探索數(shù)字化設(shè)計之路 打造綠色節(jié)能項目

隨著設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，對設(shè)計精度、設(shè)計效率的要求不斷提高，數(shù)字化設(shè)計已經(jīng)廣泛運用到各個領(lǐng)域，成為國內(nèi)外高水平工程公司在工程設(shè)計、工程管理及實施階段的重要輔助手段。結(jié)合南昌市機關(guān)事務(wù)管理局市委、市政府屋頂分布式光伏發(fā)電項目（以下簡稱本工程），本文基于該工程實例，探討了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在屋頂光伏發(fā)電項目的應(yīng)用與研究。

本工程由江西省電力設(shè)計院投資建設(shè)，在屋面上安裝1140塊265Wp太陽能電池組件，總安裝容量302.1kWp。整體工程僅占用南昌市委辦公大樓及市政府大樓屋面空間，項目總建設(shè)工期3個月。

數(shù)字化設(shè)計打造低碳綠色項目

總體數(shù)字化設(shè)計平臺架構(gòu)。數(shù)字化設(shè)計平臺以Bentley公司MicroStation為基礎(chǔ)設(shè)計平臺，上面架構(gòu)電氣、土建專業(yè)設(shè)計平臺，實現(xiàn)多專業(yè)工程分析、計算及數(shù)字化設(shè)計協(xié)同。通過ProjectWise文件管理協(xié)同平臺，同時融合Bentley設(shè)計平臺及光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件PVsyst。

光伏發(fā)電數(shù)字化設(shè)計平臺結(jié)構(gòu)如圖1 。

該數(shù)字化設(shè)計平臺是專門針對光伏發(fā)電工程各個專業(yè)選取的系列軟件而構(gòu)架的，此平臺在屋頂光伏電站工程領(lǐng)域具有普遍適用性。本工程依托三維數(shù)字化設(shè)計平臺進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計及管理，參與的專業(yè)包括電氣、結(jié)構(gòu)、建筑。數(shù)字化設(shè)計貫穿了初步設(shè)計、施工圖、竣工圖等階段，在施工建造中也得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù)收集到的南昌站1994—2013年逐月實際太陽能輻射總量求出南昌站代表年各月太陽能輻射總量。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)，計算出最佳傾角、首年發(fā)電量計算、25年發(fā)電量、節(jié)能減排等光伏系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)。

圖1

表1 PVsyst軟件計算不同傾斜面上年均太陽能輻照量

表2

根據(jù)國際上公認(rèn)的PVsyst軟件計算傾斜面上月平均太陽輻照量的方法，計算出不同傾斜面上的年平均太陽輻照量進(jìn)行比較，得出傾角在23°時可獲得最大的太陽輻照量，見表1。

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中提供南昌地區(qū)并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電站中光伏陣列最佳傾角參考值22.67°，逆變器最佳輸入電壓以及電池板工作環(huán)境等因素進(jìn)行修正后，同時考慮市委市政府大樓屋面區(qū)域限制，本工程采用20°傾角固定式安裝方式。

根據(jù)計算結(jié)果，及本項目工程特點，得出最佳系統(tǒng)設(shè)計方案，多晶硅太陽能電池組件的串聯(lián)方式為20塊/串。可得出發(fā)電量計算結(jié)果如表2。

在屋面光伏電站設(shè)計過程中，光伏陣列一般根據(jù)建筑物朝向,并按最佳傾角布置，在實際工程中由于市政市委樓建筑造型相對復(fù)雜，該工程被嚴(yán)格要求不能影響建筑物原本美觀。本工程作為“低碳綠色能源示范基地”，要求設(shè)計、施工都必須遵循綠色節(jié)能等要求，故采用三維數(shù)字化設(shè)計模擬仿真實際情況布置光伏板的設(shè)計，在設(shè)計中利用太陽能電池板安裝角度、建筑物遮擋、光照三個因素檢測光伏整列布置的合理性。

在三維軟件MicroStation中設(shè)置工程地點經(jīng)緯度，選擇當(dāng)?shù)囟寥眨磕?2月22日為冬至日，為全年光照效果最弱日）作為模擬光照條件。根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中計算模型：如圖2。

計算公式如下：

式中：

φ為緯度(在北半球為正、南半球為負(fù))，項目所在地場址緯度為北緯28.6842°；H為光伏方陣陣列或遮擋物與可能被遮擋組件底邊高度差。對于單排豎拼的組件陣列，多晶硅組件支架寬度為3.32m，當(dāng)傾角為20°時，H=0.564m，計算求得D=2.536m，前后排間距0.986m。

圖3

圖3為軟件模擬光影效果與公式計算結(jié)果比對：

根據(jù)比較可知，三維軟件MicroStation的光影模擬效果是有正確的實際指導(dǎo)意義，根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計方案定為太陽能電池板前后排組件陣列間距設(shè)計為1.1m。利用Substation布置出太陽能電池板三維模型，可模擬該工程整個屋面在全年任意時刻的光影效果。搭建市政樓及市委樓周圍環(huán)境模型，較真實的模擬出周圍建筑物、市政樓市委樓本身建筑造型在當(dāng)?shù)囟寥諆?nèi)對屋面太陽能電池板的光影遮擋效果，如圖4所示。

模擬結(jié)論得出市委樓在冬至日上午9點到11點太陽能電池板局部會被遮擋，但11點到下午5點可被太陽光充分照射，滿足光伏電站設(shè)計規(guī)定需求：每兩列組件之間的間距設(shè)置必須保證在太陽高度角最低的冬至日時，所有太陽能電池仍有6小時以上的日照時間。利用三維手段，結(jié)合工程周圍環(huán)境、光照條件、仿真模擬，通過布置、校核、修改、驗證最終得到最優(yōu)化、最合理的布置方案。

電氣設(shè)計方面，本工程電氣設(shè)計主要內(nèi)容為光伏電站電纜敷設(shè)設(shè)計。利用電纜通道設(shè)計軟件BRCM，BRCM軟件提供了托盤式、梯式、槽盒式多種類型的橋架，建立屋面電纜通道。導(dǎo)入電纜列表及設(shè)備列表，“采用最優(yōu)路徑法”自動計算電纜長度，模擬敷設(shè)電纜，查看電纜敷設(shè)拓?fù)鋱D；還可查看每段橋架的擁堵情況及敷設(shè)信息作為參考依據(jù)，便于設(shè)計人員檢查電纜敷設(shè)的合理性，及時調(diào)整電纜的敷設(shè)路徑及橋架的用量情況。自動生成電纜清冊、材料表，通過剖切電纜通道三維布置模型圖，得到所需施工圖紙。

圖4

宣傳方案設(shè)計方面，本工程作為“低碳綠色能源示范基地”也是江西省電力設(shè)計院自己投資建設(shè)項目，為了提升中國電力建設(shè)（股份）集團(tuán)公司、江西省電力設(shè)計院設(shè)計-施工一體化綜合實力形象，江西省電力設(shè)計院為該工程設(shè)計形象宣傳方案。

圖5 南昌市市委樓屋頂光伏展示效果圖

圖6 頂光伏展示效果圖頂視圖

圖7 屋頂光伏展示板軸側(cè)圖

圖8 屋頂光伏展示板正視圖

圖9 屋頂光伏通道展示頂視圖

江西省電力設(shè)計院在不破壞市政樓、市委樓原本外觀的情況下，利用三維數(shù)字化設(shè)計作出宣傳方案，在已經(jīng)設(shè)計完的光伏電站模型基礎(chǔ)上，增加宣傳logo模型、宣傳樣板模型及宣傳通道模型，經(jīng)過MicroStation渲染，真實模擬效果。經(jīng)過多方案比對，最終確定如下方案圖5～圖9所示。

數(shù)字化設(shè)計指導(dǎo)施工

可移動端指導(dǎo)施工。針對工程較隱蔽處，傳統(tǒng)二維圖紙很難表示的地方，可做深度、精細(xì)的模型大樣，發(fā)布成各種展現(xiàn)格式如二維圖紙、三維PDF、移動設(shè)備可讀取的i-model，可以從不同視角展示設(shè)計成果，形象直觀，解決施工單位看不懂圖紙或看圖困難、在工程交流解釋不清的問題，在工程實踐過程中實用高效。

本工程宣傳設(shè)計方案確定后，其三維效果可直接提供給制作廠家，排除了溝通誤區(qū)，簡潔方便快速地讓最終成品達(dá)到預(yù)期效果，縮短了時間、降低了成本，有助于提升設(shè)計院形象并擴(kuò)大了影響范圍。

基于本工程的數(shù)字化設(shè)計運用，總結(jié)出Bentley三維數(shù)字化設(shè)計平臺，在光伏發(fā)電工程中可真實的模擬太陽能電池板在當(dāng)?shù)厝我鈺r間點的光照效果，對光伏板的光影分析有相當(dāng)直觀的指導(dǎo)意義，并可作為檢驗方案可行性的效果模擬，有相當(dāng)?shù)膬r值。但是Bentley三維數(shù)字化設(shè)計平臺，缺少系統(tǒng)設(shè)計方案中所需的計算功能，在系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中不能提供良好的設(shè)計意見。由于軟件無法實現(xiàn)光伏板批量化自動布置，針對屋面光伏點來說該功能缺陷還不是很明顯，但是很難運用到山地光伏工程，大大地限制了工程類型運用范圍。

數(shù)字化設(shè)計方式以強大的數(shù)據(jù)庫支撐，采用三維直觀的空間表現(xiàn)形式，統(tǒng)一的工程設(shè)計環(huán)境，高效地完成多專業(yè)協(xié)同設(shè)計。相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計，數(shù)字化設(shè)計尺寸更加準(zhǔn)確，工程量統(tǒng)計更加精準(zhǔn)，利用三維模型提高設(shè)計的合理性，三維環(huán)境的真實模擬，準(zhǔn)確有效地指導(dǎo)設(shè)計方案的調(diào)整。數(shù)字化設(shè)計應(yīng)該結(jié)合多平臺優(yōu)勢，互補互融，達(dá)到工程設(shè)計方案最優(yōu)。