 1），并計(jì)算得出上海地區(qū)逐月太陽輻射量和不同季節(jié)逐時(shí)太陽總輻射量（圖 2）。可看出，上海地區(qū)太陽輻照量的季節(jié)差異比較明顯，夏季輻照量較高，冬季較差，但夏季有梅雨時(shí)期影響；春季和夏季的東向輻射量最大，其次是西向；秋季和冬季則是南向輻射量最大。

圖 1 上海地區(qū)不同季節(jié)太陽總輻射玫瑰圖

圖 2 上海地區(qū)逐月太陽輻射量

投射到太陽能板上的太陽能數(shù)量除了與地理位置相關(guān)，還與朝向、接收面傾角有關(guān)。但城市規(guī)劃的要求或規(guī)范往往阻礙最佳朝向的選擇，當(dāng)屋面可利用面積減少時(shí)，建議根據(jù)太陽輻射玫瑰圖，因地制宜地?cái)M定加大建筑立面的太陽能利用策略。

2.2 車輛基地光伏建筑一體化利用重點(diǎn)關(guān)注問題

2.2.1 系統(tǒng)容量

（1）根據(jù)光伏組件的可安裝面積和安裝方式，預(yù)估光伏發(fā)電系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)容量和發(fā)電量[4]。

（2）根據(jù)車輛基地負(fù)荷需求確定系統(tǒng)容量，深入了解用電負(fù)載的功率、工作電壓、用電時(shí)間、特性（電阻性、電感性、電子性）、用電保證率要求等[5]。

（3）光伏并網(wǎng)點(diǎn)裝機(jī)容量不宜超過上級變壓器容量的25%。根據(jù)光伏安裝位置及變電所確定并網(wǎng)壓力，保證就近消納，降低線路損耗。

2.2.2 系統(tǒng)接入

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量＜1 MW 時(shí)，光伏發(fā)電量一般能就地消納，并網(wǎng)電量較少，一般接入低壓側(cè)（0.4 kV電壓等級）。光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量＞1 MW 時(shí)，一般采用 10 ～35 kV 并網(wǎng)電壓等級，軌道交通變電所母線電壓有10 kV、35 kV 兩種等級可供選擇[4-5]。此外，也可將光伏發(fā)電系統(tǒng)直接接入牽引側(cè)，但由于直流牽引負(fù)荷的波動(dòng)較大，需要同儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合。宋昕等人[6]對光伏發(fā)電系統(tǒng)幾種并網(wǎng)模式的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)梳理，如表 5 所示。

表 5 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模式比較 [6]

當(dāng)前光伏發(fā)電多需要通過逆變器實(shí)現(xiàn)交流轉(zhuǎn)換。若采用直流供電組網(wǎng)技術(shù)，可將光伏發(fā)電直接供給建筑內(nèi)直流負(fù)載，最大程度實(shí)現(xiàn)光伏消納。

2.2.3 組件選型

光伏組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分，其發(fā)電效率和使用壽命與光伏系統(tǒng)建設(shè)成本息息相關(guān)。目前國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電成本不斷降低，效率不斷提高，已具備平價(jià)上網(wǎng)條件。當(dāng)前市場上主流光伏組件的性能對比分析如表 6 所示。

表 6 光伏組件性能對比分析

2.2.4 安裝方式

光伏組件與建筑結(jié)合方式分為B A P V（B u i l d i n g Attached Photovoltaic）和BIPV(Building Integrated Photovoltaic)兩類。兩種安裝方式對比如表 7 所示。

表 7 光伏組件安裝方式對比

當(dāng)前，光伏組件與軌道交通建筑結(jié)合方式多為 BAPV。國內(nèi)某些大型交通樞紐的大面積頂棚（如北京南站、上海虹橋樞紐、深圳北站、廣州南站、杭州東站等）工程項(xiàng)目應(yīng)用了 BIPV 形式。

2.2.5 安裝角度

車輛基地建筑屋面若采用輕質(zhì)屋面瓦，建議光伏組件以順坡鋪設(shè)為主，以降低結(jié)構(gòu)安全可靠性風(fēng)險(xiǎn)；建筑屋面若為混凝土屋面，可設(shè)置最佳傾角固定支架，按最佳傾角安裝光伏組件。根據(jù)上海的經(jīng)緯度，可算出光伏組件的最佳安裝傾角為 25°，基于 79% 的系統(tǒng)效率計(jì)算得到每瓦年發(fā)電量，如表 8 所示。

表 8 上海光伏組件最佳安裝傾角及發(fā)電量

2.2.6 系統(tǒng)監(jiān)控

為保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高光伏發(fā)電效率，需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)控。 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障記錄及報(bào)警和能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能。功能模塊示意圖如圖 3 所示。

圖 3 監(jiān)控系統(tǒng)常見功能模塊示意

2.3 上海軌道交通車輛基地光伏建筑一體化利用

截至目前，上海市已在龍陽路、三林、富錦路、浦江鎮(zhèn)等 10 個(gè)車輛基地完成了屋頂分布式光伏項(xiàng)目建設(shè)，裝機(jī)容量合計(jì)約 24 MW，年均發(fā)電量約 2 300 萬 kWh，“十三五”期間累計(jì)減少 CO2排放超 3 萬 t。以川楊河車輛基地為例，其總裝機(jī)容量為 7.580 3 MW，2020 年累計(jì)發(fā)電量約 7.3×106kWh，川楊河基地光伏系統(tǒng)逐月發(fā)電量如圖 4所示。目前上海地區(qū)建成車輛基地 30 余個(gè)，在建和規(guī)劃車輛基地近 10 個(gè)，未來光伏應(yīng)用潛力巨大。

圖 4 川楊河基地光伏逐月發(fā)電量

3 結(jié) 語

“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)賦能可再生能源發(fā)展新需求。城市軌道交通建筑具有應(yīng)用光伏發(fā)電的良好條件，隨著城市軌道交通規(guī)模的日益擴(kuò)張，光伏利用越來越廣泛，節(jié)能減碳效益可觀。國內(nèi)城市軌道交通建筑多通過在屋頂安裝光伏組件進(jìn)行發(fā)電，采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的運(yùn)行模式，后續(xù)可探索光伏建筑一體化、光伏光熱建筑一體化、基于光伏發(fā)電的車輛基地直流微電網(wǎng)等新技術(shù)在城市軌道交通建筑中應(yīng)用可行性，進(jìn)一步提升光伏利用效率，促進(jìn)城市軌道交通建筑的低碳化、綠色化發(fā)展。