“双碳”目标背景下某综合体项目电气设计

李 亚 芬

[迈进工程设计咨询(上海)有限公司, 上海 200235]

0 引 言

基于全球变暖对人类及其他生物生存环境造成的不利影响,低碳环保的理念越来越为大家所认可。在2020年的第75届联合国大会上,中国政府提出了力争于2030年前达到CO2排放峰值,努力争取2060年前实现碳中和的发展目标。

清华大学气候变化与可持续发展研究院编制的《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》报告中指出:在2015年度,我国终端能源消费中电力消费的比例为21.3%,到2030年将会超过30%,而2050 年这个比例将达到70% 以上[1]。

2018年度所有终端能耗中建筑部门的能耗约占20%,这一比例呈逐年增加的趋势。我国电力供应主要来自火力发电,建筑中采用绿色清洁的电力将对减少CO2的排放发挥重要的作用。

建筑领域的低碳化转型途径可以概括为开源与节流两个方面。“开源”即通过发展可再生能源网络,“节流”即通过计量、能耗分析、自动控制等方式节约电力能耗。本文以上海地区某综合体项目为例,对相关电气设计进行分析。

1 光伏发电

国家能源局最新数据显示,国内光伏发电装机总量已达到4.7亿kW,位居全球第一。国家及各地相继出台了各类政策及规范,极大推动了建筑领域分布式光伏发电的发展[2]。上海市发展和改革委员会于2022年8月印发了《上海市能源电力领域碳达峰实施方案》的通知,通知规定“新建公共建筑、住宅屋顶安装光伏面积不低于30%”。

1.1 太阳能资源分布

中国是一个太阳能资源较丰富的国家,超过2/3地区年日照时数大于2 000 h[3]。相较而言上海地区光照强度较弱,根据中国气象局发布的《2022年中国风能太阳能资源年景公报》数据显示,上海固定式光伏发电首年利用小时数在1 201～1 300 h,最佳斜面总辐照量平均值为1 561.1 kWh/m2,水平面总辐照量平均值为1 448.5 kWh/m2。

1.2 光伏组件

目前建筑行业中光伏组件种类繁多,主流类型大体分为单晶硅、多晶硅及薄膜,其中薄膜光伏板包含非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等多种材质。综合多个厂家资料,3种材料主要特性对比如表1所示。

表1 3种材料主要特性对比

目前市场主流以单晶硅光伏板为主,市场占有率超过80%。在屋顶安装空间不足,且对外立面造型及采光性能有要求时,可选择薄膜光伏板,但相应造价较高。

本项目为上海地区商业、办公综合性项目,总建筑面积约25万m2,包含5幢塔楼及局部裙房,屋顶面积约15 000 m2。按上海地方要求,光伏设置面积为30%屋顶面积,屋面设置光伏即需设置4 500 m2光伏板,如立面安装光伏系统需设置7 500 m2光伏安装面积。塔楼屋面预留有光伏设备布置空间,且室内为办公室,对幕墙采光性有一定要求,综合考虑下选择单晶硅光伏板作为本项目光伏系统组件。

1.3 光伏组件安装

光伏系统组件安装可分为安装型光伏建筑(BAPV)与构建型光伏建筑(BIPV)两种形式。BAPV是指光伏组件附着在建筑物上,与建筑本体相对独立存在。目前常见的屋顶设置基础及钢架构用于敷设太阳能电池板就是BAPV形式。而BIPV指光伏组件本身即为建筑物的一部分,与建筑集成一体。BIPV常见形式有光伏瓦片、光伏幕墙和光伏采光顶[4]。

上海地区纬度31°17′,并网系统推荐倾角为24°17′,独立系统推荐倾角为34°17′。

本项目光伏板尺寸为2 278 mm×1 134 mm×35 mm(长×宽×厚),均安装于塔楼屋顶区域,屋顶为混凝土平屋顶,结构预先设置混凝土支墩,于支墩上设置支架、檩条供光伏阵列倾斜安装。光伏组件安装大样图如图1所示。

图1 光伏组件安装大样图

为避免倾斜安装时前排光伏组件对后排光伏组件造成遮挡,影响发电效率,光伏组件安装需满足最小间距要求。光伏阵列安装间距示意图如图2所示。

图2 光伏阵列安装间距示意图

参考GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中7.2.2条文说明计算方法[5]:

(1)

式中:D——两排阵列间距离;L——阵列倾斜面长度;β——阵列倾斜角,即24°17′;φ——当地纬度,即31°17′。

代入本项目数据求得D=3 863 mm,故本项目屋顶光伏阵列间距不得小于3 863 mm。

实际项目中不时遇到管道、风机、冷却塔、水箱等设备遍布屋顶的情况。此种情况下屋顶无空余空间用来安装光伏板,可采用光伏组件架空高位安装的方式。架高安装多采用平铺组件方式,因为倾斜安装增加了设备高度,不利于建筑外观;此外考虑塔楼屋顶风势较大,倾斜安装恐风力掀起光伏板,影响人员及设备安全。

1.4 供配电设计

光伏发电系统可分为独立系统及并网系统,独立光伏发电系统应配置储能装置。按单晶硅光伏板考虑,每1 W光伏组件、支架及其逆变器等设备建造成本约5元,而1 Wh储能装置的建造成本就达到了约1元。考虑项目为商业、办公业态,光伏组件产生电能的时间段与项目本身用电高峰段时间相近,故本项目选择并网系统,自发自用,余电上网。本项目光伏板分散设置于各塔楼屋顶,采用分布式并网方式,即分别由各屋顶光伏板通过馈电设备就近并网接驳于各用电负载的载体上。选择顶层租户母线出口的楼层租户电表箱作为就近并网点,光伏并网点示意图如图3所示。

图3 光伏并网点示意图

1.5 光伏系统发电量

光伏发电系统电量预测有条件的情况可由PVsyst等专业软件进行模拟计算,本文仅按公式法对发电量做简略估算。参考GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中第6.2.2条计算方法。光伏系统上网发电量Ep可按下式计算[5]:

(2)

式中:Ep——上网发电量;HA——水平面太阳能总辐照量(峰值小时数);

ES——标准条件下的辐照度(取1 kWh/m2);

PAZ——光伏组件安装容量;

K——综合效率系数,取0.8。

本项目光伏板安装总容量为600 kW,上海地区水平面总辐照量平均值为1 448.5 kWh/m2,代入求得年发电量为69.5万kWh。按0.7元/kWh,本项目光伏1年可节约48.65万元,光伏系统建设成本约300万,回本期约6年。相较于光伏系统25年的使用周期,光伏系统的建设不仅有利于国家碳中和的政策发展,也对建设方具有长期盈利效益。

2 楼宇自控与能耗管理

建筑电气的节能主要由选择节能型设备及采用节能运行模式两种途径来实现。本文主要探讨运行模式下的节能方式。

2.1 照明系统控制

本项目不同功能区照明系统采用了不同的控制方式。办公室、大堂等具备自然光照条件的区域,设置照度感应器控制室内照明跟随自然光照度强弱变化自动调节。电梯厅、走道、车库区域分回路设置照明灯具,接入楼宇自控系统,由DDC控制器根据设置模式进行分时段开启不同回路照明。楼梯间一般状态下人流较少,其内部照明则采用红外感应控制,仅在有人员通过的情况下点亮。机房、储藏室等物业用房设置就地开关,按需要开启及关闭房间内照明。建筑外墙景观照明则采用智能照明系统控制,可以按时间、环境、节假日等多种场景实现立面照明控制。

2.2 暖通系统控制

暖通空调系统作为建筑能耗的大头,其节能运行对降低建筑碳排放具有重要影响意义。本项目设置冷热源群控系统,通过在管道上设置传感器采集冷热水的供回水温度、压力、流量等参数,由相应算法控制自动开启或关闭水泵、阀门等设备,以此实现满足环境温度的需求并能避免能源的浪费。室内新风系统根据室内CO2浓度自动调节控制送风量,并由供冷、供热工况自动调整送风温度设定值。

2.3 派梯系统

本项目中5幢办公楼客梯采用派梯系统控制,电梯与办公大堂闸机系统进行联动。闸机设置人脸识别、刷卡、二维码读卡装置,人员通过闸机后,根据派梯屏指示前往分配的电梯处等待。该系统通过收集各楼层实际候梯人数及各台电梯所处位置及状态,自动对电梯进行最优化调配,在减少人员等候时间的同时也降低了电梯系统的运行能耗。

3 结 语

本文以上海地区案例为依托,对光伏发电及楼宇自控系统两方面进行分析,探讨了建筑电气设计中降低碳排放的手段。在“双碳”目标的大趋势下,光伏发电不单纯只是一个政策规定,在保护环境的同时这个系统也能为使用方带来切实的收益。楼宇自控系统是建筑物成为智能建筑最重要的一项因素,善用楼宇自控系统既能减少能耗,也能节约人力成本。