太阳能光伏建筑能效影响因素及节能综合效益评价研究

徐 伟 刘振领 王 雪

内蒙古科技大学土木工程学院

0 引言

随着社会经济飞速发展，传统化石能源消耗迅速，新能源的开发利用势在必行，建筑新能源利用技术也因此迅猛发展［1］。发展光伏建筑不仅可以满足建筑本身用能，降低建筑能耗，而且可以有效减少化石燃料消耗量，减少温室气体排放，为实现“碳达峰、碳中和”作出贡献。

目前，我国对于太阳能建筑的研究主要集中在城市空间或建筑空间潜力评估、被动式建筑节能技术等方面，缺乏对太阳能建筑光伏系统能效影响因素、太阳能建筑综合效益等方面的研究，在已有的研究基础上，以蒙商银行光伏建筑为例着重分析光伏系统全年发电量，安装光伏系统前后对建筑物负荷影响、建筑能耗影响，并探析能效影响不利因素，为太阳能光伏建筑的应用提供一定的参考。

1 蒙商银行光伏系统介绍

内蒙古地区太阳能资源丰富，仅次于西藏，位居全国第二位［2］。包头市的坐标为为东经109°30′-110°00′，北纬40°20′-41°20′。年日照时数2 806 h，年日照为0．6%～0．75%，属于太阳能资源较丰富地区，可利用的太阳能资源量巨大。计算包头市区的太阳能功率和太阳能密度，得出太阳能辐射功率每秒在0．34～0．65 kW/m2，年平均为0．53 kW/m2。市区太阳能密度每天在2．2～6．5 kWh/m2，年平均为4．4 kWh/m2。

蒙商银行光伏系统配置主要包括多晶硅发电系统和薄膜发电系统。光伏系统配置如图1所示，其中图1（a）为项目建筑屋顶光伏系统布置情况，建筑屋顶共配置260 W的多晶硅发电系统，总安装面积为620 m2，安装倾角为35°，光电转换效率为14%，使用一台33 kW及三台20 kW逆变器，其转化效率为98%，设计寿命为25年。图1（b）为项目建筑立面光伏系统，采用1 200块汉能欧瑞康BIPV光伏组件，尺寸为1 100×1 300 mm，透光率5%，总安装面积为1 716 m2，光电转换效率为12%。工程按照就近并网、本地消耗、低损高效的原则，与建筑结合的分布式并网光伏发电系统方式进行建设。

图1 蒙商银行光伏发电系统

2 蒙商银行全年发电量及影响因素探究

2.1 运用Matlab软件计算全年发电量

采用Matlab软件建立光伏系统模型，并以光伏建筑实际参数输入模型，分析蒙商银行建筑光伏系统发电能效。图2显示了Matlab模型对光伏系统发电量的计算过程。

图2 发电量计算过程

首先读取天气文件，包括当地水平面总辐射量GHI、直接正常辐射DNI、散射太阳辐射DHI，室外温度、风速等。然后按项目实际情况对光伏系统参数进行输入，包括光伏发电效率、光伏板温度系数、数量、倾角、透光率。进而根据前两步参数，计算太阳高度角、入射角等参数。各影响光伏系统发电量的因素计算完毕后，进行光伏系统接收到的辐照计算。光伏系统接收到的总辐照量按公式（2．1）进行计算。

其中：

（DNI为水平面辐射量，为太阳入射角）

（DHI为太阳辐射直射量，tilt为光伏板安装角度）

模型考虑了灰尘对光伏系统发电量的影响，光伏板积灰量对其接收到的辐照影响计算如公式（2．2）所示。

综合上述参数，计算光伏系统发电量并进行输出。光伏系统输出功率计算如公式（2．3）所示。

将包头市逐时气象资料，蒙商银行光伏阵列参数作为输入参数，输入Matlab程序。此外根据蒙商银行光伏项目可行性研究报告，对程序中相关修正系数进行设置，为方便对计算后的数据进行处理，同时对各月进行汇总，可按需求得到逐日、逐月光伏系统输出功率。可见本Matlab模型具有普适性，不仅可以对项目进行详细计算，还可对其他项目进行计算，同时可以进行变参数分析［3］。

参考实际安装结构，模拟得到蒙商银行屋面光伏板阵列和建筑外立面光伏板阵列逐月发电量如图3所示，屋顶光伏系统全年发电量为162．28 MWh，在3月份时得到全年最佳发电量为17．43 MWh，11月份得到最小发电量5．97 MWh，其次为12月份发电量为11．33 MWh，全年发电量高峰期集中在3月至5月为49．08 MWh，发电量低谷期出现在11月份至次年1月份为30．31 MWh。而外立面光伏系统全年发电量为277．15 MWh，发电量最高值为32．73 MWh，出现在1月份，最小发电量值出现在11月为12．58 MWh，其次为7月份15．73 MWh，全年发电量高峰期出现在1月至3月为94．74 MWh，发电量低谷期出现在5月至7月为52．20 MWh，两系统全年发电量为439．43 MWh。在11月份包头市太阳能辐照量低于其他月份，导致屋顶光伏系统和外立面光伏系统发电量最小值，这与屋顶和外立面光伏系统发电量全年变化规律无关。对于屋顶光伏，符合夏季辐照强发电量大、冬季辐照弱发电量小的趋势，但是由于温度会影响光伏系统发电效率，在全年太阳辐照量最大的夏季日发电量却小于春季日发电量。对于外立面光伏，其发电量变化规律与屋顶光伏相反，在夏季范围内发电量较小，在冬季较高。这种发电量规律差异与光伏电池板的安装倾角和季节性太阳高度角变化密切相关，当太阳高度角为90°时，对于水平面太阳辐射强度最大。冬季时太阳向南回归线运动，北方屋顶太阳高度角最小，而对于外立面来说太阳高度角却最大，因此造成屋顶光伏系统与外立面光伏系统发电规律的差异。

图3 屋顶光伏和外立面光伏月发电量

2.2 光伏发电影响因素探究

光伏发电系统性能容易受多方面因素的影响［4］，如：太阳辐射、光电转化效率、安装角度、光伏组件温度、表面积灰、逆变器效率、组件串联不匹配等影响，主要探讨安装角度和表面积灰两个主要因素对光伏发电的影响。

2.2.1安装角度对发电量的影响

对于屋顶光伏，安装倾角会改变光伏表面接收辐照量［5］。由于全年太阳角度变化，安装倾角的最优参数会随着季度等时间变化发生显著改变。为了获取最大光伏发电量，需要同时考虑包头市当地的全年辐照等天气数据变化，进而获取最优化的安装倾角。对于建筑外立面光伏安装，由于需要考虑建筑安装以及美观、安全性等问题，其安装倾角对于最大发电量的影响相对于屋顶光伏较小，因此研究中不考虑外立面的光伏倾角因素。对于屋顶光伏，安装倾角采用0°至60°，间隔5°的屋顶发电量变化如图4所示。

图4 屋顶光伏系统月发电量与安装角度的关系

图5 屋顶光伏系统全年发电量与安装角度关系

从图4中可以发现，在安装倾角为0°时，发电量明显呈现夏季高冬季低的趋势，而选择60°安装倾角时夏季发电量达到最低，冬季发电量最大，随着安装倾角增大，夏季部分的发电量呈现先增高后降低的趋势，在15°时取得季度发电量最大值为44．44 MWh，而对于冬季日发电量则是随着安装倾角的增大而增大。由于辐照本身的原因，在11月份的发电量有明显的降低，这也符合天气数据自身变化，与模拟本身无关，可以排除模型错误问题。由模拟结果可知，春季3月至5月份时安装倾角为25°时，可获得最大发电量为49．36 MWh；夏季6至8月份安装倾角采用15°时，屋顶光伏系统发电量最大为44．44 MWh；秋季为9月至11月份，当安装倾角为40°时可取得最大发电量32．58 MWh；12月至次年2月，光伏板安装倾角为60°时取得最大发电量41．77 MWh，这也符合夏季倾角越小发电量越大、冬季倾角越大发电量越大的规律。虽夏季太阳辐射量是最大的，但春季总发电量却高于夏季，占全年发电比例38．5%，这是由于夏季光伏组件表面温度过高，影响了发电效率。由此可见光伏板安装倾角会对光伏系统发电量产生较大影响，采用最佳的安装倾角可获得最大发电量。

图5是蒙商银行屋顶光伏的全年发电量与光伏板安装倾角的关系，由模拟结果显示，在全年辐照条件下，改变光伏板安装角度，可知在安装倾角为35°时，取得最大全年发电量162．3 MWh，相比于0°安装倾角得到的全年最小发电量139．0 MWh，采用35°安装倾角可使全年发电量提高16．3%。蒙商银行屋顶光伏系统的安装倾角为35°，模拟结果与实际相吻合，证明了模型的准确性。

2.2.2积灰量对发电系统的影响

包头位于内蒙古自治区，具有典型的北方城市特点［6］。浮尘、沙尘等会造成光伏电池板表面积灰，从而影响光伏发电性能。从本质上，表面积灰阻碍了光伏电池接收太阳辐照，这是造成发电量减少的根本原因，而且积灰影响散热，对光电转化效率有一定影响。因全国各城市所处地域不同、空气悬浮物、降水、湿度、风速均有差异［7］，且积灰量与光伏表面材料、光伏板安装倾角均有关系，故各地对于清洁方案、清洁周期的安排均有不同［8］。积灰对光伏组件表面透过率影响最为明显的是在积灰开始阶段，之后积灰对光伏组件表面透过率的影响减小，呈现出对数增长的形式。当积灰面板相对于清洁面板分别进行每周、每月和季度清洁时，相对效率也会下降到超过7%、20%和79%，清除积灰工作需要考虑科学清洁及安排合理周期性等影响成本的因素，因此探究积灰量与发电量的关系，在合理的时间段对灰尘进行高效清理具有重要意义［9］。

积灰量对太阳辐照的透过率可用以下公式表示：

其中：

tran表示辐照透过率，dust表示积灰量，tranclean是理想情况下的透过率（取典型值0．95），erf为误差函数。取屋顶光伏安装倾角为35°，外立面光伏安装倾角为90°，参考典型积灰区间，对积灰量0～4 g/m2进行分别计算，太阳透过率变化如图6所示。

图6 太阳透过率与积灰量关系

随着积灰量增多，光伏电池板的太阳辐照率显著降低。相比于洁净的光伏电池板（0 g/m2）太阳透过率为100%，而积灰量在4 g/m2时辐照透过率仅为8%，辐照透过率下降了19．4%，这会严重影响光伏系统发电量。在全年的光伏发电量计算中，积灰问题的影响也不容忽视。

图7是不同积灰量下的光伏系统全年发电量变化。结果显示积灰量增加时无论是屋顶光伏还是外立面光伏，发电量皆有显著降低。相比于洁净的光伏电池板（0 g/m2），积灰量在4 g/m2时，屋顶光伏发电量下降了30 MWh，直接造成18．4%损耗，而外立面光伏下降了50 MWh，发电量下降18．5%。屋顶光伏系统和外立面光伏系统发电量均受积灰量影响，故需要在考虑经济条件下安排合理的清洁方案及清洁周期。

图7 积灰量对光伏系统全年发电量的影响

3 蒙商银行光伏系统能耗分析及节能效果综合评价

利用eQUEST能耗模拟软件对A座建筑物和B座建筑物安装光伏系统前后冷负荷和能耗进行动态模拟，通过制热季、制冷季、建筑负荷及能耗数据说明蒙商银行光伏系统的降耗增益性。

3.1 制冷季能耗分析

制冷季时间段为6月1日至9月15日，共2 568 h。冷负荷模拟结果如表1所示，未安装光伏组件前，项目总冷负荷为9 846．09 MWh。安装光伏组件后，本项目总冷负荷为9 504．08 MWh。可见建筑立面安装光伏组件后，可以起到部分遮阳作用，减少太阳入射到室内的得热，同时降低围护结构得热，进而减少项目冷负荷，冷负荷减少比例为3．47%，导出两种情况下制冷季空调冷负荷逐时变化情况，如图8所示。

结合项目负荷情况，参考相同容量机组EER［10］（制冷机组能效比，EER=制冷量/制冷消耗功率），同时考虑本项目一定运行时间后，换热器有污垢，模拟时将EER假定为3．7。经模拟分析得到整个建筑项目安装光伏组件前制冷季总制冷能耗为5 549．81 MWh，安装光伏组件后整个制冷季总制冷能耗为5 309．54 MWh，可见安装光伏组件后，整个建筑项目制冷能耗降低，能耗降低比例为4．33%，图9显示安装光伏组件前后本项目逐时制冷能耗。

3.2 制热季能耗分析

制热季同样对两种情况进行对比分析，制热季时间段为10月15日至次年4月15日。热负荷模拟结果如表2所示。未安装光伏组件前，项目总热负荷为33 437．68 MWh。安装光伏组件后，项目总热负荷为33 488．55 MWh。与制冷季相反，由于外立面安装光伏板阻挡了室内太阳得热，故增加了室内热负荷，热负荷增加率为0．15%。另外，两种情况下制热季采暖热负荷逐时变化情况如图10所示。

工况未安装光伏板安装光伏板后建筑裙楼与A栋B栋裙楼与A栋B栋总冷负荷MWh 9 309．21 536．87 8 967．21 536．87峰值冷负荷kW 10 167．02 618．29 9 836．56 618．29峰值冷负荷指标kW/m2 71．17 93．44 68．86 93．44

图8 制冷季蒙商银行项目逐时冷负荷分析

图9 制冷季蒙商银行项目逐时制冷能耗分析

工况未安装光伏板安装光伏板后建筑裙楼与A栋B栋裙楼与A栋B栋总热负荷MWh 31 625．54 1 812．14 31 676．41 1 812．14峰值热负荷kW 14 432．48 809．25 14 428．11 809．25峰值热负荷指标kW/m2 101．029 122．3 100．99 122．3

结合项目负荷情况和相关同等容量机组制热能耗比，同时考虑一定运行时间后，换热器有污垢，模拟时将COP（制热机组能效比，COP=制热量/制热消耗功率）假定为3．7。图11显示安装光伏组件前后本项目逐时制热能耗，经模拟分析得到本项目安装光伏组件前整个制热季总热能耗为15 106．06 MWh，安装光伏组件后整个制热季总制热能耗为15 116．44 MWh，制热能耗增加比例为0．69%。可见安装光伏组件后，整个项目制热能耗略有升高，但相较于制冷能耗变化较小。

3.3 过渡季及其他能耗分析

采用相同的方法对过渡季负荷和能耗进行模拟分析，过渡季时间段为4月16日至5月31日（共1 104 h）及9月16日至10月14日（共696 h）。过渡季两个时间段在工作时间8:00-18:00内主要为冷负荷，热负荷主要出现在非工作时间，此时不需要运行机组。故过渡季仅考虑制冷能耗。可见在过渡季安装光伏板后对项目逐时能耗降低较为明显。过渡季安装光伏板前总制冷能耗为665．26 MWh，安装光伏板后制冷能耗为365．68 MWh。使制冷能耗减少299．58 MWh，减少比率为45．03%。

图10 制热季蒙商银行项目逐时热负荷分析

图11 制热季蒙商银行项目逐时制热能耗分析

建筑用能除制冷和制热能耗外，照明能耗和室内设备能耗占建筑能耗的另一大部分，本能耗模拟对项目全年建筑照明和设备用能进行逐时模拟，结果见表3所示，全年照明能耗为4 251．89 MWh，全年室内设备能耗为8 033．63 MWh。

表3 建筑照明及设备逐时负荷模拟结果

通过采用eQUEST能耗模拟软件对整个项目建立能耗模拟模型，并对各个季节段进行逐时负荷和能耗模拟分析。由分析结果可知，由于在A座楼层外立面安装光伏板，使整个建筑制冷能耗由5 549．81 MWh降低至5 309．54 MWh，制冷能耗减小了240．27 MWh，降低比例为8．69%。整个项目制热能耗有所增加，由15 106．06 MWh增加到15 116．44 MWh，增加量为10．38 MWh，但相较于制冷能耗的减少，增加量很小。在过渡季共降低能耗299．58 MWh，共计使全年能耗降低529．47 MWh。建筑全年运行阶段安装光伏系统不仅可以降低建筑能耗，还可以产能，产生的能量自用，制冷季光伏系统产生162．76 MWh，占建筑能耗整体的1．8%。在制热季产能257．59 MWh，占建筑整体能量需求的1．2%。综上，安装光伏系统后不仅可以降低建筑负荷，产生的能量还可以供给建筑用能，起到产能与降耗双重作用。

4 蒙商银行光伏系统节能综合效益评价

4.1 建筑光伏系统净现值

光伏建筑一体化系统的经济性评价一般采用单位度电成本、净现值和投资回收期来衡量，其中度电成本计算方法如公式（4．1）所示。

其中：

C：度电成本（元/kWh）；

P：光伏系统装机容量（kWh）；

n：项目25年寿命期（年）；

i：折现率，取8%；根据包头市近年市场利率确定，估计资产未来现金流量现值时取单一折现率8%；

Q：年均发电量（kWh）；

M：年运维费用（元）；

代入具体数值求得本项目光伏系统光伏度电成本C为0．27元/kWh。

根据上节数据用电需求和电能产出对比分析得知，项目光伏系统的发电量不能满足建筑本身用电需求，蒙商银行建筑光伏系统年经济收益计算如公式（4．2）所示。

其中：

S：光伏系统当年经济效益；

Q：光伏系统年发电量（kWh）；

P：工商业电价（元/kWh）；

B：国家财政补贴（元/kWh）。

根据2020年国家发展改革委印发《关于2020年光伏发电上网电价政策有关事项的通知》规定，采用“自发自用、余量上网”模式的工商业分布式光伏发电项目，全发电量补贴标准调整为0．05元/kWh；采用“全额上网”模式的工商业分布式光伏发电项目，按所在资源区集中式光伏电站指导价执行。能源主管部门统一实行市场竞争方式配置的所有工商业分布式项目，市场竞争形成的价格不得超过所在资源区指导价，且补贴标准不 得超 过0．05元/kWh。则计 算中B取 值为0．05元/kWh。

根据内蒙古自治区发展改革委员会2021年2月4日内发改价费字115号文件，内蒙古工商业电价实行降价措施，降价后一般工商业目录电价为每千瓦时不满1 kV 0．559 2元、1～10 kV 0．521 7元、35～110 kV 0．483 7元，项目为0．521 7元/kWh。

代入具体数值求得本项目光伏系统年经济效益S为25．12万元。

项目按光伏系统25年生命周期进行计算，则25年生命周期经济效益折现值计算方法如公式（4．3）所示。

其中：

PVS：生命周期经济效益折现值。

代入具体数值求得本项目光伏系统生命周期经济效益折现值PVS为268．17万元。

蒙商银行建筑光伏系统年均发电量为439 429．33 kWh。综上所述，通过计算本项目度电成本价格为0．268元，25年生命周期经济效益折现值为268．17万元，年经济收益为25．12万元。

4.2 蒙商银行建筑光伏系统环境效益评价

在25年整个生命周期内的总发电量为1 098．57万kWh，则蒙商银行建筑光伏系统在其寿命期可节约3 306．49 tce。根据国家发展和改革委员会应对气候变化于2019年发布的《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》中查阅东北区域电网CO2排放因子为0．941 9 t/MWh。根据中国电力企业联合会2016年发布的数据可知，我国燃煤发电SO2减排因子为2．56 g/kWh，NOx减排因子为1．47 g/kWh，烟尘减排因子为0．23 g/kWh。因此根据上述指标，得到蒙商银行建筑光伏系统整个生命周期内各污染物减排量如表4所示。

表4 蒙商银行建筑光伏系统25年污染物减排量

由于污染物对环境造成的污染程度不同，处理污染物的费用也会产生差异，因此不同污染物的环境价值也不同。NOx的环境价值为29．45元/kg，CO2的环境价值为0．06元/kg，SO2的环境价值为10．91元/kg，粉尘的环境价值为8．72元/kg。蒙商银行光伏系统每年节约132．26 tce，代入数值得系统每年环境效益为39 643．13元，每发出1 kWh的电即产生0．09元的环境效益。生命周期内可节约3 306．485 tce，减少SO2排放28 105．12 kg，减 少NOx排 放16 147．95 kg，减 少 烟 尘 排放2 526．55 kg。可见建筑光伏系统具有较大的节能潜力和环境友好性，但还需进一步完善政策支持和技术发展［11］，完善整个光伏建筑一体化产业链，以进一步降低光伏发电成本。

5 结论

创建模型求取了蒙商银行光伏系统全年发电量，并在此基础上对影响光伏发电的主要因素安装角度和积灰量作了深入探讨，得到如下结论：夏季屋顶光伏板安装倾角越小发电量越大，冬季则是安装倾角越大发电量越大，春夏秋冬各季节最佳安装倾角分别为25°、15°、45°、60°；表面有灰尘的光伏板发电量会明显下降，当积灰量达到4 g/m2时，辐照透过率为80．6%，使屋顶光伏系统和外立面光伏系统全年发电量分别下降18．4%和18．5%。对蒙商银行光伏系统全年能耗进行模拟，并在此基础上对节能效果进行综合评价，得出公共建筑光伏系统具有良好的经济及社会效益的结论。

随着智能电网技术的发展，太阳能等清洁能源越来越受到重视,探讨的太阳能光伏建筑能效影响因素及节能综合效益评价方法，对于光伏建筑一体化的推广、光伏产业政策的制定及可再生能源在建筑上的应用具有一定的意义。