建筑能耗预测分析辅助工业库区分布式光伏发电系统设计方法研究

中国建筑设计咨询公司 ■ 李雅昕 黄鹏洲 郝军 曾巍 李新中 翁思娟

0 引言

随着我国对太阳能利用的重视，不论是集中式光伏电站还是分布式光伏发电，均有了较多的技术研究以及工程应用。目前对于分布式光伏发电的研究，重点在于评估其可靠性[1]以及对配电网的影响[2]两方面。对于分布式光伏发电系统与建筑用电负荷需求之间的研究相对较少，文献[3]虽对光伏发电与冷热源耦合系统进行了探讨，但主要是对光伏发电系统与冷热源系统直接耦合的研究，并未考虑全年光伏发电系统的产能情况。

随着我国建筑节能工作的迅猛开展，目前对于建筑能耗分析已相对成熟，国内已对国际通行的多款模拟计算软件进行了深入研究，并已开发出我国的建筑能耗模拟分析软件，将建筑能耗模拟分析预测结果与光伏发电系统设计相结合，为分布式光伏发电的工程应用提供新的研究方向。

本文以工业生产企业库房项目为例，介绍了一种新的分布式光伏发电系统设计思路，即基于项目的逐时能耗模拟分析数据，对光伏发电系统配置容量进行方案比对，从而得出最优化系统方案。

1 库区建筑用能特点

该工业生产企业库区主要为以工业生产原料库为主的仓储区。仓储区包括工业生产原料库、集中检测用房以及为库区提供服务的设备用房、叉车管理间等建筑。工业生产原料库是仓储区的主体建筑群。

该工业生产原料库用能主要为空调用电、风机用电、夜间照明用电等，其中空调用电占主要比重。工业生产原料库的主要功能是保证一定室内温湿度储存生产材料，室内人员活动很少，全年的能源消耗量远小于生产工房。

2 光伏发电系统应用分析

光伏发电系统的设计，需从两方面予以考虑：一方面是需求侧，即项目实际所需的用电负荷；另一方面是产能侧，即分布式光伏发电系统实际的产电量，最理想的状态是两者之间达到供需平衡。

然而，由于太阳能资源的不稳定性，两者之间的关系此消彼长，并不一致。且受目前光伏发电系统的发电效率所限，多数情况下，需求侧的用电量远高于产能侧的发电量。

对于该工业生产企业库区来说，由于建筑自身用电需求并不高，而库区建筑多为低层或多层建筑，可布置光伏板面积相对富足，因此，若按照常规设计方法大面积布置光伏板，必将带来光伏系统的浪费。因此，如何确定合理的光伏发电系统规模，是生产企业库区利用分布式光伏发电系统的重点。

该工业生产企业库区建筑全年用电情况与气象条件、运行时间、运行规律等密切相关；全年光伏系统发电情况也与全年太阳能辐射情况密切有关。

为了深入分析光伏发电系统容量的优化配置，进行全年8760 h逐时发电、用电匹配分析，从而确定更为合理的光伏发电系统容量。

考虑到蓄电池污染高、维护成本高等问题，项目不设置蓄电池，因此，光伏发电的利用主要为日间用电。工业生产原料库的日间用电主要为通风系统、空调系统用电，排风风机用电量较小，作为安全裕量，不计算此部分能耗。

通风系统能耗低于空调系统能耗，但峰值时刻仍需开启空调系统。根据项目机械通风节能量模拟分析结果，本项目采用机械通风进行室内参数控制的全年小时数约为300 h，所占比例很小。为简化计算，光伏发电系统的匹配分析仅用空调系统能耗进行分析。

空调系统能耗与全年气象条件密切相关，本项目全年逐时室外温度及含湿量曲线如图1和图2所示。项目全年8760 h逐时能耗如图3所示。对光伏发电系统产能分析采用厦门地区太阳能辐射数据(来源中国建筑热环境分析专用气象数据集)全年8760 h逐时数据，如图4所示。

图1 项目全年8760 h逐时室外干球温度

图2 项目全年8760 h逐时室外含湿量

图3 项目全年8760 h逐时能耗分析结果

图4 项目全年8760 h逐时太阳能辐射量

3 光伏发电系统方案对比分析

根据项目建筑情况，共10个工业生产原料库可安装太阳能光伏发电系统，可布置太阳能光伏板面积为8000 m2，太阳能光伏发电系统最大装机容量为1200 kWp。

为了确定合理的光伏发电系统容量，分别分析100%、75%、50%和25%容量设置光伏板4种装机容量的全年发电量与用电量的逐时情况。

光伏发电系统安装容量按照最大装机容量的100%、75%、50%、25%这4种布置方案进行对比，全年逐时多余电量分布如图5所示。

图5 不同容量布置光伏板全年逐时多余电量分布图

由于该项目光伏发电系统不含有储能设备，因此当出现发电量大于用电量的情况时，所发多余电能将通过光伏组件自带保护卸荷装置通入大地。在方案优化分析中，关键点是使项目光伏系统所发电能尽量多的被用能系统使用，减少浪费。

表1 四种方案对比汇总

根据表1可知，随着光伏板布置面积的加大，可用电量占发电量的比例逐渐降低，由72.38%降低到45.64%，这是由于项目自身用电需求较低，且空调用电占较大比重，季节性影响也会导致供需不平衡，全年多余电量增多，造成了一定程度的浪费。综合考虑项目投资等经济性等因素，最终确定25%布置方案为项目最优方案。

4 光伏发电系统布置方案

本项目库区建筑屋顶为矩形平屋顶，采用混凝土结构，主入口朝向为南向。

光伏发电系统25%布置方案中，光伏板有效发电面积为2100 m2，可平均布置在3个生产原料库屋顶上方，各布置700 m2，光伏板安装容量300 kWp；为降低供电损耗，光伏板安装及接入点尽量接近负荷中心，分别就近接入对应配电柜内。光伏发电系统布置安装示意图如图6所示。

图6 光伏发电系统布置安装示意图

5 结论

1)通过对工业生产企业库区建筑用能特点的预测分析，确定了一种新的分布式光伏发电系统方案设计方法，即通过全年8760 h逐时用电量、发电量预测分析，进行方案优化设计。

2)以厦门某工业生产企业库区项目为例，进行了全年8760 h逐时用电、发电匹配分析，通过100%、75%、50%、25%布置光电板4种方案的比对，从全年可用发电量占总发电量的比例、全年可用发电量占总用电量的比例、投资等方面综合考虑，确定项目采用25%布置光电板的方案为最优设计方案。

3)光伏板有效发电面积为2100 m2，可平均布置在3个生产原料库屋顶上方，各布置700 m2，光伏板安装容量300 kWp；为降低供电损耗，光伏板安装及接入点尽量接近负荷中心，分别就近接入对应配电柜内。

[1]王震, 鲁宗相, 段晓波, 等. 分布式光伏发电系统的可靠性模型及指标体系[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(15): 18-24.

[2]于磊, 许丽丽, 周鑫, 等. 分布式光伏发电对配电网的影响及对策[J]. 华北电力技术, 2013, 10: 13-17.

[3]王晨光, 龚光彩, 苏欢, 等. 分布式光伏发电与冷热源耦合系统探讨[J]. 节能技术, 2012, 2(30): 145-150.