建筑能耗預(yù)測(cè)分析輔助工業(yè)庫(kù)區(qū)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)咨詢公司 ■ 李雅昕 黃鵬洲 郝軍 曾巍 李新中 翁思娟

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能利用的重視，不論是集中式光伏電站還是分布式光伏發(fā)電，均有了較多的技術(shù)研究以及工程應(yīng)用。目前對(duì)于分布式光伏發(fā)電的研究，重點(diǎn)在于評(píng)估其可靠性[1]以及對(duì)配電網(wǎng)的影響[2]兩方面。對(duì)于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑用電負(fù)荷需求之間的研究相對(duì)較少，文獻(xiàn)[3]雖對(duì)光伏發(fā)電與冷熱源耦合系統(tǒng)進(jìn)行了探討，但主要是對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)與冷熱源系統(tǒng)直接耦合的研究，并未考慮全年光伏發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)能情況。

隨著我國(guó)建筑節(jié)能工作的迅猛開(kāi)展，目前對(duì)于建筑能耗分析已相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)已對(duì)國(guó)際通行的多款模擬計(jì)算軟件進(jìn)行了深入研究，并已開(kāi)發(fā)出我國(guó)的建筑能耗模擬分析軟件，將建筑能耗模擬分析預(yù)測(cè)結(jié)果與光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，為分布式光伏發(fā)電的工程應(yīng)用提供新的研究方向。

本文以工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)庫(kù)房項(xiàng)目為例，介紹了一種新的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，即基于項(xiàng)目的逐時(shí)能耗模擬分析數(shù)據(jù)，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置容量進(jìn)行方案比對(duì)，從而得出最優(yōu)化系統(tǒng)方案。

1 庫(kù)區(qū)建筑用能特點(diǎn)

該工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)庫(kù)區(qū)主要為以工業(yè)生產(chǎn)原料庫(kù)為主的倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)。倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)包括工業(yè)生產(chǎn)原料庫(kù)、集中檢測(cè)用房以及為庫(kù)區(qū)提供服務(wù)的設(shè)備用房、叉車(chē)管理間等建筑。工業(yè)生產(chǎn)原料庫(kù)是倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)的主體建筑群。

該工業(yè)生產(chǎn)原料庫(kù)用能主要為空調(diào)用電、風(fēng)機(jī)用電、夜間照明用電等，其中空調(diào)用電占主要比重。工業(yè)生產(chǎn)原料庫(kù)的主要功能是保證一定室內(nèi)溫濕度儲(chǔ)存生產(chǎn)材料，室內(nèi)人員活動(dòng)很少，全年的能源消耗量遠(yuǎn)小于生產(chǎn)工房。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需從兩方面予以考慮：一方面是需求側(cè)，即項(xiàng)目實(shí)際所需的用電負(fù)荷；另一方面是產(chǎn)能側(cè)，即分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際的產(chǎn)電量，最理想的狀態(tài)是兩者之間達(dá)到供需平衡。

然而，由于太陽(yáng)能資源的不穩(wěn)定性，兩者之間的關(guān)系此消彼長(zhǎng)，并不一致。且受目前光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率所限，多數(shù)情況下，需求側(cè)的用電量遠(yuǎn)高于產(chǎn)能側(cè)的發(fā)電量。

對(duì)于該工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)庫(kù)區(qū)來(lái)說(shuō)，由于建筑自身用電需求并不高，而庫(kù)區(qū)建筑多為低層或多層建筑，可布置光伏板面積相對(duì)富足，因此，若按照常規(guī)設(shè)計(jì)方法大面積布置光伏板，必將帶來(lái)光伏系統(tǒng)的浪費(fèi)。因此，如何確定合理的光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模，是生產(chǎn)企業(yè)庫(kù)區(qū)利用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的重點(diǎn)。

該工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)庫(kù)區(qū)建筑全年用電情況與氣象條件、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行規(guī)律等密切相關(guān)；全年光伏系統(tǒng)發(fā)電情況也與全年太陽(yáng)能輻射情況密切有關(guān)。

為了深入分析光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的優(yōu)化配置，進(jìn)行全年8760 h逐時(shí)發(fā)電、用電匹配分析，從而確定更為合理的光伏發(fā)電系統(tǒng)容量。

考慮到蓄電池污染高、維護(hù)成本高等問(wèn)題，項(xiàng)目不設(shè)置蓄電池，因此，光伏發(fā)電的利用主要為日間用電。工業(yè)生產(chǎn)原料庫(kù)的日間用電主要為通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)用電，排風(fēng)風(fēng)機(jī)用電量較小，作為安全裕量，不計(jì)算此部分能耗。

通風(fēng)系統(tǒng)能耗低于空調(diào)系統(tǒng)能耗，但峰值時(shí)刻仍需開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)項(xiàng)目機(jī)械通風(fēng)節(jié)能量模擬分析結(jié)果，本項(xiàng)目采用機(jī)械通風(fēng)進(jìn)行室內(nèi)參數(shù)控制的全年小時(shí)數(shù)約為300 h，所占比例很小。為簡(jiǎn)化計(jì)算，光伏發(fā)電系統(tǒng)的匹配分析僅用空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析。

空調(diào)系統(tǒng)能耗與全年氣象條件密切相關(guān)，本項(xiàng)目全年逐時(shí)室外溫度及含濕量曲線如圖1和圖2所示。項(xiàng)目全年8760 h逐時(shí)能耗如圖3所示。對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)能分析采用廈門(mén)地區(qū)太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)(來(lái)源中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集)全年8760 h逐時(shí)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖1 項(xiàng)目全年8760 h逐時(shí)室外干球溫度

圖2 項(xiàng)目全年8760 h逐時(shí)室外含濕量

圖3 項(xiàng)目全年8760 h逐時(shí)能耗分析結(jié)果

圖4 項(xiàng)目全年8760 h逐時(shí)太陽(yáng)能輻射量

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案對(duì)比分析

根據(jù)項(xiàng)目建筑情況，共10個(gè)工業(yè)生產(chǎn)原料庫(kù)可安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可布置太陽(yáng)能光伏板面積為8000 m2，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大裝機(jī)容量為1200 kWp。

為了確定合理的光伏發(fā)電系統(tǒng)容量，分別分析100%、75%、50%和25%容量設(shè)置光伏板4種裝機(jī)容量的全年發(fā)電量與用電量的逐時(shí)情況。

光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝容量按照最大裝機(jī)容量的100%、75%、50%、25%這4種布置方案進(jìn)行對(duì)比，全年逐時(shí)多余電量分布如圖5所示。

圖5 不同容量布置光伏板全年逐時(shí)多余電量分布圖

由于該項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)不含有儲(chǔ)能設(shè)備，因此當(dāng)出現(xiàn)發(fā)電量大于用電量的情況時(shí)，所發(fā)多余電能將通過(guò)光伏組件自帶保護(hù)卸荷裝置通入大地。在方案優(yōu)化分析中，關(guān)鍵點(diǎn)是使項(xiàng)目光伏系統(tǒng)所發(fā)電能盡量多的被用能系統(tǒng)使用，減少浪費(fèi)。

表1 四種方案對(duì)比匯總

根據(jù)表1可知，隨著光伏板布置面積的加大，可用電量占發(fā)電量的比例逐漸降低，由72.38%降低到45.64%，這是由于項(xiàng)目自身用電需求較低，且空調(diào)用電占較大比重，季節(jié)性影響也會(huì)導(dǎo)致供需不平衡，全年多余電量增多，造成了一定程度的浪費(fèi)。綜合考慮項(xiàng)目投資等經(jīng)濟(jì)性等因素，最終確定25%布置方案為項(xiàng)目最優(yōu)方案。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)布置方案

本項(xiàng)目庫(kù)區(qū)建筑屋頂為矩形平屋頂，采用混凝土結(jié)構(gòu)，主入口朝向?yàn)槟舷颉?/p>

光伏發(fā)電系統(tǒng)25%布置方案中，光伏板有效發(fā)電面積為2100 m2，可平均布置在3個(gè)生產(chǎn)原料庫(kù)屋頂上方，各布置700 m2，光伏板安裝容量300 kWp；為降低供電損耗，光伏板安裝及接入點(diǎn)盡量接近負(fù)荷中心，分別就近接入對(duì)應(yīng)配電柜內(nèi)。光伏發(fā)電系統(tǒng)布置安裝示意圖如圖6所示。

圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)布置安裝示意圖

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)庫(kù)區(qū)建筑用能特點(diǎn)的預(yù)測(cè)分析，確定了一種新的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)全年8760 h逐時(shí)用電量、發(fā)電量預(yù)測(cè)分析，進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2)以廈門(mén)某工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)庫(kù)區(qū)項(xiàng)目為例，進(jìn)行了全年8760 h逐時(shí)用電、發(fā)電匹配分析，通過(guò)100%、75%、50%、25%布置光電板4種方案的比對(duì)，從全年可用發(fā)電量占總發(fā)電量的比例、全年可用發(fā)電量占總用電量的比例、投資等方面綜合考慮，確定項(xiàng)目采用25%布置光電板的方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3)光伏板有效發(fā)電面積為2100 m2，可平均布置在3個(gè)生產(chǎn)原料庫(kù)屋頂上方，各布置700 m2，光伏板安裝容量300 kWp；為降低供電損耗，光伏板安裝及接入點(diǎn)盡量接近負(fù)荷中心，分別就近接入對(duì)應(yīng)配電柜內(nèi)。

[1]王震, 魯宗相, 段曉波, 等. 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性模型及指標(biāo)體系[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(15): 18-24.

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