碳中和背景下某办公楼建筑电气设计探究

秦国经, 韩银凤, 贾洋洋, 王超楠

(1.中国建筑第八工程局有限公司 西北分公司工程设计研究院, 陕西 西安 710082;2.西安空间无线电技术研究所, 陕西 西安 710010)

0 引 言

2021年10月26日国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》,该方案在“城市建设碳达峰行动”中提到:推广光伏发电与建筑一体化(BIPV)应用、提高建筑终端电气化水平,建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑。到2025年,城镇建筑可再生能源替代率达到8%,新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%。

在新能源占主导地位情况下,建筑电气化是促进建筑领域早日实现“双碳”目标的必要途径。目前,中国建筑领域电气化率为48%,预计2035年达75%,2050年达90%。本文结合实际工程,通过在屋顶设置分布式光伏板、光导管等措施,以减少传统用电。与此同时,设置数字可寻址照明接口(DALI)控制系统,配合照度感应,进一步减少运行过程中的能耗。

1 工程概况

本项目位于陕西省咸阳市,地上建筑面积为11 615 m2,建筑层数为地上4层;建筑高度为23.35 m,为多层公建。建筑功能:第一、第二层为科研办公,第三、第四层为报告厅等。

2 光伏发电系统设计

2.1 “光储直柔”建筑电气系统

光储直柔是在建筑领域应用太阳能光伏、储能、直流配电和柔性交互技术的简称。光储直柔建筑电气系统的最终目标是使建筑用电系统由目前的刚性负载变为柔性负载,可以根据电力系统的供需关系随时调整用电功率,而不取决于当时系统内各用电设备的用电功率。典型“光储直柔”建筑系统接线如图1所示。

图1 典型“光储直柔”建筑系统接线

2.2 “光储直柔”建筑电气系统设计

2.2.1 光伏发电量预测

依据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》[1]中第25.2.4条及条文说明,光伏发电系统的预测发电量可按下式计算:

EP=HA×PA÷Ea×K

(1)

式中:EP——年发电量;

HA——水平年太阳能总辐射量;

PA——光伏组件安装容量;

Ea——标准条件下的辐照量;

K——综合效率系数。

其中,综合效率系数包括光伏组件类型修正系数K1,光伏方阵的倾角、方位角修正系数K2,光伏发电系统可用率K3,光照利用率K4,逆变器效率K5,集电线路损耗K6,升压变压器损耗K7,光伏组件表面污染修正系数K8,光伏组件转换效率修正系数K9。在确定公式中的综合效率系数时,需要考虑光伏组件设置的位置、角度、产品性能参数以及电气系统等诸多因素。在最佳条件下,一般可取0.65～0.85。

国内往往采用公式(1)计算法,这种方法存在着主观性强、误差大、分析不全面等缺点。目前,多采用光伏电计算软件,如PVsystem、RETScreen、PVSOL、Sunny Design、PVF-chart和Conergy等,由于软件自带气象、光伏组件、逆变器等基本数据库,能够较完整地对光伏发电系统进行模拟、计算和数据分析,效果较好。

2.2.2 光伏组件的确定

太阳能电池种类繁多,形式各样,按基体材料分类主要有以下几种:① 硅太阳能电池,如单晶硅、多晶硅、非晶硅电池等。② 化合物半导体太阳电池,主要包括单晶化合物电池,如砷化镓、多晶化合物、碲化镉电池等。③ 有机半导体太阳电池,其中有机半导体主要有分子晶体、电荷转移络合物、高聚物3类。④ 薄膜太阳电池，主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、化合物半导体薄膜电池、纳米晶薄膜电池等。单晶硅和多晶硅电池的主要性能对比如表1所示。

表1 单晶硅和多晶硅电池的主要性能对比

目前,硅太阳能电池因具有较高性价比仍然占据市场主体地位,屋顶、室外雨棚一般考虑采用这种材料。薄膜光伏电池可以与光伏幕墙结合,在立面展示效果好,在建筑光伏一体化设计中,常采用不同材料的薄膜电池配合达到更好的效果。

本项目结合建筑效果,考虑在屋顶采用转化率较高的单晶硅光伏组件,以充分利用有限屋顶,达到最大收益。

2.2.3 光伏发电机组安装规模和发电量

本项目考虑在屋顶安装单晶硅光伏发电机组,光伏组件采用支架固定安装方式。电池组件倾斜面上的总辐射量为倾斜面上的直接辐射量、散射辐射量以及地面反射辐射量之和。依据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》附录B表77-光伏阵列最佳倾角参考值,西安纬度34.3°,斜面日均辐射量为12 952 kJ·m-2,日辐射量为12 781 kJ·m-2,独立系统推荐倾角φ+14°,并网系统推荐倾角φ-5°。单晶硅光伏组件技术规格如表2所示。

表2 单晶硅光伏组件技术规格

本项目位于陕西省咸阳市,2021年,全国太阳能资源总体为偏小年景。陕西省2021年水平面总辐照值为1 321.47 kWh·m-2,固定式发电最佳斜面总辐射量平均值为1 463.73 kWh·m-2。咸阳市经纬度、日均峰值日照时数、最佳倾角、年均发电量如表3所示。

表3 咸阳市经纬度、日均峰值日照时数、最佳倾角、年均发电量

本项目选用单晶硅光伏组件,屋顶光伏发电及配电干线平面图如图2所示。共安装单晶硅光伏组件632块,装机容量为348 kWp。依据表3内容,光伏发电量估算如表4所示。

图2 屋顶光伏发电及配电干线平面图

表4 光伏发电量估算

2.2.4 低压配电系统和节能分析

本项目主要负荷类型为照明、弱电用电、货梯与客梯、空调用电等。其中，二级负荷为236 kW,三级负荷为1 123 kW,消防负荷为166 kW。本项目位于陕西省咸阳市,属于夏热冬冷地区,单位面积能耗约92.8 kWh·m-2。

年均用电量估算如表5所示。此处依据文献[2]的办公能耗数据。

表5 年均用电量估算

对比表4和表5,预估本项目年发电量349 079 kWh,年用电量925 260 kWh。

“光储直柔”建筑光伏发电系统一般采用并网光伏发电系统,减碳手段主要有:① 依据建筑储能系统,将光伏发电装置发出的多余电量储备起来,根据用电需求,随时调节电力供给。② 通过直流电器使用,形成用电柔性度,更大程度使用光伏绿电,实现建筑用电自我调节和自我优化,使建筑成为清洁能源的储存者与调节者。但“光储直柔”系统蓄电设备造价较高,蓄电1 kWh增加造价约1 000元,所以本项目采用并网型太阳能光伏发电系统,自发自用,余电上网,且预留通信接口[2-3]。

2.2.5 系统供配电设计

(1) 光伏汇流箱。为了减少直流线缆,选择KBT-PVX系列光伏接线箱。将光伏组串并联接入接线箱,汇流后通过直流断路器输出,接线箱可同时接入多路光伏组串,每路电流可达11 A。接线箱配有直流、高压防雷器,正、负极都具备双重防雷功能;配有耐高压的直流熔断器、断路器,直流耐压值不低于1 000 V,接线箱防护等级达 IP65,满足室外安装的要求。

(2) 光伏配电柜。选择KBT-PVG/JZ系列光伏交/直流配电柜及开启式双面维护可装设指示仪表,配有断路器、防反二极管、避雷器等电气元件,动热稳定性好,能达到不同工作环境的防护等级。

(3) 配电室。在园区地下一层变配电室室内设置光伏配电柜和并网逆变器等设备。配电室设计要求符合GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》的相关规定。

(4) 光伏发电系统。

① 当光伏发电系统采用非逆流并网时,应配置逆向功率保护装置;当检测到逆向电流超过额定输出的5%时,光伏发电系统应在2 s内停止向电网送电。

② 光伏发电系统应能监测并网点的电能质量参数,光伏发电系统与配电网的开关之间应具有同时切断相导体和中性线导体的功能,应配置防孤岛保护,应配置电能计量装置,应设置警示装置。箱内应设置具有明显断点的隔离开关和断路器。

③ 光伏发电系统总容量不宜超过上一级变压器额定容量的25%;光伏发电系统额定电流与并网点的三相短路电流之比不宜超过10%。

(5) 防雷与接地。

① 光伏汇流箱内应设置限压型电涌保护器。

② 光伏发电系统应设置总等电位联结母排。光伏系统与建筑物 PE 母线可靠联结,系统直流侧采用局部等电位保护。将电气设备外露可导电部分、建筑物金属构件、PE 母线联结后与建筑物总等电位联结,以求最大限度地降低电击的危险,保护光伏系统。

③ 光伏方阵的外露可导电部分及所有防雷器接地端均与建筑物原有的避雷带和防雷接地引下线可靠连接。

3 导光管系统设计

导光管采光系统主要分为:① 室外采光管;② 导光传输区;③ 室外漫射区。本项目导光管安装方式选择直管安装方式。

本项目屋面面积约1 850 m2,屋面至吊顶距离为5.2 m,吊顶距离报告厅室内地面高度为7.15 m。本项目设计光导照明系统选用DS530产品,报告厅0.75 m水平面照度要求300 lx,以此标准进行导光管照明设计。导光管采光系统设计间距8.9 m,经过和室内通风管及其他结构和设备的对图调整后,最终设计布置23套导光管采光系统。

陕西咸阳市属于光气候第Ⅱ区,其地区室外天然光设计照度值ES为16 500 lx。导光管采光系统导光管直径为530 mm,依据《照明设计手册》(第三版)中表5-31,At=0.22 m2。导光管长度约5.5 m,导光管的等效长度M=L/D=5 500/530=10.38。查《照明设计手册》中表5-30可知,导光管反射表为0.99,M=8时,TTE=0.895;M=12时,TTE=0.852,根据内插法计算,M=10.38时,TTE取值为0.869。根据《照明设计手册》中式5-80和制造商数据,τ1=0.87,τ2=0.88,η=τ1×TTE×τ2=0.87×0.869×0.88=0.665 3,即导光管系统效率为0.665 3。依据《照明设计手册》中式5-79,ΦU=ES×At×η=16 500×0.22×0.665 3=2 415 lm,即光通量为2 415 lm。由于报告厅长度43.8 m,进深41.6 m,hX=6.4 m,室空间系数RCR由《照明设计手册》中式5-81得

查《照明设计手册》中表5-27、表5-28可知:CU=0.99,MF取值为0.9。S=1 820 m2

依据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》,27.2 lx照度可按照1 W·m-2的功率密度折算,导光管系统提供的照明功率为1 W·m-2×1 820 m2=1 820 W。年工作时长按2 790 h计算,导光管系统年节约耗电量为1 820 W×2 790 h÷1 000=5 077.8 kWh。

4 DALI智能照明设计

4.1 DALI照明技术

DALI调光系统最大的特点是每个灯具都有独立的地址,通过DALI系统软件可对每个灯具进行精准控制。因每个灯具具有独立地址特性,可实现对同一强电回路灯具、不同强电回路灯具或各回路中的灯具组合进行寻址,实现单独控制、任意分组控制,调控具有非常大的灵活性。用户可根据需求,随心所欲地设计并调节相应的照明方案。

4.2 DALI照明系统设计

本项目的照明分为公共区域照明、科研用房照明、报告厅照明、会议室照明。本文结合实际项目探讨DALI智能照明系统在办公楼上的设计应用,充分发挥DALI调光、调色温的功能进行照明设计。DALI智能照明系统主要设备包括DALI控制器、DALI驱动电源、可调光调色温灯具、DALI控制面板、人员存在与照度感应器、AI语音控制器、触控屏幕。

4.3 色温控制逻辑

一般色温较高,色调越冷(偏冷);色温越低,色调越暖(偏红)。本项目主要为科研用房照明用电,相关色温取3 300～5 300 K,色温特征为中间。人们感觉最舒适的光环境是晴天的自然光,通过观察自然光线的变化可以发现,早晨和傍晚时为暖光,晴天白天时为中性光。DALI系统灯光可通过人体感应方式自动开启或者关闭灯光,也可以通过本地面板实现手动方式开启或关闭灯光。不同的时间段内,控制器按照对应的控制策略执行亮度输出和色温值。

4.4 照明亮度控制逻辑

为了充分利用自然光,在每个公共区域和科研、会议、报告区域均设置有DALI照度感应器。当阴雨天时,无法从室外引入足够的自然光照度,可逐步提高灯具的亮度输出。照度传感器可始终维持正常照度。

4.5 DALI系统节能

通过DALI系统拟合太阳光谱的自然变化过程,可以使办公区域内保持适宜的色温。同时依据室内传感器照度,实时自动调节室内光强度,最大效果地引入室外自然光,降低照明能耗。预估照明传感器与人体感应传感器的结合使用,可有效降低15%的照明能耗。依据表5,本项目年节约照明用电约86 315 kWh。

5 造价增加成本

典型近零能耗建筑设计过程中,高性能外窗的增量成本占比较大,其次是热回收新风机组。而增量经济效益最大的为太阳能光伏系统,其全生命周期经济性较优[4]。增量成本预算如表6所示。

6 结 语

通过上述工程实例,本文从光伏发电系统、光导管、DALI系统几个方面进行分析,通过电气设计最大幅度降低建筑对能源的需要。在建筑节能发展新趋势下,通过被动式设计最大程度地降低负荷,挖掘更多的新型能源技术,完善光伏建筑一体化设计,完善能耗检测、分析、运行的策略,为后来设计者提供有效的设计参考。

表6 增量成本预算