合同能源管理模式下非逆變光伏照明節(jié)電在公共建筑的實踐應(yīng)用

郭峻臣 陳國棟

深圳市機關(guān)事務(wù)管理局

0 引言

建筑能耗約占我國能源消費總量的21.7%[1]，而公共建筑能耗占到本行業(yè)的30%左右[2]。根據(jù)《公共建筑能耗遠程監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》，建筑用電分為照明插座、暖通空調(diào)、動力和特殊四大分項，其中照明用電占比30%～50%[3]，并且呈快速增長趨勢。公共建筑因其較高的能耗水平，特殊的社會角色和服務(wù)屬性，對其開展能源資源節(jié)約利用不僅有利于降低能源成本，同時可以對全社會起到示范引領(lǐng)作用，具有重要經(jīng)濟、環(huán)境、社會效益。

1 公共照明節(jié)能現(xiàn)狀和應(yīng)用分析

公共照明節(jié)能改造可有效提升照明系統(tǒng)乃至既有建筑整體的能效水平。根據(jù)某項研究，盡管照明能耗在建筑中低于暖通空調(diào)系統(tǒng)，但由于高節(jié)能率和低實施難度，照明減排貢獻潛力高達43.7%[4]，名列第一。目前，常用節(jié)能的手段包括照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)改造、燈具更新、控制策略優(yōu)化和可再生能源利用等。實踐表明，某些項目通過更換高效節(jié)能燈具取得了一定的節(jié)電效果，但仍面臨諸多問題：一是改造成本高，用戶一次性更換大批燈具，投資大、融資難、收益周期長；二是實際照明效果一般，因公共建筑照明的運行時間長，存在長明燈現(xiàn)象，導(dǎo)致光衰較大、亮度降低；三是維護管理不到位，特別像地下停車場等隱蔽場所，設(shè)備故障后長期得不到處理，有些建筑為了節(jié)約成本只開啟部分照明，既達不到設(shè)計的亮度要求，也存在安全隱患；四是系統(tǒng)損耗高，照明燈具及控制開關(guān)多為直流用電設(shè)備，由交流市電整流為照明系統(tǒng)供電時，自身損耗較高。這些因素都降低了照明節(jié)電改造的實際效果，增加了使用和管理維護成本。

在合同能源管理（Energy Performance Contracting，國內(nèi)簡稱EMC）模式下，采用非逆變光伏照明節(jié)電技術(shù)有望改善公共照明系統(tǒng)節(jié)電效果。首先，非逆變光伏發(fā)電技術(shù)成熟，系統(tǒng)配置靈活，化零為整，可以充分利用建筑屋頂?shù)瓤臻g資源。第二，系統(tǒng)低壓直流供用電，光伏發(fā)電直接用于照明，無逆變損耗、控制開關(guān)整流損耗，減少光伏組件串聯(lián)損耗、變壓器損耗，轉(zhuǎn)換效率更高。第三，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于維護，可靠性和安全性高。第四，采用智能化控制策略，各單元設(shè)備匹配度高，可避免長明燈現(xiàn)象，使用壽命長。第五，作為一種新型商業(yè)化管理模式，項目所需的資金由建設(shè)方提供，降低業(yè)務(wù)投資風(fēng)險、解決資金難問題。最后，專業(yè)化的節(jié)能服務(wù)公司還能提供從設(shè)計、采購、安裝、管理到運維等全生命周期服務(wù)，有效降低了項目成本。

因此，通過將非逆變光伏節(jié)電新技術(shù)與合同能源管理新模式有機融合，為建筑節(jié)能帶來更加廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 案例概況

2.1 項目背景

S市位于北回歸線以南，屬亞熱帶海洋性氣候，夏季長達6個月，年平均日照約2 060 h。本研究選取的公共建筑地下停車場建成于2004年，建筑面積近10萬m2，共有停車位2 600個。改造前，地下停車場照明采用40 W的T8熒光燈共計3 100盞，年均用電107.1萬kWh。改造前的設(shè)備配置清單和用電情況如表1所示。

表1 地下車庫照明系統(tǒng)改造前年能耗計算表

該照明系統(tǒng)在改造前存在如下4點不足。

1）手動開關(guān)，采用傳統(tǒng)的控制模式，無法實現(xiàn)自動化管理。

2）T8燈管使用壽命相對較短，后續(xù)的更換成本和運維成本較高（見表2）。

表2 熒光燈與LED燈技術(shù)參數(shù)表

3）相比LED燈具，相同照度要求的單位功率密度低[5]，燈具配置數(shù)量多。

4）長時間運行燈具光衰大、亮度達不到要求。

本案例針對以上4點不足，應(yīng)用非逆變光伏照明節(jié)電系統(tǒng)進行節(jié)能改造升級。

2.2 系統(tǒng)介紹

光伏發(fā)電是利用光電效應(yīng)原理，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。目前，廣泛應(yīng)用的光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)就是將光伏的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，再?jīng)過升壓配網(wǎng)，最終輸送至千家萬戶（如圖1）。但光伏并網(wǎng)發(fā)電存在損耗大、孤島效應(yīng)、與市電同步同相等問題，而城市因為空間資源有限，無法實現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)，也為光伏發(fā)電技術(shù)在城市中的推廣應(yīng)用造成不利影響。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖[6]

與此同時，隨著科技進步，光伏面板和儲能電池的成本逐漸降低，我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫牡蛪?、直流負載（如照明、電子電器等）越來越多，用電量增大，如果能將光伏產(chǎn)生的直流電無需逆變直接供配給這類直流設(shè)備，將提高用電效率、減少資源浪費。本案例采用的非逆變光伏照明節(jié)電技術(shù)正是將光伏發(fā)電直接用于直流公共照明，減少中間環(huán)節(jié)的損耗，是公共建筑光伏節(jié)電的又一創(chuàng)新應(yīng)用場景。

2.3 系統(tǒng)組成

非逆變光伏照明系統(tǒng)是一個光伏、市電、儲能電池三元供電，儲能電池、照明二元用電的綜合照明系統(tǒng)，由光伏矩陣、遠程升壓傳輸模塊、系統(tǒng)主控器、儲能電池和照明負載等組成（如圖2）。

圖2 非逆變光伏照明系統(tǒng)示意圖

1）光伏電池矩陣

太陽能電池面板是系統(tǒng)中最重要、也是成本最大的組件之一，常見的電池板有單晶硅、多晶硅和薄膜等硅材料，多晶硅相比成本更低，適合大型的光伏電站。單晶硅因電氣參數(shù)高、衰減小、使用壽命長、發(fā)電效率高，更適用于小型組網(wǎng)的應(yīng)用場景[7]。下面對這三類太陽能電池作簡單比較（見表3）。

表3 單晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜電池比較

除面板材質(zhì)，光伏矩陣在設(shè)計安裝時還需關(guān)注自身衰減和損耗問題。測試數(shù)據(jù)顯示，戶外使用9年的單晶硅光伏組件衰減率較低，約為7.8%[8]。光伏損耗包括串聯(lián)損耗、傾斜角、間距損耗、遮蔽效應(yīng)和溫度效應(yīng)等[9]。其中，光伏面板串聯(lián)會因工藝和參數(shù)差異產(chǎn)生離散及連接損耗，電池效率隨串聯(lián)內(nèi)阻呈指數(shù)減少的趨勢[10]。所以，需根據(jù)負載側(cè)需求減少串聯(lián)、連接等損耗。

2）遠程升壓傳輸模塊

本案例的停車場面積較大，光伏矩陣距離末端照明負載較遠，遠距離傳輸會導(dǎo)致照明和蓄電池供電的壓降較大，影響系統(tǒng)效率。所以系統(tǒng)還需配備一個遠程升壓傳輸模塊，將光伏矩陣的電壓升高到90～300 V[11]，模塊同時具有防浪涌保護功能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

表4 光伏組件室外使用9年后，五個性能參數(shù)的初始值與衰減值對比[8]

3）儲能電池

4）系統(tǒng)主控器

在光伏裝機容量、電池特性、照明負載、自然條件等確定后，還需要一個使整個系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的“中樞大腦”——系統(tǒng)主控器。該控制器通過監(jiān)測運行參數(shù)、智能調(diào)節(jié)控制、分析效率指標(biāo)、報告管理建議，從而保障系統(tǒng)處于一個高效的區(qū)間運行。例如，系統(tǒng)會優(yōu)先將光伏直接為負載供電，當(dāng)供電不足時，根據(jù)效率區(qū)間，自動切換為市電或蓄電池供電。系統(tǒng)會根據(jù)光伏最大功率曲線自動選擇市電或光伏為蓄電池充電源，綜合協(xié)調(diào)控制整個系統(tǒng)處于動態(tài)平衡狀態(tài)[14]。

5）照明負載和控制開關(guān)

相比于三基色的節(jié)能燈，低壓、直流的LED照明負載具有亮度高、功率小、使用壽命長等優(yōu)點。根據(jù)使用場景，可采用功耗較低的紅外感應(yīng)控制開關(guān)。紅外控制開關(guān)如果直接在交流配電系統(tǒng)上使用，整流會產(chǎn)生5 W左右的功耗，影響經(jīng)濟性和節(jié)電率[15]。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計和節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

1）定制化的光伏組網(wǎng)，高效集約利用資源

本文試圖回答以下問題：(1)“do/does/did+v.”構(gòu)式中的V槽位吸引的詞素有哪些？(2)“do/does/did+v.”構(gòu)式中的V槽位的語義聚類是什么？(3)“do/does/did+v.”構(gòu)式搭配關(guān)聯(lián)強度分析對外語教學(xué)有何啟示？

本案例在光伏組網(wǎng)設(shè)計時主要考慮3個因素：一是S市太陽能資源稟賦情況。當(dāng)?shù)啬晁矫孑椛淞考s5 225 MJ/㎡，年均日太陽輻射量3.91 kWh/（m2·d）[7],是國家鼓勵發(fā)展太陽能的地區(qū)。二是停車場使用面積和照明亮度要求。停車場面積約10萬m2，按照JGJ100—2015《車庫建筑設(shè)計規(guī)范》，車道照度50 lx，車位30 lx，按照本案例采用的8～12 W高效LED燈具照度測算出所需照明功率。三是光伏面板安裝空間。停車場所在地點空間有限，無法大面積布置光伏面板，同時還要考慮到風(fēng)荷載[16]、防雷等因素。因此，本案例根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、輻射傾角、實際用電需求和場地空間等，在廣場兩側(cè)各400㎡的空地共安裝了單片功率140 Wp的高效單晶硅電池板800片，總功率為112 kWp，該類型面板的弱光性強，相較普通單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率提高30%（見圖3）。

圖3 水平面平均日太陽輻射量（來源：深圳市氣象數(shù)據(jù)）

2）扁平化的系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單損耗小

（1）系統(tǒng)供需兩端直流發(fā)電直接用于直流負載，電氣特性匹配性好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性和可靠性更高。本案例組成設(shè)備包括前端光伏發(fā)電、中間傳輸控制環(huán)節(jié)、儲能電池和末端照明負載等，前端的光伏面板單位組件為140 Wp，工作電壓24 V，采用8片串，串聯(lián)損耗大幅降低。光伏面板經(jīng)串聯(lián)后接入直流匯流箱，再經(jīng)升壓傳輸給停車場照明負載和蓄電池。根據(jù)實際需求，末端安裝的LED照明功率較小，停車場過道等區(qū)域安裝12 W的LED燈具3 000多盞，非車道安裝8 W的LED燈具2 000多盞，既達到設(shè)計規(guī)范的照度要求，也充分發(fā)揮了系統(tǒng)直流、低壓、小功率特點（見圖4）。

圖4 單套非逆變光伏照明接線原理圖

（2）系統(tǒng)損耗小、效率更高。相比光伏并網(wǎng)發(fā)電，非逆變光伏照明應(yīng)用無需逆變、無需市電整流、無需大規(guī)模串并聯(lián)組網(wǎng)。一是減少了串并聯(lián)損耗，電池面板大規(guī)模串聯(lián)封裝會增加光伏的離散和連接損耗，數(shù)據(jù)顯示，僅串聯(lián)電阻損失會占到光伏組件功率的8.6%[17]。二是減少了逆變損耗，直流發(fā)電直接用于直流負載，不需要逆變裝置。三是減少了照明控制開關(guān)損耗，目前常用的控制開關(guān)是直流供電，電路電壓5 V，功耗約0.1 W,整流損耗高且常被忽視，同時存在著一定的安全隱患[18]。四是減少了變壓器損耗，光伏發(fā)電無需升壓并入市電，直接用于直流負載。從項目實際運行效果來看，可以節(jié)省大約20%的系統(tǒng)損耗。

3）智能化的配電管理，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)協(xié)同控制

非逆變光伏照明系統(tǒng)是一個三元供電、二元用電的系統(tǒng)，其光伏電力、蓄電量和負載功率等為隨機變量，因此，本案例設(shè)計安裝了智能配電主控器，負責(zé)監(jiān)視光伏發(fā)電、末端負載和電池電量，根據(jù)控制算法優(yōu)化多種供用電配置策略，使整個系統(tǒng)協(xié)同運轉(zhuǎn)，既提供穩(wěn)定可靠的用電輸出，又提高整體效率。該系統(tǒng)主控模塊集成于系統(tǒng)控制柜。當(dāng)多元供電時，主控器優(yōu)先把光伏電力直接供給負載，受天氣條件等因素影響，發(fā)電不足時再由蓄電池、市電供電。系統(tǒng)會存儲蓄電池的極化規(guī)律特性曲線，設(shè)置高性能區(qū)間范圍，保證蓄電池處于高效區(qū)間，避免過放電對性能的影響。當(dāng)二元用電時，多余的光伏電力補充給蓄電池，在光伏電力達不到蓄電池充電參數(shù)要求時，切換至市電模式，防止過充或過放。在系統(tǒng)使用過程中，系統(tǒng)主控器不但實現(xiàn)供用電的動態(tài)平衡管理，還可以根據(jù)系統(tǒng)運行參數(shù)和效率曲線變化不斷進行配電策略的優(yōu)化、調(diào)整，保持系統(tǒng)一直處于最佳的效率曲線。此外，系統(tǒng)還能通過監(jiān)測、診斷蓄電池電氣參數(shù)，實現(xiàn)電池健康管理(見圖5)。

圖5 能流平衡圖

4）高性能的儲能電池，提高效率和使用壽命

在系統(tǒng)中，蓄電池既擔(dān)任供電元，又充當(dāng)負載元，其性能特性還決定著系統(tǒng)的配電狀態(tài)。本案例在蓄電池選型時主要考慮以下因素：一是電池容量，按照光伏面板和停車場實際負載，共配備100 Ah的蓄電池100塊，安裝在控制系統(tǒng)柜，平均每塊電池連接60盞LED燈具。二是電池高效率區(qū)間[19]。為解決光伏電力無法像市電條件提供穩(wěn)壓、恒流的變功率充電效率問題，根據(jù)光伏電力輸出特性，選擇寬效率范圍的蓄電池。本項目采用的是一款高性能的鋰電池，根據(jù)蓄電池效率實驗，鋰電池的充放電效率比同型號鉛酸電池高出近5個百分點。三是恢復(fù)能力較強。某研究顯示，長期充電不足、經(jīng)常性深放電，鉛酸電池比較鋰電池更容易衰減，鋰電池的平均容量恢復(fù)率仍高達99.4%[20]。除蓄電池自身特性，還要在系統(tǒng)主控器的統(tǒng)一管理下，與系統(tǒng)光伏、市電、照明等協(xié)同運轉(zhuǎn)，并實現(xiàn)對電池的信息化管理、智能化運維保養(yǎng)（見圖6）。

圖6 鉛酸電池和鋰電池80%荷電態(tài)的循環(huán)壽命曲線

5）可靠的直流照明負載，提升用戶體驗

本案例采用的寬視角、高亮度LED燈具，功率8～12 W，平均照度達到61 LX，使用壽命達50 000 h以上，經(jīng)過專門的亮度和柔和性調(diào)校后，使用效果超過普通40 W的節(jié)能燈，滿足地下停車場等區(qū)域的日常照明使用。根據(jù)使用區(qū)位，系統(tǒng)設(shè)置了常亮燈和感應(yīng)燈兩類。其中：在出入口、車道等重要區(qū)域，LED燈具設(shè)置常亮，系統(tǒng)提供24 h不間斷照明；在車位等其它區(qū)域，LED燈具前安裝有紅外感應(yīng)控制開關(guān)，當(dāng)有人流、車流經(jīng)過時，自動控制燈具開合。

在直流系統(tǒng)中，紅外感應(yīng)控制開關(guān)電流較小、功率較低，相比于交流整流電路，減少了4～5 W左右的功耗[21]，整個照明系統(tǒng)既有效節(jié)省了電費、提高了使用壽命，也滿足了日常使用，提升了用戶體驗（見圖7）。

圖7 停車場燈具和感應(yīng)開關(guān)分布示意圖

3 基于合同能源管理的節(jié)能項目模式

3.1 合同能源管理的概念

合同能源管理（EMC）是一種以節(jié)省的能源費用來支付節(jié)能項目全部成本的全新節(jié)能機制，合同能源管理具有以下特點。

1）業(yè)主無需投資，節(jié)能服務(wù)公司承擔(dān)節(jié)能項目的建設(shè)、運維資金，降低了業(yè)主單位的風(fēng)險。

2）共享節(jié)能成果，雙方按比例分享節(jié)能效益，節(jié)能服務(wù)公司依靠降低的能源費用來填補項目投資成本并獲得節(jié)能效益。

3）專業(yè)化節(jié)能服務(wù)，節(jié)能服務(wù)公司負責(zé)合同期內(nèi)項目施工、運營、維護等方面管理，發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢。

4）節(jié)能效果有保證，在EMC項目中，若節(jié)能服務(wù)公司達不到設(shè)定的節(jié)能率則不能獲益，促使提供更先進的解決方案，使節(jié)能效果更有保證。

3.2 合同能源管理的模式

合同能源管理模式主要有節(jié)能效益分享型、節(jié)能量保證型、能源費用托管型和融資租賃型四種。該四種模式在合同期后，節(jié)能設(shè)備的所有權(quán)都歸用戶所屬，并且在節(jié)能改造后所帶來的全部節(jié)能效益由用戶享用[22]。

3.3 實踐應(yīng)用

該案例是S市公共建筑中首個基于合同能源管理模式的光伏發(fā)電照明節(jié)電項目。按照當(dāng)年市場造價70元/㎡的綜合成本測算，項目總投資700萬元，采用節(jié)能效益分享型和節(jié)能量保證型的混合合同能源管理模式，甲乙雙方約定的節(jié)能效益分享比例為1:9，合同約定分享期為10年。節(jié)能效益分享方案如圖8所示。

圖8 節(jié)能效益分享方案

年節(jié)能量的計算公式如下：

年節(jié)能率的計算公式如下：

年節(jié)能效益計算公式如下：

式中：

△E——年節(jié)能量，kWh；

E1——基準(zhǔn)期地下車庫照明年用市電量，kWh；

E2——報告期地下車庫照明年用市電量，kWh；

η——年節(jié)能率，%；

ΔM——年節(jié)約費用，元；

P——報告期當(dāng)?shù)仄骄娰M單價，元/kWh。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

項目基準(zhǔn)期用電為107.1萬kWh，2012年設(shè)計安裝光伏容量112 kWp，改造和新增照明燈具約6 000盞。經(jīng)第三方節(jié)能量審核，2013-2019年均節(jié)電98萬kWh，年均節(jié)電率達到90%以上，按照1:9的節(jié)能效益分享比例，0.9元/kWh估算，共節(jié)省電費620萬元，節(jié)能服務(wù)公司不到8年可收回成本。節(jié)能減排效益見表5。

表5 節(jié)能減排效益表

4.2 社會效益

該項目采用EMC模式實施，通過探索市場化道路，改變了政府公共建筑由財政撥款進行節(jié)能改造的投資方式，不但降低了公共機構(gòu)能耗水平，減輕了財政負擔(dān)，也充分發(fā)揮公共機構(gòu)在全社會節(jié)能中的示范帶頭作用[23]。同時，以市場化導(dǎo)向培育節(jié)能新產(chǎn)業(yè)，不斷涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的節(jié)能服務(wù)企業(yè)。

4.3 環(huán)境效益

本案例節(jié)能改造后，相當(dāng)于年節(jié)約120 tce，年均減少CO2排放930 t。在習(xí)近平生態(tài)文明思想和“3060”雙碳愿景的大背景下，綠色低碳已成為新時代中國特色社會主義高質(zhì)量發(fā)展的新路徑。公共建筑應(yīng)根據(jù)其自身能耗特點，通過非化石能源替代，提高能源利用效率等方式，提高自身能效水平[24]，努力建設(shè)青山常在、綠水長流、空氣常新的美麗中國。

5 結(jié)語

本文介紹了非逆變光伏照明節(jié)電技術(shù)和合同能源管理模式在S市某公建節(jié)能改造項目的實踐應(yīng)用。經(jīng)過對照明系統(tǒng)現(xiàn)狀分析，非逆變光伏照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點介紹，項目節(jié)能實踐應(yīng)用成果，經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益的綜合分析，充分證明了EMC模式下非逆變光伏照明節(jié)電技術(shù)的可行性。當(dāng)前，在全球“雙碳”和我國生態(tài)文明建設(shè)驅(qū)動下，相關(guān)節(jié)能技術(shù)和管理模式將會迎來更好的發(fā)展。