不同气候区建筑可再生能源系统的优化

王金芝，鲁月红，孙瑞瑞，季海霞

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032)

建筑能源消耗，尤其是供热和制冷能耗关系到居民室内热舒适度及大气环境质量，其与室外气象条件关系密切[1-3]。全球气候系统复杂，影响气候变化的因素多，气候变化对建筑能耗的影响受到特别关注[4-6]。为了应对气候变化、污染排放以及建筑能源消耗带来的影响，多数国家一直在努力减少对化石燃料的依赖并出台一系列政策支持可再生能源的发展[7-9]。

近年来，中国重点发展零能耗建筑，大力推广建筑节能技术[10]。魏巍贤等[11]建立可计算的一般均衡(computable general equilibrium，CGE)模型，模拟分析可再生能源电价补贴对可再生能源产业的发展，结果发现可再生能源电价补贴能够促进可再生能源产业的发展，有利于促进改善大气环境，实现经济增长。Cavicchi[12]运用比较分析法对美国可再生能源电力补贴设计方案进行了研究，结果发现:基于生产的补贴方式有利于降低电力批发市场的价格，与为纠正环境外部性而提高市场电价的目标相反；基于发电量补贴的定价方法没有显著降低电价；在设计电价补贴的过程中要着眼于社会福利最大化，重视补贴的成本效益评估。王风云[13]研究了可再生能源定价机制，认为目前缺乏对可再生能源政策实施效果的评估及反馈机制的研究，需建立可再生能源电价补贴调整机制。上述对零能耗建筑可再生能源系统的研究多关注电价补贴对可再生能源发电的影响，极少关注国家政策对不同气候区零能耗建筑中可再生能源系统的影响。因此，文中分析不同气候区建筑能耗，根据不同气候区太阳能和风能资源的分布，针对不同气候区建筑设计合适的可再生能源系统，并对不同补贴额度下的可再生能源系统进行优化。

1 建筑可再生能源系统的优化设计路线

根据《民用建筑热工设计标准》[14](GB/T 50176—2016)，我国将整个建筑热工设计划分为5 个设计分区，分别为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区。考虑不同气候区城市的代表性、典型性以及该地区可再生能源的利用情况，选取夏热冬暖地区(广州)、夏热冬冷地区(上海)、寒冷地区(北京和拉萨)、温和地区(昆明)及严寒地区(哈尔滨、乌鲁木齐)7个城市作为不同气候区的代表。

不同气候区建筑可再生能源系统优化设计路线如图1。收集7个典型城市的气象数据，确定围护结构和室内热源等参数，通过Energy Plus软件模拟计算不同气候区典型城市建筑逐时冷热负荷；分析建筑其他电力能耗(如照明，微波炉等)，得出建筑总能耗；由不同气候区典型城市建筑能耗初步配置不同气候区可再生能源系统(光伏、风力发电机等)，根据建筑用能和产能平衡要求筛选可行的可再生能源系统组合；比较分析标准额度补贴和补贴额度减半对可再生能源系统优化选择的影响，得到不同气候区典型城市经济最优的可再生能源系统。

图1 可再生能源系统优化设计路线Fig.1 Optimal design route of renewable energy system

2 建筑可再生能源系统

2.1 建筑模型

以两层的居住建筑为参考建筑(图2)，南北朝向，建筑高度为3 m，总建筑面积为212.16 m2。该建筑设置有厨房、餐厅、客房、起居室、卧室、书房、卫生间，主要用电设备有照明、电视机、计算机、冰箱、洗衣机、微波炉和电热水器等。其主要电器能耗见表1。根据不同气候区居住建筑节能设计标准[16-19]，确定不同气候区建筑所用围护结构的材质性能及构造方式，结果见表2。

图2 居住建筑模型Fig.2 Model of residential building

表1 居住建筑的主要电器能耗Tab.1 Energy consumption of main electric equipment in residential building

表2 不同气候区建筑物基本参数Tab.2 Basic parameters of buildings in different climate zones

根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》[19]，居住建筑照明功率限值为5 W/m2，设备功率密度统一取7 W/m2，以一家四口为基准，人员热扰设置为0.02人/m2。参考相关居住建筑节能设计标准，确定室内空气新风量为30 m2/(h·人)。因此，建筑的年总能耗可由式(1)计算，其中总能耗包括建筑冷热负荷EHC和家电能耗。

式中:EBEC为建筑总能耗，kWh；EL为照明能耗，kWh；ET为电视机能耗，kWh；EC为计算机能耗，kWh；ER为冰箱能耗，kWh；EWM为洗衣机能耗，kWh；EMO为微波炉能耗，kWh；EWH为电热水器能耗，kWh；i 为第i小时。

2.2 可再生能源系统模型

2.2.1 光伏组件

光伏面板的输出功率PPV和太阳光照强度、环境温度以及当地气候条件密切相关，具有很强的非线性，如式[20-21]

式中:PPV为光伏板的额定容量，表示标准测试条件下电池的输出功率，kW；fPV为光伏板的降额因子，%；HT为光伏板上的太阳辐射强度，kW/m2；HS为标准测试条件下的光照强度，取1 kW/m2；α 为功率的温度系数，%/℃；θC为电池板的工作温度，℃；θC,STC为标准测试条件下电池板的工作温度，25 ℃。光伏组件技术参数如表3[22]。

2.2.2 风力发电机

在风力发电机中，影响风能系统输出的3 个主要因素为空气密度、扫掠面积、风速，其产生的功率PWT可用式(3)[8]计算。

式中:ρ 为空气密度，1.29 kg/m3；A 为扫掠面积m2；v 为风速，m/s；C 为风机性能系数；η 为发电机和风力发电机的组合效率。风力发电机技术参数如表4[22]。

表4 风力发电机技术参数Tab.4 Technical data of wind turbine

2.2.3 风光互补发电系统

光伏面板在太阳光照射下产生直流电，独立风力发电机交流发电，不稳定，一般需要整流。故风力光伏互补发电系统（简称风光互补发电系统）需采用逆变器将直流电转换为交流电，逆变器的安装成本、更换成本及年运营和维护成本分别为4 985，4 985，70 元/kW。假定逆变器的寿命为20 a，转换效率为90%。

风光互补发电系统产生的电量以自发自用为主，多余的电量并入国家电网。我国不同气候区的余电补贴政策不同，根据发改委文件《关于推进电力市场建设的实施意见》和《2018 年度全国电力价格情况监管通报》，统计2018 年不同气候区典型城市的余电补贴，具体如表5。

在并网可再生能源系统中，国家电网被视为具有电池功能，当可再生能源发电不足时，国家电网可向建筑物供电；当可再生能源发电充足且有余量时，可将多余电量售给国家电网。假设建筑年能源平衡，因此设最大购电净额为0 kWh，则建筑1 a 余电量EGrid可由式(4)计算，

表5 不同气候区典型城市的余电补贴Tab.5 Residual subsidies for typical cities in different climate zones

式中:EBEC建筑总耗电量，kWh；EPV为光伏组件发电量，kWh；EWT为风力发电机发电量，kWh；i 为第i 小时。可再生能源系统发电成本T 可由式(5)计算，

式中:TPV为光伏组件发电成本，元/a；TWT为风力发电成本，元/a；T逆变器为逆变器发电成本，元/a；TGrid为余电回收成本，元/a。

3 结果与讨论

3.1 可再生能源分布

根据不同气候区典型城市(北京、广州、哈尔滨、昆明、拉萨、上海和乌鲁木齐)的气象年逐时数据[23]，统计7个典型城市气象年8 760 h的月太阳辐射及月平均风速，结果如图3，4。由图3可看出:拉萨太阳辐射高于其他城市，多数城市最高太阳辐射处于5—9月份，而1，2，11，12月份太阳辐射总量减少；太阳辐射潜力拉萨较大，广州较小。由图4可看出:哈尔滨最大风速为3.81 m/s，上海和乌鲁木齐最大风速分别为3.59，3.16 m/s；昆明和拉萨的全年风速相对较稳定，广州的全年风速比其他城市低且更稳定。

图3 7个城市的的月太阳辐射分布Fig.3 Distribution of monthly solar radiation in seven cities

图4 7个城市的平均月风速分布Fig.4 Distributionofaveragemonthlywindspeedinsevencities

3.2 建筑能耗

采用Energy Plus 软件模拟计算不同气候区典型城市建筑物的能耗，结果如图5，6。由图5 可看出，北京、广州、哈尔滨、昆明、拉萨、上海和乌鲁木齐建筑物最大年能耗分别为14.7，5.1，19.7，4.8，9.3，7.8，19.1 kWh。由于不不同气候区供热和制冷的需求不同，不同气候区建筑物的能耗也不同。由图6可看出:哈尔滨建筑能耗高于其他城市，年能耗达到37 863 kWh，日能耗为103.7 kWh；拉萨和上海建筑能耗相差不大，年能耗分别为13 435.6，12 469.9 kWh，日能耗分别为36.8，34.2 kWh；广州建筑能耗较少，年能耗为6 394.2 kWh，日能耗为17.5 kWh。

综上，不同气候区建筑物年能耗存在差异，应根据所在地区建筑能耗和可再生资源分布，选择合适的可再生能源系统以实现零能耗目标。

3.3 可再生能源系统的成本优化

3.3.1 标准额度补贴对可再生能源系统发电成本的影响

根据北京、广州、哈尔滨、昆明、拉萨、上海和乌鲁木齐7 个典型城市可再生能源分布及其建筑能耗，初步配置不同气候区可再生能源系统为风光互补发电系统。由于可再生能源系统与国家电网连接，根据7个城市的余电补贴(表5)及年建筑能耗(图6)和产能平衡要求，得到标准额度补贴政策下，7个城市经济最优的建筑可再生能源系统，结果如表6。从表6可看出:标准额度补贴政策下，北京、广州、哈尔滨、昆明、拉萨、上海和乌鲁木齐可再生能源系统发电成本T 分别为109 316，49 131，183 831，52 082，80 027，63 559，163 203元/a，7 个城市可再生能源系统T 为49 131～183 831 元/a，哈尔滨的可再生能源系统T 是广州的3.5 倍以上；广州经济最优的可再生能源系统为6 kW 光伏组件、0 kW 风力发电机及2 kW逆变器；哈尔滨经济最优的可再生能源系统为2 kW 光伏组件、35 kW 风力发电机及6 kW 逆变器。这是因为各城市建筑能耗有差异，即哈尔滨的日能耗为103.7 kWh，广州的日能耗为17.5 kWh。

3.3.2 补贴额度减半对可再生能源系统发电成本的影响

随着光伏发电技术进步及国家政策调控的推进，光伏行业市场化导向更明确、补贴退坡信号更清晰。因此，考虑补贴额度减半对可再生能源系统发电成本的影响，结果见表7。由表7 可看出:补贴额度减半政策下，北京、广州、哈尔滨、昆明、拉萨、上海和乌鲁木齐的可再生能源系统T 分别为105 445，45 779，179 957，49 710，76 837，60 678，160 568元/a；广州经济最优的可再生能源系统为6 kW光伏组件、0 kW风力发电机及2 kW逆变器；哈尔滨经济最优的可再生能源系统为2 kW光伏组件、35 kW风力发电机及6 kW逆变器。对比表6，7可看出，补贴额度标准和减半政策下，7个城市可再生能源系统的发电成本T 相差不大，且可再生能源系统的最优配置没有变化。由此表明，补贴额度减半对可再生能源系统发电成本的影响较小，对可再生能源系统成本优化没有影响。

4 结 论

1)不同气候区能源分布差异大，7个典型城市中拉萨太阳能比较丰富而风资源比较匮乏；上海和哈尔滨风资源比较丰富，太阳能资源处于中等水平；广州太阳能和风资源都比较低。

2)不同气候区建筑能耗差异较大，哈尔滨供热需求较大，其建筑日能耗为103.7 kWh，而广州建筑日能耗为17.5 kWh。

3)考虑不同气候区能源分布及建筑能耗差异，基于国家发电补贴政策对可再生能源系统发电成本的影响，设计不同气候区经济最优的可再生能源系统，不同气候区7个典型城市经济最优的建筑可再生能源系统的发电成本为49 131～183 831 元/a，哈尔滨是广州的3.5倍以上。其中:广州经济最优的可再生能源系统为6 kW光伏组件、0 kW风力发电机及2 kW逆变器；哈尔滨经济最优的可再生能源系统为2 kW光伏组件、35 kW风力发电机及6 kW逆变器。

表7 补贴额度减半下7个城市可再生能源系统的发电成本和最优配置Tab.7 Generation cost and optimal allocation of renewable energy systems in seven cities under the halving subsidy