太阳能光伏发电系统在某办公建筑上的应用分析

（安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

近年来，随着清洁能源和绿色建筑理念在建筑行业的推广，太阳能建筑一体化得到越来越多的实际应用，建筑一体化需要建筑设计师根据建筑功能，把太阳能利用结合建筑环境进行总体设计，将建筑、设备和美学相融合，使其成为建筑本体有机的一部分，降低传统太阳能作为附属设施对建筑形象的影响。

1 项目概况

近年来，合肥市主管部门颁布了一系列政策推广应用太阳能光伏、太阳能光热以及地源热泵等可再生能源与建筑一体化应用技术，主要有以下相关政策。《合肥市促进建筑节能发展若干规定》（市政府令第160号）、《关于加强新建民用建筑设计方案建筑节能管理工作的通知》（合规[2014]129号）规定：新建建筑面积在一万平方米以上的公共建筑应当至少利用一种可再生能源。《合肥市绿色建筑发展条例》规定：新建的公共机构办公建筑以及建筑面积达到一万平方米以上的其他公共建筑，应当统一设计并安装一种以上与建筑能耗水平相适应的可再生能源利用系统。

本文研究对象为一栋新建单体办公楼，位于安徽省合肥市，建筑面积27832.23m，地上建筑面积约21925.77m，地下建筑面积约5903.46m。地上23层，地下2层。项目已成功获得三星级绿色建筑设计标识证书。根据合肥市政策要求，本项目应当至少利用一种可再生能源。

可再生能源方案比较 表1

本案办公大楼综合权衡设计方案、项目实际应用需求以及成本等因素，项目的可再生能源应用形式最终选择为太阳能光伏发电系统。

2 合肥地区太阳能资源及光伏板适宜安装间距

合肥市属于太阳能资源Ⅲ类地区，合肥地区多年平均日照数在2100h左右，日照百分率为48%。年太阳辐射量平均值为4444.91MJ/m，最高年份辐射量达到5000MJ/m，部分年份低于4200MJ/m。

为保证冬至日 9：00～15：00 期间前排光伏组件不遮挡后排光伏组件，依据《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》（JGJ203-2010）的规定，通过对光伏组件进行遮挡分析，本地区光伏组件的最小间距建议为1400mm。

3 太阳能光伏系统方案设计

3.1 光伏板位置选择

本次研究对象办公楼屋面设计为屋顶绿化，结合园林小品形成了屋顶花园，为办公人员创造新的交流活动空间，也增强了屋面的保温隔热、隔声减震效果。

由于屋面已被屋顶花园的设计利用，最终设计将光伏系统组件架高铺设，形成屋顶构架。一方面光伏板因此获得最优的太阳能日照资源，无女儿墙等构架的遮挡影响，另一方面使得下部屋顶花园形成一个遮阴场所，有利于人员的活动交流。

图1 屋顶光伏板与屋顶花园结合实景

3.2 光伏系统方案及容量设计

屋面光伏组件采用260Wp多晶硅电池组件，共安装组件240块，光伏面积约380㎡，总装机容量62.4kW。组件采用20块一串，共计12串分别接入两个SG30KTL-M组串式逆变器中，每个逆变器接入6串，即62.4kW光伏电站由2个31.2kW方阵组成，分别通过2个SG30KTL-M逆变器接入光伏配电柜，光伏电站交流出线接入大楼低压配电室160A备用开关上。

根据光伏板面积、逆变器组串形式及光伏系统装机容量，光伏系统用户侧低压接入配电网后在联合市政供电的基础上协同给办公楼的公共区域照明、景观照明供电。

图2 光伏支架预埋件平面布置图

光伏组件南向安装，水平安装角度15°，考虑阴影遮挡作用，前后排阵列之间留1.8m间距，光伏系统屋顶构架与建筑一体化设计，预埋构架，详见图3。

图3 光伏组件支架剖面图

3.3 光伏系统发电量分析

E=Q·A·η·η

式中：E—光伏系统年发电量，kW·h

Q—纬度倾角平面年总辐射量，205.94kW·h/m

A—光伏板面积，m

η—光电转换效率，取15%

η—综合发电效率，取80%

则光伏系统理论年总发电量为54990.86kW·h。本项目光伏系统实际发电量统计如表2所示，2018年12月到2019年11月光伏系统年发电量为56603.7kW·h，可见理论发电量与实际发电量是较为吻合的。

图4 光伏系统月发电量

由发电量统计数据可以看出，6-8月为光伏系统发电的高峰期，1-2月和12月光伏系统发电量较低，主要由于冬季太阳辐射量减弱导致光伏系统发电效率较低。

绿色建筑评价时，由可再生能源提供电量比例是一项重要评价内容。数据统计期间，大楼入住率约为50%。由表2分析可知，7-8月为空调开启高峰期，也是光伏系统发电量较高月份，光伏系统发电量占大楼总用电量的比例约为7%；9月份过渡季节空调系统部分关闭，相比8月份用电量下降幅度达到40%，光伏系统发电量占大楼总用电量的比例达到10.64%；10月份由于涉及国庆放假，大楼用电量比9月份下降幅度约为38%，光伏系统发电量比例也下降了25%，光伏系统发电量占大楼总用电量的比例达到12.77%；光伏系统发电量最低月份为12月，光伏系统发电量占大楼总用电量的比例为2.71%。因此光伏发电量占实际用电量的比例与光伏系统装机容量、太阳能辐射量、光伏板发电效率和建筑入住率等因素均有较密切关系。

光伏系统发电量统计表 表2

4 效益分析

4.1 环境效益分析

Q=D·E

式中：Q—光伏系统发电量对应的常规能源代量，kg标准煤

D—每度电折合所耗标准煤量，根据上年火电耗煤水平确定，取0.36kg/kW·h

E—光伏系统年发电量，kW·h

本案光伏系统常规能源替代量为20377.33 kgce，可实现年减排二氧化碳50.33t/年，年减排二氧化硫0.41t/年，年减排粉尘0.20t/年。

4.2 经济效益分析

本项目总装机功率62.4kW，实际年发电量为5.66万kW·h。该项目太阳能光伏发电系统总投资见表3。经济效益分析计算时电价取1.4元/kW·h，系统年发电效率衰减值取0.4%，通货膨胀率取0.4%，则7年可回收成本，具有良好的经济效益，本项目经济分析可行。

太阳能光伏发电系统投资预算表 表3

5 结论

在绿色建筑评价过程中，太阳能光伏技术是实现可再生能源利用的重要形式之一。通过本办公建筑应用案例的分析可知，太阳能光伏系统在本地区的应用是可行的，可有效地代替传统能源为建筑提供部分清洁电能，有效地减少二氧化碳、二氧化硫及粉尘等污染物的排放，同时与建筑一体化设计，结合建筑屋顶花园形成一个遮阴空间，实现建筑、设备和美学有机融合。