零能耗建筑可再生能源系统优化设计

2018-02-20

安徽工业大学学报（自然科学版） 2018年3期

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243002)

能源与环境问题是当今世界追求可持续发展面临的两项最艰巨的挑战。据British Petroleum《世界能源展望2017》预测，到2035年，世界能源需求将增加约30%，年均增长1.3%，几乎所有增长均来自新兴经济体[1]。目前建筑能耗已占全球能源消耗总量的40%以上，位居耗能首位[2]。据国际能源署预测，到2050年，可再生能源将占世界能源供应的一半以上[3]。近年来中国雾霾天气频发，更是引起了政府与社会对环境保护的密切关注。因此推广零能耗建筑及可再生能源的应用对于节能减排、保护环境等具有十分重要的现实意义和社会意义。

国内外对应用可再生能源系统发电的相关研究表明，由于可再生能源来源的不稳定性，与单种可再生能源系统(如仅光伏发电或仅风力发电等)相比，混合可再生能源系统(如太阳能与风能等混合使用)更加稳定且具经济效益[4-7]。随着国家对可再生能源的推广，可再生能源系统可与电网结合，在可再生能源对建筑供电不足时使用电网电量，当产生过剩电量时售卖给电网。在零能耗建筑中，一年内从电网购买的电量与售卖电量达到平衡时，称为“并网”零能耗建筑[8]。研究表明，在大部分可铺设电网的非偏远地区，与同类负荷情况下的独立可再生能源系统相比，并网可再生能源系统成本较低且在运行中可产生额外经济效益[9-12]。在高校校园能耗中，建筑能耗约占校园总能耗的83.2%，宿舍能耗约占校园总能耗的30%，因此宿舍是高校建筑能耗中不可忽视的部分之一[13]。有研究表明，学校建筑使用可再生能源系统供电具有较强的适应性、经济性及环境友好性[14-17]。目前国内外对零能耗宿舍优化设计的研究尚不充分，且上述对零能耗建筑可再生能源系统的研究多关注于住宅及商业建筑的供能系统内部优化与比较，极少关注国家政策对零能耗建筑中可再生能源系统优化设计的影响。

本文以某中部地区高校学生宿舍为案例，设计一种并网可再生能源混合系统，以达到建筑零能耗目标。在当地单一费率(SRP)和时间费率(TRP)政策下，根据经济成本对可再生能源系统进行优化，对其碳排放及电网友好性进行分析，并对系统向电网出售多余电量的回售价格进行敏感性分析。

1 模型建立

1.1 技术路线

根据当地气象参数，对向建筑物供电的可再生能源系统在两种电价政策(SRP和TRP)下分别进行优化设计。采用DeST及HOMER软件分别对建筑物的能耗系统和可再生能源系统进行分析，具体路线如图1所示。其中，NPC、CEQ分别为该系统总净现值和碳排放量。

1)收集当地典型年的气象参数，确定建筑的围护结构、内热源等参数，通过DeST软件建立建筑模型，并得出该建筑的逐时冷热负荷及空调电力能耗。再分析建筑中其他电力能耗(如灯光，设备等)的使用情况，得出建筑的总能耗。

2)将该建筑的典型年电力负荷数据导入HOMER软件，确定可再生能源系统初步配置(光伏发电、风力发电、柴油发电机组)及其尺寸搜索范围。根据年度建筑用能和产能平衡要求，在HOMER中对所有可行的可再生能源混合系统组合进行筛选，得到该建筑在两种电价政策下的经济最优可再生能源系统设计，并对其碳排放和电网友好性进行分析比较。

3)对于并网型建筑系统，系统产生的多余电量将回售给国家电网，回售价格往往会根据当地政策进行调整，因此本文将回售价格作为敏感性分析的变量，分析两种电价政策下其对零能耗建筑可再生能源系统优化选择的影响。

1.2 目标函数及评价指标

本文以总净现值NPC作为优化目标，对零能耗建筑的可再生能源系统进行优化。NPC为由其生命周期中所产生的全部成本减去收益的值。成本包括初投资、运营成本、重置成本等，收益包括国家补贴及回售电量收入。总净现值计算见式(1)[18]

其中：ENPC为总净现值；Ctot为系统年度总成本；LCRF为资本回收率；i为年利率；R为系统生命周期。

平均能源成本(COE)是系统生产电量的每千瓦时平均成本，是系统的年度总成本与总电量之比，平均能源成本计算见式(2)[18]

其中：WCOE为平均能源成本；Epri为主要电量；Edef为延迟电量；Egs为回售给电网的电量。

使用可再生能源系统供电的建筑物碳排放量(CEQ)可按照式(3)计算[19]：

其中：TCEQ为碳排放量；Cf为化石燃料消耗量；Eco2为CO2排放因子。

电网相互作用指标(PE)被用来量化由可再生能源系统和电网之间的电力交换波动引起的电网压力[20]。电网相互作用指标计算见式(4)，其范围在0到1之间，较小值表示较好的电网友好性。

其中：GPE为电网相互作用指标；STD为标准差；Pmis为每小时的电力不匹配值，代表建筑物和电网之间的电力交换；下标i是第i小时。

2 应用分析

2.1 建筑物及其相关参数

本文以中国中部某高校学生宿舍(图2)为例，旨在将该建筑设计为依托混合可再生能源系统的零能耗建筑。该建筑坐北朝南，总建筑面积10 327 m2，空调面积7 969.5 m2，高19.9 m，建筑共6层，有学生宿舍330间，每间宿舍面积24.15 m2。主要参数见表1。

建筑物的能源消耗主要由空调、照明及小功率电器组成。首先，通过DeST软件对建筑进行建模，模拟得出全年每一时刻(8 760 h)的冷热负荷(见图3(a))。由于每个房间采用额定功率的独立空调器，根据冷热负荷可得出空调的全年逐时用电量。其次，基于该建筑实际用电规律可获得照明及小功率电器的用电负荷，从而得出全年电负荷逐时数据。最后将建筑的全年用电负荷数据文件输入HOMER软件中，可得出如图3(b),(c)所示建筑物年平均日负荷以及月平均负荷数据。

图3(b)中，由于白天学生常在教室或图书馆学习，常于22：00点后回到宿舍，故最大负荷需求发生在夜间。图3(c)中，由于制冷及供暖需求，冬、夏季电力消耗明显高于春、秋季。但由于学生寒暑假的特殊情况，每年假期时(7月15日—8月15日，1月15日—2月15日)宿舍封锁，一切负荷为0。

图2 建筑物模型Fig.2 Model of the building

表1 建筑物主要参数Tab.1 Main parameters of the building

图3 宿舍楼负荷情况Fig.3 Load of the building

2.2 可再生能源系统及相关参数

混合可再生能源系统包括光伏面板(PV)，风力发电机(WT)，转换器及国家电网(Grid)。光伏面板发电量受当地太阳辐射影响。太阳辐射数据选取当地典型年平均数据，其月度数据如图4(a)，平均辐射量为3.75 kW·h·m-2·d-1。本文采用的光伏面板及其相关参数在HOMER中定义，其初始成本、重置成本及每1 kW的运维成本分别为11 000元/kW、7 600元/kW和70元/a。假定光伏组件寿命为25 a，降额因子为0.8，不考虑温度效应，光伏面板设计角度固定为31.9°。

风力发电机发电量受当地风力资源影响，当地月平均风速如图4(b)所示，年平均风速为3.87 m/s，冬季风速更高，有较大的风力发电潜力。文中采用的风力发电机大小型号为10 kW/台(G10)，其初始成本、重置成本及每台的运维成本分别为48 500，41500元和700元/a，假定风力发电机的寿命为15a。

图4 该地区气候情况Fig.4 Weather data in the area

光伏面板(直流)和风力发电机(交流)发电需要逆变器将直流电转换为交流电，以便建筑物日常使用和回售给电网。转换器的初始成本、重置成本及每kW的运维成本分别为1 560元/kW、1 560元/kW和 70元/a。转换器的寿命假定为15 a，转换效率为90%。

在并网可再生能源系统中，电网被视为具有电池功能，建筑可向其购买和出售电量的部件。根据当地用电收费政策，用户可选择单一费率政策(SRP)或时间费率(TRP)政策。SRP政策是指全天24 h向电网购买电力的价格皆为0.866 元/(kW·h)，TRP政策是指在8：00—22：00的电力价格为0.9 元/(kW·h)，22：00—8：00的电力价格为0.623元/(kW·h)。此外，由于国家及当地政策对可再生能源应用的大力支持，并网可再生能源系统所产生多余电量可售卖给国家电网，售卖电价高达1元/(kW·h)。

2.3 结果分析

DeST模拟结果显示，建筑物的用电量约为399(kW·h)/d，最大用电负荷为352 kW。由于混合可再生能源系统与电网连接，根据当地用电政策，下面分别对电网两种不同收费方式(即SRP和TRP)下的可再生能源系统进行分析优化。

1)仅采用电网系统(无任何可再生能源系统供电的传统建筑)电力直接从国家电网购买，以满足建筑物的电力负荷需求，无多余电力产生。当采用SRP收费政策时，电价不随时间变化，系统的NPC及COE显然分别为126 099元和0.866元/(kW·h)，CEQ为92 040 kg，PE为0.069。当采用TRP收费政策时，电价随时间变化，系统的NPC及COE分别为108 574元和0.748元/(kW·h)，CEQ、PE不变，仍为92 040 kg和0.069。

2)混合可再生能源系统包括光伏发电和风力发电，并与国家电网相连(PV/WT/Grid)。当建筑物电力负荷需求高于系统发电量时，可向电网购买电量，反之则将过剩电量售卖给电网。在HOMER中电网稳定性设定为100%，系统设计如图5所示，共模拟该建筑25年用电情况。优化模拟中可再生能源系统的设计参数范围分别是PV功率0～150 kW，每组间隔10 kW，WT数量0～50台，每组间隔10台，转换器功率0～400 kW，每组间隔50 kW，向电网购买电量最大值为1 000 kW。总设计方案为864组。

图5 PV/WT/Grid混合系统Fig.5 PV/WT/Grid hybrid system

2.3.1 SRP用电收费政策下PV/WT/Grid混合系统

当采用SRP用电收费政策时，经济最优的混合可再生能源系统为130 kW光伏组件、10台G10风力发电机及100 kW的转换器。该系统的NPC为1 827 498元，COE为0.984元/(kW·h)。与仅电网系统相比，COE增加了13.6%，可见在SRP下可再生能源系统在经济上无优势。

由于并网零能耗建筑需要实现建筑电力需求量和可再生能源系统发电量之间的年度平衡，因此每年评估时，可再生能源的总发电量应该等于或高于用户用电需求。在SRP下，49%的发电量来自光伏面板，23%来自风力发电机，28%来自国家电网。建筑物消耗了总发电量的50%，而其余的50%回售给国家电网。由于回售给国家电网的电量可视作无碳排放电量，则该系统减少了36 439 kg的CO2排放量，与仅采用电网系统相比，在碳减排方面优势大，对环境较为友好。

2.3.2 TRP用电收费政策下PV/WT/Grid混合系统

当采用TRP收费政策时，由于宿舍建筑作息时间的特殊性，很大程度上避免了在TRP政策下收费较高时间段的用电。经济最优的混合可再生能源系统为120 kW光伏组件、10台G10风力发电机及100 kW的转换器。该系统的NPC为1 596 909元，COE为0.859元/(kW·h)。系统COE比仅电网系统下高15.9%，但比在SRP下的系统低12.6%，可见采用TRP收费政策时，与仅电网系统相比经济上无优势，但与SRP相比在经济上有一定优势(见表2)。

表2 在两种电力收费政策下系统性能比较Tab.2_ Comparison of system performance under two power charging policies

在TRP下，47%的发电量来自光伏面板，24%来自风力发电机，29%来自国家电网。建筑物消耗了总发电量的51%，回售给国家的则有49%。该系统减少了30 458 kg的二氧化碳排放量，比在SRP下的系统减少的碳排放量低16.4%，可见对环境的友好性不如在SRP下的系统，但对仅电网系统而言，环境友好性仍具较大优势。两种不同情况下月均电力产量见图6。

由电力产量图可得建筑物每月与电网存在电力交换，对一年8 760 h的电力交换进行逐时分析，可评估可再生能源系统对于电网的友好性。在仅电网系统和采用不同的电力收费政策时，最优系统的电网相互作用指标分别为0.069，0.114(SRP)和0.111(TRP)。表示在电网友好性方面，仅电网系统最佳，TRP政策下次之，但优于SRP政策下的可再生能源系统。

图6 系统月平均电力产量(SRPvs TRP)Fig.6 Monthly average electricity output of the system(SRPvs TRP)

2.4 敏感性分析

近年来中国为促进可再生能源的应用，各地区都采取了一定的激励措施，如本研究中可再生能源发电回售给电网的价格高达1元/(kW·h)源于国家对于可再生能源发电的各项补贴。但随可再生能源系统应用的逐渐普及，国家相应的财政补贴将会逐渐缩减，因此研究回售价格对可再生能源系统设计的影响有其必要性。在PV/WT/Grid混合系统中，对电网回售价格进行敏感性分析，即1，0.970，0.935，0.900，0.866元/(kW·h)。

图7 不同回售价格的NPC和CO2变化Fig.7 NPC and CO2Change under different sell-back prices

当采用SRP用电收费政策时(如图7(a)所示)，随着回售价格的下降，系统COE增加，CO2减排降低。当回售价格从1元/(kW·h)降至0.866元/(kW·h)时，COE从0.984元/(kW·h)升至1.011元/(kW·h)(增加2.8%)，减排的CO2从 36 439 kg 降至4 880 kg(降低86.6%)，经济性与环境友好性变差。从电力产生量来说，可再生能源发电量从72%降至65%，向电网购买电力的部分从28%升至35%。当采用TRP用电收费政策时(如图7(b)所示)，系统COE随回售电价下降而上升，CO2减排降低。当回售价格从1元/(kW·h)降至0.866元/(kW·h)时，系统COE从0.859元/(kW·h)升至0.942元/(kW·h)(增加9.7%)，减排的CO2从30 458 kg降至4 880 kg(降低84%)，经济性与环境友好性仍然变差。从电力产生量来说，可再生能源发电量从71%降至65%，向电网购买电力的部分从29%升至35%。此外，当回售电价低于1元/(kW·h)时，COE会逐渐高于0.859元/(kW·h)，这表明若国家政策无法继续支持，即回售价格降低，在经济成本上将高于仅电网系统，经济性与环境友好性均变差。在经济方面，回售价格的降低对TRP系统下的影响高于SRP系统；而在环境友好性方面其对SRP系统下的影响高于TRP系统。

在电网相互作用指标方面，当回售价格从1元/(kW·h)降至0.866元/(kW·h)时，在两种收费政策下，由于其可再生能源系统尺寸不同，电量产生发生变化，则PE指标随之变化，呈下降趋势，也就是说电网友好度逐渐上升。在SRP下，PE指标由0.114降至0.099；在TRP下，PE指标由0.111降至0.099。可见当回售价格为0.866元/(kW·h)时，两种收费政策下的最优可再生能源系统与电网的友好度相同，但其电网友好性仍不如传统建筑。