上海城市轨道交通建筑光伏技术应用现状与展望

黄继成，胡梦坤，张改景（. 上海轨道交通十四号线发展有限公司， 上海 0035；. 上海市建筑科学研究院有限公司，上海 008）

城市轨道交通作为城市交通的重要组成部分，其电力消耗巨大，且城市轨道交通建筑类型多样，车辆基地和车站建筑等均具备分布式光伏发电的良好条件。因此，利用光伏发电进行用电替代，对满足节能需求、减少碳排放，实现城市轨道交通绿色低碳发展，具有重要意义。

本文在总结分析光伏技术发展理念与相关标准的基础上，梳理了城市轨道交通领域可再生能源建筑利用现状，重点分析了上海城市轨道交通车辆基地光伏利用潜力、现状与重点关注问题，并提出了城市轨道交通建筑光伏技术应用新方向，对城市轨道交通提高光伏发电效率、深化低碳发展具有一定指导意义。

1 轨道交通领域可再生能源建筑利用现状

1.1 绿色轨道交通领域可再生能源建筑利用目标现状

1.1.1 国内外不同认证评价体系对可再生能源利用目标的要求

（1）T/CECS 724-2020《绿色城市轨道交通建筑评价标准》。建议车辆基地公共浴室、食堂、司机公寓等集中热水系统采用太阳能热水系统，停车库、检查库等建筑屋面采用太阳能光伏系统。光伏发电系统占屋顶可利用面积的比例要求见表 1。

表 1 光伏发电系统占屋顶可利用面积的比例要求

（2）T/CABEE 002-2019《绿色城市轨道交通车站评价标准》。规定绿色城市轨道交通车站应根据当地气候和自然资源条件，合理利用可再生能源，针对可再生能源提供的空调用冷量与热量比例、电量比例提出了要求。评分规则见表 2。

表 2 可再生能源利用评分规则

（3）Q/CSGDGS 002-2017《长沙市绿色城市轨道交通评价标准》。根据当地气候和自然资源条件，充分利用太阳能、地热能等可再生能源，可再生能源产生的热水量不低于车辆段建筑生活热水消耗量的 10%，或可再生能源发电量不低于地面车站、高架车站建筑用电量的 2%。车辆段建筑可考虑采用地源热泵等新型热泵空调技术。

（4）《深圳市绿色城市轨道交通工程建设与运营评价标准》。建议在设计阶段，积极推广太阳能光热利用技术，根据环境条件及使用要求因地制宜选用太阳能集热器；车辆段、停车场、站场路灯照明，采用太阳能－风能 LED 照明；具备地热源条件的城市轨道交通沿线站区建筑，推广应用地源热泵技术，用于为城市轨道交通各车站、车辆段等区域提供制冷、采暖等能源。

（5）《绿色新建捷运系统评价标准1.0版》（IGBC Green Mass Rapid Transit System Rating Version 1.0）。2014 年，印度绿色建筑协会（IGBC）启动了绿色捷运系统评价标准（IGBC:Green Mass Rapid Transit System Rating）。标准建议，对于地面车站、场地年度可再生能源产生量占总非牵引能源消耗量的比例至少达到 2.5%；非场址可再生能源对年度非牵引能源总消耗量的贡献率至少达到50%。对于地下车站，非场址可再生能源对年度非牵引能源总消耗量的贡献率至少达到 10%。

综上得到，国内外绿色城市轨道交通认证评价体系规定车辆基地建筑屋顶光伏发电系统占屋顶可利用面积比例应＞20%，车站可再生能源提供电量比例应＞1%。

1.1.2 从可再生能源核算方法中明确指标及潜力

在建筑工程规划设计初期对可再生能源的利用量进行核准，是推动可再生能源应用的重要举措。浙江省DB33/1105-2014《民用建筑可再生能源应用核算标准》和湖南省《民用建筑可再生能源应用量标准》（征求意见稿）明确了根据包括交通建筑在内的不同公共建筑类型和容积率来核算可再生能源综合利用量的要求，见表 3。

表 3 可再生能源综合应用核算标准对比表

建议新项目立项初期进行可再生能源用量核算，使可再生能源建筑应用从定性轨道发展为定量核算，从示范项目发展为普遍应用。

1.2 城市轨道交通建筑光伏应用现状

城市轨道交通建筑分为车站建筑和车辆基地建筑。车站包括地下车站、地面车站和高架车站，因高架车站一般架空设置于城市道路上，车站主体结构和附属结构位于室外，建筑物屋顶及侧立面面积大，适用于光伏发电[1]。车辆基地内建筑物类型多样，屋顶面积大，光伏发电可利用的建筑面积大；另一方面周围高层建筑物少，光伏组件被遮挡的可能性小，从而为光伏发电提供良好条件。

国内学者针对城市轨道交通建筑光伏应用开展了相关研究。郑林涛等人[2]选取典型高架车站的屋面进行光伏系统设计后计算逐时发电量，并利用能耗分析软件 EnergyPlus 对站厅层逐时空调能耗、照明能耗进行计算。通过对比，得出光伏发电量绝大部分逐时自发自用，而且光伏发电系统能有效减缓高架车站用电高峰。牛玲娟[3]以某车辆基地运用库为例，提出一套基于 BIPV 的光伏屋顶设计方案并进行技术经济性分析，预计发电收益可达 400 万元。

光伏发电在国内城市轨道交通车辆基地和车站已有大量成功应用案例，选取典型车辆基地案例进行介绍，如表 4所示。

表 4 国内城市轨道交通车辆基地光伏发电典型应用案例

2 上海城市轨道交通车辆基地光伏利用潜力分析

2.1 上海太阳能辐射资源分析

上海位于北纬 31°14’，东经 121°29’，位于我国太阳能资源第 III 类分区，太阳年总辐照量大约为 4 580 MJ/(m2·a)，年均日照时数 1930 h，太阳能资源较为丰富。根据 CSWD （Chinese Standard Weather Data，中国标准气象数据）天气文件（清华大学《中国建筑热环境分析专用气象数据库》），利用气象分析软件 Ladybug 得到上海地区一年四季的太阳总辐射玫瑰图（图 1），并计算得出上海地区逐月太阳辐射量和不同季节逐时太阳总辐射量（图 2）。可看出，上海地区太阳辐照量的季节差异比较明显，夏季辐照量较高，冬季较差，但夏季有梅雨时期影响；春季和夏季的东向辐射量最大，其次是西向；秋季和冬季则是南向辐射量最大。

图 1 上海地区不同季节太阳总辐射玫瑰图

图 2 上海地区逐月太阳辐射量

投射到太阳能板上的太阳能数量除了与地理位置相关，还与朝向、接收面倾角有关。但城市规划的要求或规范往往阻碍最佳朝向的选择，当屋面可利用面积减少时，建议根据太阳辐射玫瑰图，因地制宜地拟定加大建筑立面的太阳能利用策略。

2.2 车辆基地光伏建筑一体化利用重点关注问题

2.2.1 系统容量

（1）根据光伏组件的可安装面积和安装方式，预估光伏发电系统最大设计容量和发电量[4]。

（2）根据车辆基地负荷需求确定系统容量，深入了解用电负载的功率、工作电压、用电时间、特性（电阻性、电感性、电子性）、用电保证率要求等[5]。

（3）光伏并网点装机容量不宜超过上级变压器容量的25%。根据光伏安装位置及变电所确定并网压力，保证就近消纳，降低线路损耗。

2.2.2 系统接入

当光伏发电系统装机容量＜1 MW 时，光伏发电量一般能就地消纳，并网电量较少，一般接入低压侧（0.4 kV电压等级）。光伏发电系统装机容量＞1 MW 时，一般采用 10 ～35 kV 并网电压等级，轨道交通变电所母线电压有10 kV、35 kV 两种等级可供选择[4-5]。此外，也可将光伏发电系统直接接入牵引侧，但由于直流牵引负荷的波动较大，需要同储能系统相结合。宋昕等人[6]对光伏发电系统几种并网模式的特点进行了总结梳理，如表 5 所示。

表 5 光伏发电系统并网模式比较 [6]

当前光伏发电多需要通过逆变器实现交流转换。若采用直流供电组网技术，可将光伏发电直接供给建筑内直流负载，最大程度实现光伏消纳。

2.2.3 组件选型

光伏组件作为光伏发电系统的核心组成部分，其发电效率和使用寿命与光伏系统建设成本息息相关。目前国内太阳能光伏发电成本不断降低，效率不断提高，已具备平价上网条件。当前市场上主流光伏组件的性能对比分析如表 6 所示。

表 6 光伏组件性能对比分析

2.2.4 安装方式

光伏组件与建筑结合方式分为B A P V（B u i l d i n g Attached Photovoltaic）和BIPV(Building Integrated Photovoltaic)两类。两种安装方式对比如表 7 所示。

表 7 光伏组件安装方式对比

当前，光伏组件与轨道交通建筑结合方式多为 BAPV。国内某些大型交通枢纽的大面积顶棚（如北京南站、上海虹桥枢纽、深圳北站、广州南站、杭州东站等）工程项目应用了 BIPV 形式。

2.2.5 安装角度

车辆基地建筑屋面若采用轻质屋面瓦，建议光伏组件以顺坡铺设为主，以降低结构安全可靠性风险；建筑屋面若为混凝土屋面，可设置最佳倾角固定支架，按最佳倾角安装光伏组件。根据上海的经纬度，可算出光伏组件的最佳安装倾角为 25°，基于 79% 的系统效率计算得到每瓦年发电量，如表 8 所示。

表 8 上海光伏组件最佳安装倾角及发电量

2.2.6 系统监控

为保障光伏发电系统的正常运行，提高光伏发电效率，需要对光伏发电系统进行有效监控。 监控系统应具备实时监测、故障记录及报警和能源数据统计分析等功能。功能模块示意图如图 3 所示。

图 3 监控系统常见功能模块示意

2.3 上海轨道交通车辆基地光伏建筑一体化利用

截至目前，上海市已在龙阳路、三林、富锦路、浦江镇等 10 个车辆基地完成了屋顶分布式光伏项目建设，装机容量合计约 24 MW，年均发电量约 2 300 万 kWh，“十三五”期间累计减少 CO2排放超 3 万 t。以川杨河车辆基地为例，其总装机容量为 7.580 3 MW，2020 年累计发电量约 7.3×106kWh，川杨河基地光伏系统逐月发电量如图 4所示。目前上海地区建成车辆基地 30 余个，在建和规划车辆基地近 10 个，未来光伏应用潜力巨大。

图 4 川杨河基地光伏逐月发电量

3 结 语

“碳达峰”和“碳中和”目标赋能可再生能源发展新需求。城市轨道交通建筑具有应用光伏发电的良好条件，随着城市轨道交通规模的日益扩张，光伏利用越来越广泛，节能减碳效益可观。国内城市轨道交通建筑多通过在屋顶安装光伏组件进行发电，采用“自发自用，余电上网”的运行模式，后续可探索光伏建筑一体化、光伏光热建筑一体化、基于光伏发电的车辆基地直流微电网等新技术在城市轨道交通建筑中应用可行性，进一步提升光伏利用效率，促进城市轨道交通建筑的低碳化、绿色化发展。