合同能源管理模式下非逆变光伏照明节电在公共建筑的实践应用

郭峻臣 陈国栋

深圳市机关事务管理局

0 引言

建筑能耗约占我国能源消费总量的21.7%[1]，而公共建筑能耗占到本行业的30%左右[2]。根据《公共建筑能耗远程监测系统技术规程》，建筑用电分为照明插座、暖通空调、动力和特殊四大分项，其中照明用电占比30%～50%[3]，并且呈快速增长趋势。公共建筑因其较高的能耗水平，特殊的社会角色和服务属性，对其开展能源资源节约利用不仅有利于降低能源成本，同时可以对全社会起到示范引领作用，具有重要经济、环境、社会效益。

1 公共照明节能现状和应用分析

公共照明节能改造可有效提升照明系统乃至既有建筑整体的能效水平。根据某项研究，尽管照明能耗在建筑中低于暖通空调系统，但由于高节能率和低实施难度，照明减排贡献潜力高达43.7%[4]，名列第一。目前，常用节能的手段包括照明系统优化设计、结构改造、灯具更新、控制策略优化和可再生能源利用等。实践表明，某些项目通过更换高效节能灯具取得了一定的节电效果，但仍面临诸多问题：一是改造成本高，用户一次性更换大批灯具，投资大、融资难、收益周期长；二是实际照明效果一般，因公共建筑照明的运行时间长，存在长明灯现象，导致光衰较大、亮度降低；三是维护管理不到位，特别像地下停车场等隐蔽场所，设备故障后长期得不到处理，有些建筑为了节约成本只开启部分照明，既达不到设计的亮度要求，也存在安全隐患；四是系统损耗高，照明灯具及控制开关多为直流用电设备，由交流市电整流为照明系统供电时，自身损耗较高。这些因素都降低了照明节电改造的实际效果，增加了使用和管理维护成本。

在合同能源管理（Energy Performance Contracting，国内简称EMC）模式下，采用非逆变光伏照明节电技术有望改善公共照明系统节电效果。首先，非逆变光伏发电技术成熟，系统配置灵活，化零为整，可以充分利用建筑屋顶等空间资源。第二，系统低压直流供用电，光伏发电直接用于照明，无逆变损耗、控制开关整流损耗，减少光伏组件串联损耗、变压器损耗，转换效率更高。第三，系统结构简单，便于维护，可靠性和安全性高。第四，采用智能化控制策略，各单元设备匹配度高，可避免长明灯现象，使用寿命长。第五，作为一种新型商业化管理模式，项目所需的资金由建设方提供，降低业务投资风险、解决资金难问题。最后，专业化的节能服务公司还能提供从设计、采购、安装、管理到运维等全生命周期服务，有效降低了项目成本。

因此，通过将非逆变光伏节电新技术与合同能源管理新模式有机融合，为建筑节能带来更加广阔的发展潜力。

2 案例概况

2.1 项目背景

S市位于北回归线以南，属亚热带海洋性气候，夏季长达6个月，年平均日照约2 060 h。本研究选取的公共建筑地下停车场建成于2004年，建筑面积近10万m2，共有停车位2 600个。改造前，地下停车场照明采用40 W的T8荧光灯共计3 100盏，年均用电107.1万kWh。改造前的设备配置清单和用电情况如表1所示。

表1 地下车库照明系统改造前年能耗计算表

该照明系统在改造前存在如下4点不足。

1）手动开关，采用传统的控制模式，无法实现自动化管理。

2）T8灯管使用寿命相对较短，后续的更换成本和运维成本较高（见表2）。

表2 荧光灯与LED灯技术参数表

3）相比LED灯具，相同照度要求的单位功率密度低[5]，灯具配置数量多。

4）长时间运行灯具光衰大、亮度达不到要求。

本案例针对以上4点不足，应用非逆变光伏照明节电系统进行节能改造升级。

2.2 系统介绍

光伏发电是利用光电效应原理，将太阳能转变为电能的过程。目前，广泛应用的光伏并网发电技术就是将光伏的直流电逆变为交流电，再经过升压配网，最终输送至千家万户（如图1）。但光伏并网发电存在损耗大、孤岛效应、与市电同步同相等问题，而城市因为空间资源有限，无法实现大规模组网，也为光伏发电技术在城市中的推广应用造成不利影响。

图1 光伏发电系统示意图[6]

与此同时，随着科技进步，光伏面板和储能电池的成本逐渐降低，我们日常生活中使用的低压、直流负载（如照明、电子电器等）越来越多，用电量增大，如果能将光伏产生的直流电无需逆变直接供配给这类直流设备，将提高用电效率、减少资源浪费。本案例采用的非逆变光伏照明节电技术正是将光伏发电直接用于直流公共照明，减少中间环节的损耗，是公共建筑光伏节电的又一创新应用场景。

2.3 系统组成

非逆变光伏照明系统是一个光伏、市电、储能电池三元供电，储能电池、照明二元用电的综合照明系统，由光伏矩阵、远程升压传输模块、系统主控器、储能电池和照明负载等组成（如图2）。

图2 非逆变光伏照明系统示意图

1）光伏电池矩阵

太阳能电池面板是系统中最重要、也是成本最大的组件之一，常见的电池板有单晶硅、多晶硅和薄膜等硅材料，多晶硅相比成本更低，适合大型的光伏电站。单晶硅因电气参数高、衰减小、使用寿命长、发电效率高，更适用于小型组网的应用场景[7]。下面对这三类太阳能电池作简单比较（见表3）。

表3 单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜电池比较

除面板材质，光伏矩阵在设计安装时还需关注自身衰减和损耗问题。测试数据显示，户外使用9年的单晶硅光伏组件衰减率较低，约为7.8%[8]。光伏损耗包括串联损耗、倾斜角、间距损耗、遮蔽效应和温度效应等[9]。其中，光伏面板串联会因工艺和参数差异产生离散及连接损耗，电池效率随串联内阻呈指数减少的趋势[10]。所以，需根据负载侧需求减少串联、连接等损耗。

2）远程升压传输模块

本案例的停车场面积较大，光伏矩阵距离末端照明负载较远，远距离传输会导致照明和蓄电池供电的压降较大，影响系统效率。所以系统还需配备一个远程升压传输模块，将光伏矩阵的电压升高到90～300 V[11]，模块同时具有防浪涌保护功能，提高系统稳定性。

表4 光伏组件室外使用9年后，五个性能参数的初始值与衰减值对比[8]

3）储能电池

4）系统主控器

在光伏装机容量、电池特性、照明负载、自然条件等确定后，还需要一个使整个系统综合协调运转的“中枢大脑”——系统主控器。该控制器通过监测运行参数、智能调节控制、分析效率指标、报告管理建议，从而保障系统处于一个高效的区间运行。例如，系统会优先将光伏直接为负载供电，当供电不足时，根据效率区间，自动切换为市电或蓄电池供电。系统会根据光伏最大功率曲线自动选择市电或光伏为蓄电池充电源，综合协调控制整个系统处于动态平衡状态[14]。

5）照明负载和控制开关

相比于三基色的节能灯，低压、直流的LED照明负载具有亮度高、功率小、使用寿命长等优点。根据使用场景，可采用功耗较低的红外感应控制开关。红外控制开关如果直接在交流配电系统上使用，整流会产生5 W左右的功耗，影响经济性和节电率[15]。

2.4 系统设计和节能技术应用

1）定制化的光伏组网，高效集约利用资源

本文试图回答以下问题：(1)“do/does/did+v.”构式中的V槽位吸引的词素有哪些？(2)“do/does/did+v.”构式中的V槽位的语义聚类是什么？(3)“do/does/did+v.”构式搭配关联强度分析对外语教学有何启示？

本案例在光伏组网设计时主要考虑3个因素：一是S市太阳能资源禀赋情况。当地年水平面辐射量约5 225 MJ/㎡，年均日太阳辐射量3.91 kWh/（m2·d）[7],是国家鼓励发展太阳能的地区。二是停车场使用面积和照明亮度要求。停车场面积约10万m2，按照JGJ100—2015《车库建筑设计规范》，车道照度50 lx，车位30 lx，按照本案例采用的8～12 W高效LED灯具照度测算出所需照明功率。三是光伏面板安装空间。停车场所在地点空间有限，无法大面积布置光伏面板，同时还要考虑到风荷载[16]、防雷等因素。因此，本案例根据当地气候条件、辐射倾角、实际用电需求和场地空间等，在广场两侧各400㎡的空地共安装了单片功率140 Wp的高效单晶硅电池板800片，总功率为112 kWp，该类型面板的弱光性强，相较普通单晶硅的光电转换效率提高30%（见图3）。

图3 水平面平均日太阳辐射量（来源：深圳市气象数据）

2）扁平化的系统架构，结构简单损耗小

（1）系统供需两端直流发电直接用于直流负载，电气特性匹配性好，系统结构简单，稳定性和可靠性更高。本案例组成设备包括前端光伏发电、中间传输控制环节、储能电池和末端照明负载等，前端的光伏面板单位组件为140 Wp，工作电压24 V，采用8片串，串联损耗大幅降低。光伏面板经串联后接入直流汇流箱，再经升压传输给停车场照明负载和蓄电池。根据实际需求，末端安装的LED照明功率较小，停车场过道等区域安装12 W的LED灯具3 000多盏，非车道安装8 W的LED灯具2 000多盏，既达到设计规范的照度要求，也充分发挥了系统直流、低压、小功率特点（见图4）。

图4 单套非逆变光伏照明接线原理图

（2）系统损耗小、效率更高。相比光伏并网发电，非逆变光伏照明应用无需逆变、无需市电整流、无需大规模串并联组网。一是减少了串并联损耗，电池面板大规模串联封装会增加光伏的离散和连接损耗，数据显示，仅串联电阻损失会占到光伏组件功率的8.6%[17]。二是减少了逆变损耗，直流发电直接用于直流负载，不需要逆变装置。三是减少了照明控制开关损耗，目前常用的控制开关是直流供电，电路电压5 V，功耗约0.1 W,整流损耗高且常被忽视，同时存在着一定的安全隐患[18]。四是减少了变压器损耗，光伏发电无需升压并入市电，直接用于直流负载。从项目实际运行效果来看，可以节省大约20%的系统损耗。

3）智能化的配电管理，实现动态调节协同控制

非逆变光伏照明系统是一个三元供电、二元用电的系统，其光伏电力、蓄电量和负载功率等为随机变量，因此，本案例设计安装了智能配电主控器，负责监视光伏发电、末端负载和电池电量，根据控制算法优化多种供用电配置策略，使整个系统协同运转，既提供稳定可靠的用电输出，又提高整体效率。该系统主控模块集成于系统控制柜。当多元供电时，主控器优先把光伏电力直接供给负载，受天气条件等因素影响，发电不足时再由蓄电池、市电供电。系统会存储蓄电池的极化规律特性曲线，设置高性能区间范围，保证蓄电池处于高效区间，避免过放电对性能的影响。当二元用电时，多余的光伏电力补充给蓄电池，在光伏电力达不到蓄电池充电参数要求时，切换至市电模式，防止过充或过放。在系统使用过程中，系统主控器不但实现供用电的动态平衡管理，还可以根据系统运行参数和效率曲线变化不断进行配电策略的优化、调整，保持系统一直处于最佳的效率曲线。此外，系统还能通过监测、诊断蓄电池电气参数，实现电池健康管理(见图5)。

图5 能流平衡图

4）高性能的储能电池，提高效率和使用寿命

在系统中，蓄电池既担任供电元，又充当负载元，其性能特性还决定着系统的配电状态。本案例在蓄电池选型时主要考虑以下因素：一是电池容量，按照光伏面板和停车场实际负载，共配备100 Ah的蓄电池100块，安装在控制系统柜，平均每块电池连接60盏LED灯具。二是电池高效率区间[19]。为解决光伏电力无法像市电条件提供稳压、恒流的变功率充电效率问题，根据光伏电力输出特性，选择宽效率范围的蓄电池。本项目采用的是一款高性能的锂电池，根据蓄电池效率实验，锂电池的充放电效率比同型号铅酸电池高出近5个百分点。三是恢复能力较强。某研究显示，长期充电不足、经常性深放电，铅酸电池比较锂电池更容易衰减，锂电池的平均容量恢复率仍高达99.4%[20]。除蓄电池自身特性，还要在系统主控器的统一管理下，与系统光伏、市电、照明等协同运转，并实现对电池的信息化管理、智能化运维保养（见图6）。

图6 铅酸电池和锂电池80%荷电态的循环寿命曲线

5）可靠的直流照明负载，提升用户体验

本案例采用的宽视角、高亮度LED灯具，功率8～12 W，平均照度达到61 LX，使用寿命达50 000 h以上，经过专门的亮度和柔和性调校后，使用效果超过普通40 W的节能灯，满足地下停车场等区域的日常照明使用。根据使用区位，系统设置了常亮灯和感应灯两类。其中：在出入口、车道等重要区域，LED灯具设置常亮，系统提供24 h不间断照明；在车位等其它区域，LED灯具前安装有红外感应控制开关，当有人流、车流经过时，自动控制灯具开合。

在直流系统中，红外感应控制开关电流较小、功率较低，相比于交流整流电路，减少了4～5 W左右的功耗[21]，整个照明系统既有效节省了电费、提高了使用寿命，也满足了日常使用，提升了用户体验（见图7）。

图7 停车场灯具和感应开关分布示意图

3 基于合同能源管理的节能项目模式

3.1 合同能源管理的概念

合同能源管理（EMC）是一种以节省的能源费用来支付节能项目全部成本的全新节能机制，合同能源管理具有以下特点。

1）业主无需投资，节能服务公司承担节能项目的建设、运维资金，降低了业主单位的风险。

2）共享节能成果，双方按比例分享节能效益，节能服务公司依靠降低的能源费用来填补项目投资成本并获得节能效益。

3）专业化节能服务，节能服务公司负责合同期内项目施工、运营、维护等方面管理，发挥专业优势。

4）节能效果有保证，在EMC项目中，若节能服务公司达不到设定的节能率则不能获益，促使提供更先进的解决方案，使节能效果更有保证。

3.2 合同能源管理的模式

合同能源管理模式主要有节能效益分享型、节能量保证型、能源费用托管型和融资租赁型四种。该四种模式在合同期后，节能设备的所有权都归用户所属，并且在节能改造后所带来的全部节能效益由用户享用[22]。

3.3 实践应用

该案例是S市公共建筑中首个基于合同能源管理模式的光伏发电照明节电项目。按照当年市场造价70元/㎡的综合成本测算，项目总投资700万元，采用节能效益分享型和节能量保证型的混合合同能源管理模式，甲乙双方约定的节能效益分享比例为1:9，合同约定分享期为10年。节能效益分享方案如图8所示。

图8 节能效益分享方案

年节能量的计算公式如下：

年节能率的计算公式如下：

年节能效益计算公式如下：

式中：

△E——年节能量，kWh；

E1——基准期地下车库照明年用市电量，kWh；

E2——报告期地下车库照明年用市电量，kWh；

η——年节能率，%；

ΔM——年节约费用，元；

P——报告期当地平均电费单价，元/kWh。

4 效益分析

4.1 经济效益

项目基准期用电为107.1万kWh，2012年设计安装光伏容量112 kWp，改造和新增照明灯具约6 000盏。经第三方节能量审核，2013-2019年均节电98万kWh，年均节电率达到90%以上，按照1:9的节能效益分享比例，0.9元/kWh估算，共节省电费620万元，节能服务公司不到8年可收回成本。节能减排效益见表5。

表5 节能减排效益表

4.2 社会效益

该项目采用EMC模式实施，通过探索市场化道路，改变了政府公共建筑由财政拨款进行节能改造的投资方式，不但降低了公共机构能耗水平，减轻了财政负担，也充分发挥公共机构在全社会节能中的示范带头作用[23]。同时，以市场化导向培育节能新产业，不断涌现出一批优秀的节能服务企业。

4.3 环境效益

本案例节能改造后，相当于年节约120 tce，年均减少CO2排放930 t。在习近平生态文明思想和“3060”双碳愿景的大背景下，绿色低碳已成为新时代中国特色社会主义高质量发展的新路径。公共建筑应根据其自身能耗特点，通过非化石能源替代，提高能源利用效率等方式，提高自身能效水平[24]，努力建设青山常在、绿水长流、空气常新的美丽中国。

5 结语

本文介绍了非逆变光伏照明节电技术和合同能源管理模式在S市某公建节能改造项目的实践应用。经过对照明系统现状分析，非逆变光伏照明系统结构和特点介绍，项目节能实践应用成果，经济、社会、环境效益的综合分析，充分证明了EMC模式下非逆变光伏照明节电技术的可行性。当前，在全球“双碳”和我国生态文明建设驱动下，相关节能技术和管理模式将会迎来更好的发展。