“雙碳”目標背景下某綜合體項目電氣設計

李 亞 芬

[邁進工程設計咨詢(上海)有限公司, 上海 200235]

0 引 言

基于全球變暖對人類及其他生物生存環境造成的不利影響,低碳環保的理念越來越為大家所認可。在2020年的第75屆聯合國大會上,中國政府提出了力爭于2030年前達到CO2排放峰值,努力爭取2060年前實現碳中和的發展目標。

清華大學氣候變化與可持續發展研究院編制的《中國長期低碳發展戰略與轉型路徑研究》報告中指出:在2015年度,我國終端能源消費中電力消費的比例為21.3%,到2030年將會超過30%,而2050 年這個比例將達到70% 以上[1]。

2018年度所有終端能耗中建筑部門的能耗約占20%,這一比例呈逐年增加的趨勢。我國電力供應主要來自火力發電,建筑中采用綠色清潔的電力將對減少CO2的排放發揮重要的作用。

建筑領域的低碳化轉型途徑可以概括為開源與節流兩個方面?！伴_源”即通過發展可再生能源網絡,“節流”即通過計量、能耗分析、自動控制等方式節約電力能耗。本文以上海地區某綜合體項目為例,對相關電氣設計進行分析。

1 光伏發電

國家能源局最新數據顯示,國內光伏發電裝機總量已達到4.7億kW,位居全球第一。國家及各地相繼出臺了各類政策及規范,極大推動了建筑領域分布式光伏發電的發展[2]。上海市發展和改革委員會于2022年8月印發了《上海市能源電力領域碳達峰實施方案》的通知,通知規定“新建公共建筑、住宅屋頂安裝光伏面積不低于30%”。

1.1 太陽能資源分布

中國是一個太陽能資源較豐富的國家,超過2/3地區年日照時數大于2 000 h[3]。相較而言上海地區光照強度較弱,根據中國氣象局發布的《2022年中國風能太陽能資源年景公報》數據顯示,上海固定式光伏發電首年利用小時數在1 201～1 300 h,最佳斜面總輻照量平均值為1 561.1 kWh/m2,水平面總輻照量平均值為1 448.5 kWh/m2。

1.2 光伏組件

目前建筑行業中光伏組件種類繁多,主流類型大體分為單晶硅、多晶硅及薄膜,其中薄膜光伏板包含非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒等多種材質。綜合多個廠家資料,3種材料主要特性對比如表1所示。

表1 3種材料主要特性對比

目前市場主流以單晶硅光伏板為主,市場占有率超過80%。在屋頂安裝空間不足,且對外立面造型及采光性能有要求時,可選擇薄膜光伏板,但相應造價較高。

本項目為上海地區商業、辦公綜合性項目,總建筑面積約25萬m2,包含5幢塔樓及局部裙房,屋頂面積約15 000 m2。按上海地方要求,光伏設置面積為30%屋頂面積,屋面設置光伏即需設置4 500 m2光伏板,如立面安裝光伏系統需設置7 500 m2光伏安裝面積。塔樓屋面預留有光伏設備布置空間,且室內為辦公室,對幕墻采光性有一定要求,綜合考慮下選擇單晶硅光伏板作為本項目光伏系統組件。

1.3 光伏組件安裝

光伏系統組件安裝可分為安裝型光伏建筑(BAPV)與構建型光伏建筑(BIPV)兩種形式。BAPV是指光伏組件附著在建筑物上,與建筑本體相對獨立存在。目前常見的屋頂設置基礎及鋼架構用于敷設太陽能電池板就是BAPV形式。而BIPV指光伏組件本身即為建筑物的一部分,與建筑集成一體。BIPV常見形式有光伏瓦片、光伏幕墻和光伏采光頂[4]。

上海地區緯度31°17′,并網系統推薦傾角為24°17′,獨立系統推薦傾角為34°17′。

本項目光伏板尺寸為2 278 mm×1 134 mm×35 mm(長×寬×厚),均安裝于塔樓屋頂區域,屋頂為混凝土平屋頂,結構預先設置混凝土支墩,于支墩上設置支架、檁條供光伏陣列傾斜安裝。光伏組件安裝大樣圖如圖1所示。

圖1 光伏組件安裝大樣圖

為避免傾斜安裝時前排光伏組件對后排光伏組件造成遮擋,影響發電效率,光伏組件安裝需滿足最小間距要求。光伏陣列安裝間距示意圖如圖2所示。

圖2 光伏陣列安裝間距示意圖

參考GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中7.2.2條文說明計算方法[5]:

(1)

式中:D——兩排陣列間距離;L——陣列傾斜面長度;β——陣列傾斜角,即24°17′;φ——當地緯度,即31°17′。

代入本項目數據求得D=3 863 mm,故本項目屋頂光伏陣列間距不得小于3 863 mm。

實際項目中不時遇到管道、風機、冷卻塔、水箱等設備遍布屋頂的情況。此種情況下屋頂無空余空間用來安裝光伏板,可采用光伏組件架空高位安裝的方式。架高安裝多采用平鋪組件方式,因為傾斜安裝增加了設備高度,不利于建筑外觀;此外考慮塔樓屋頂風勢較大,傾斜安裝恐風力掀起光伏板,影響人員及設備安全。

1.4 供配電設計

光伏發電系統可分為獨立系統及并網系統,獨立光伏發電系統應配置儲能裝置。按單晶硅光伏板考慮,每1 W光伏組件、支架及其逆變器等設備建造成本約5元,而1 Wh儲能裝置的建造成本就達到了約1元?？紤]項目為商業、辦公業態,光伏組件產生電能的時間段與項目本身用電高峰段時間相近,故本項目選擇并網系統,自發自用,余電上網。本項目光伏板分散設置于各塔樓屋頂,采用分布式并網方式,即分別由各屋頂光伏板通過饋電設備就近并網接駁于各用電負載的載體上。選擇頂層租戶母線出口的樓層租戶電表箱作為就近并網點,光伏并網點示意圖如圖3所示。

圖3 光伏并網點示意圖

1.5 光伏系統發電量

光伏發電系統電量預測有條件的情況可由PVsyst等專業軟件進行模擬計算,本文僅按公式法對發電量做簡略估算。參考GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中第6.2.2條計算方法。光伏系統上網發電量Ep可按下式計算[5]:

(2)

式中:Ep——上網發電量;HA——水平面太陽能總輻照量(峰值小時數);

ES——標準條件下的輻照度(取1 kWh/m2);

PAZ——光伏組件安裝容量;

K——綜合效率系數,取0.8。

本項目光伏板安裝總容量為600 kW,上海地區水平面總輻照量平均值為1 448.5 kWh/m2,代入求得年發電量為69.5萬kWh。按0.7元/kWh,本項目光伏1年可節約48.65萬元,光伏系統建設成本約300萬,回本期約6年。相較于光伏系統25年的使用周期,光伏系統的建設不僅有利于國家碳中和的政策發展,也對建設方具有長期盈利效益。

2 樓宇自控與能耗管理

建筑電氣的節能主要由選擇節能型設備及采用節能運行模式兩種途徑來實現。本文主要探討運行模式下的節能方式。

2.1 照明系統控制

本項目不同功能區照明系統采用了不同的控制方式。辦公室、大堂等具備自然光照條件的區域,設置照度感應器控制室內照明跟隨自然光照度強弱變化自動調節。電梯廳、走道、車庫區域分回路設置照明燈具,接入樓宇自控系統,由DDC控制器根據設置模式進行分時段開啟不同回路照明。樓梯間一般狀態下人流較少,其內部照明則采用紅外感應控制,僅在有人員通過的情況下點亮。機房、儲藏室等物業用房設置就地開關,按需要開啟及關閉房間內照明。建筑外墻景觀照明則采用智能照明系統控制,可以按時間、環境、節假日等多種場景實現立面照明控制。

2.2 暖通系統控制

暖通空調系統作為建筑能耗的大頭,其節能運行對降低建筑碳排放具有重要影響意義。本項目設置冷熱源群控系統,通過在管道上設置傳感器采集冷熱水的供回水溫度、壓力、流量等參數,由相應算法控制自動開啟或關閉水泵、閥門等設備,以此實現滿足環境溫度的需求并能避免能源的浪費。室內新風系統根據室內CO2濃度自動調節控制送風量,并由供冷、供熱工況自動調整送風溫度設定值。

2.3 派梯系統

本項目中5幢辦公樓客梯采用派梯系統控制,電梯與辦公大堂閘機系統進行聯動。閘機設置人臉識別、刷卡、二維碼讀卡裝置,人員通過閘機后,根據派梯屏指示前往分配的電梯處等待。該系統通過收集各樓層實際候梯人數及各臺電梯所處位置及狀態,自動對電梯進行最優化調配,在減少人員等候時間的同時也降低了電梯系統的運行能耗。

3 結 語

本文以上海地區案例為依托,對光伏發電及樓宇自控系統兩方面進行分析,探討了建筑電氣設計中降低碳排放的手段。在“雙碳”目標的大趨勢下,光伏發電不單純只是一個政策規定,在保護環境的同時這個系統也能為使用方帶來切實的收益。樓宇自控系統是建筑物成為智能建筑最重要的一項因素,善用樓宇自控系統既能減少能耗,也能節約人力成本。