探索数字化设计之路 打造绿色节能项目

随着设计技术的不断发展，对设计精度、设计效率的要求不断提高，数字化设计已经广泛运用到各个领域，成为国内外高水平工程公司在工程设计、工程管理及实施阶段的重要辅助手段。结合南昌市机关事务管理局市委、市政府屋顶分布式光伏发电项目（以下简称本工程），本文基于该工程实例，探讨了数字化设计技术在屋顶光伏发电项目的应用与研究。

本工程由江西省电力设计院投资建设，在屋面上安装1140块265Wp太阳能电池组件，总安装容量302.1kWp。整体工程仅占用南昌市委办公大楼及市政府大楼屋面空间，项目总建设工期3个月。

数字化设计打造低碳绿色项目

总体数字化设计平台架构。数字化设计平台以Bentley公司MicroStation为基础设计平台，上面架构电气、土建专业设计平台，实现多专业工程分析、计算及数字化设计协同。通过ProjectWise文件管理协同平台，同时融合Bentley设计平台及光伏系统设计软件PVsyst。

光伏发电数字化设计平台结构如图1 。

该数字化设计平台是专门针对光伏发电工程各个专业选取的系列软件而构架的，此平台在屋顶光伏电站工程领域具有普遍适用性。本工程依托三维数字化设计平台进行数字化设计及管理，参与的专业包括电气、结构、建筑。数字化设计贯穿了初步设计、施工图、竣工图等阶段，在施工建造中也得到了广泛应用。

根据收集到的南昌站1994—2013年逐月实际太阳能辐射总量求出南昌站代表年各月太阳能辐射总量。根据当地气象参数，计算出最佳倾角、首年发电量计算、25年发电量、节能减排等光伏系统设计参数。

图1

表1 PVsyst软件计算不同倾斜面上年均太阳能辐照量

表2

根据国际上公认的PVsyst软件计算倾斜面上月平均太阳辐照量的方法，计算出不同倾斜面上的年平均太阳辐照量进行比较，得出倾角在23°时可获得最大的太阳辐照量，见表1。

根据《光伏发电站设计规范》中提供南昌地区并网系统光伏电站中光伏阵列最佳倾角参考值22.67°，逆变器最佳输入电压以及电池板工作环境等因素进行修正后，同时考虑市委市政府大楼屋面区域限制，本工程采用20°倾角固定式安装方式。

根据计算结果，及本项目工程特点，得出最佳系统设计方案，多晶硅太阳能电池组件的串联方式为20块/串。可得出发电量计算结果如表2。

在屋面光伏电站设计过程中，光伏阵列一般根据建筑物朝向,并按最佳倾角布置，在实际工程中由于市政市委楼建筑造型相对复杂，该工程被严格要求不能影响建筑物原本美观。本工程作为“低碳绿色能源示范基地”，要求设计、施工都必须遵循绿色节能等要求，故采用三维数字化设计模拟仿真实际情况布置光伏板的设计，在设计中利用太阳能电池板安装角度、建筑物遮挡、光照三个因素检测光伏整列布置的合理性。

在三维软件MicroStation中设置工程地点经纬度，选择当地冬至日（每年12月22日为冬至日，为全年光照效果最弱日）作为模拟光照条件。根据《光伏发电站设计规范》中计算模型：如图2。

计算公式如下：

式中：

φ为纬度(在北半球为正、南半球为负)，项目所在地场址纬度为北纬28.6842°；H为光伏方阵阵列或遮挡物与可能被遮挡组件底边高度差。对于单排竖拼的组件阵列，多晶硅组件支架宽度为3.32m，当倾角为20°时，H=0.564m，计算求得D=2.536m，前后排间距0.986m。

图3

图3为软件模拟光影效果与公式计算结果比对：

根据比较可知，三维软件MicroStation的光影模拟效果是有正确的实际指导意义，根据计算结果，设计方案定为太阳能电池板前后排组件阵列间距设计为1.1m。利用Substation布置出太阳能电池板三维模型，可模拟该工程整个屋面在全年任意时刻的光影效果。搭建市政楼及市委楼周围环境模型，较真实的模拟出周围建筑物、市政楼市委楼本身建筑造型在当地冬至日内对屋面太阳能电池板的光影遮挡效果，如图4所示。

模拟结论得出市委楼在冬至日上午9点到11点太阳能电池板局部会被遮挡，但11点到下午5点可被太阳光充分照射，满足光伏电站设计规定需求：每两列组件之间的间距设置必须保证在太阳高度角最低的冬至日时，所有太阳能电池仍有6小时以上的日照时间。利用三维手段，结合工程周围环境、光照条件、仿真模拟，通过布置、校核、修改、验证最终得到最优化、最合理的布置方案。

电气设计方面，本工程电气设计主要内容为光伏电站电缆敷设设计。利用电缆通道设计软件BRCM，BRCM软件提供了托盘式、梯式、槽盒式多种类型的桥架，建立屋面电缆通道。导入电缆列表及设备列表，“采用最优路径法”自动计算电缆长度，模拟敷设电缆，查看电缆敷设拓扑图；还可查看每段桥架的拥堵情况及敷设信息作为参考依据，便于设计人员检查电缆敷设的合理性，及时调整电缆的敷设路径及桥架的用量情况。自动生成电缆清册、材料表，通过剖切电缆通道三维布置模型图，得到所需施工图纸。

图4

宣传方案设计方面，本工程作为“低碳绿色能源示范基地”也是江西省电力设计院自己投资建设项目，为了提升中国电力建设（股份）集团公司、江西省电力设计院设计-施工一体化综合实力形象，江西省电力设计院为该工程设计形象宣传方案。

图5 南昌市市委楼屋顶光伏展示效果图

图6 顶光伏展示效果图顶视图

图7 屋顶光伏展示板轴侧图

图8 屋顶光伏展示板正视图

图9 屋顶光伏通道展示顶视图

江西省电力设计院在不破坏市政楼、市委楼原本外观的情况下，利用三维数字化设计作出宣传方案，在已经设计完的光伏电站模型基础上，增加宣传logo模型、宣传样板模型及宣传通道模型，经过MicroStation渲染，真实模拟效果。经过多方案比对，最终确定如下方案图5～图9所示。

数字化设计指导施工

可移动端指导施工。针对工程较隐蔽处，传统二维图纸很难表示的地方，可做深度、精细的模型大样，发布成各种展现格式如二维图纸、三维PDF、移动设备可读取的i-model，可以从不同视角展示设计成果，形象直观，解决施工单位看不懂图纸或看图困难、在工程交流解释不清的问题，在工程实践过程中实用高效。

本工程宣传设计方案确定后，其三维效果可直接提供给制作厂家，排除了沟通误区，简洁方便快速地让最终成品达到预期效果，缩短了时间、降低了成本，有助于提升设计院形象并扩大了影响范围。

基于本工程的数字化设计运用，总结出Bentley三维数字化设计平台，在光伏发电工程中可真实的模拟太阳能电池板在当地任意时间点的光照效果，对光伏板的光影分析有相当直观的指导意义，并可作为检验方案可行性的效果模拟，有相当的价值。但是Bentley三维数字化设计平台，缺少系统设计方案中所需的计算功能，在系统设计环节中不能提供良好的设计意见。由于软件无法实现光伏板批量化自动布置，针对屋面光伏点来说该功能缺陷还不是很明显，但是很难运用到山地光伏工程，大大地限制了工程类型运用范围。

数字化设计方式以强大的数据库支撑，采用三维直观的空间表现形式，统一的工程设计环境，高效地完成多专业协同设计。相较于传统二维设计，数字化设计尺寸更加准确，工程量统计更加精准，利用三维模型提高设计的合理性，三维环境的真实模拟，准确有效地指导设计方案的调整。数字化设计应该结合多平台优势，互补互融，达到工程设计方案最优。