太陽能光伏發電系統在某辦公建筑上的應用分析

（安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

近年來，隨著清潔能源和綠色建筑理念在建筑行業的推廣，太陽能建筑一體化得到越來越多的實際應用，建筑一體化需要建筑設計師根據建筑功能，把太陽能利用結合建筑環境進行總體設計，將建筑、設備和美學相融合，使其成為建筑本體有機的一部分，降低傳統太陽能作為附屬設施對建筑形象的影響。

1 項目概況

近年來，合肥市主管部門頒布了一系列政策推廣應用太陽能光伏、太陽能光熱以及地源熱泵等可再生能源與建筑一體化應用技術，主要有以下相關政策。《合肥市促進建筑節能發展若干規定》（市政府令第160號）、《關于加強新建民用建筑設計方案建筑節能管理工作的通知》（合規[2014]129號）規定：新建建筑面積在一萬平方米以上的公共建筑應當至少利用一種可再生能源。《合肥市綠色建筑發展條例》規定：新建的公共機構辦公建筑以及建筑面積達到一萬平方米以上的其他公共建筑，應當統一設計并安裝一種以上與建筑能耗水平相適應的可再生能源利用系統。

本文研究對象為一棟新建單體辦公樓，位于安徽省合肥市，建筑面積27832.23m，地上建筑面積約21925.77m，地下建筑面積約5903.46m。地上23層，地下2層。項目已成功獲得三星級綠色建筑設計標識證書。根據合肥市政策要求，本項目應當至少利用一種可再生能源。

可再生能源方案比較 表1

本案辦公大樓綜合權衡設計方案、項目實際應用需求以及成本等因素，項目的可再生能源應用形式最終選擇為太陽能光伏發電系統。

2 合肥地區太陽能資源及光伏板適宜安裝間距

合肥市屬于太陽能資源Ⅲ類地區，合肥地區多年平均日照數在2100h左右，日照百分率為48%。年太陽輻射量平均值為4444.91MJ/m，最高年份輻射量達到5000MJ/m，部分年份低于4200MJ/m。

為保證冬至日 9：00～15：00 期間前排光伏組件不遮擋后排光伏組件，依據《民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范》（JGJ203-2010）的規定，通過對光伏組件進行遮擋分析，本地區光伏組件的最小間距建議為1400mm。

3 太陽能光伏系統方案設計

3.1 光伏板位置選擇

本次研究對象辦公樓屋面設計為屋頂綠化，結合園林小品形成了屋頂花園，為辦公人員創造新的交流活動空間，也增強了屋面的保溫隔熱、隔聲減震效果。

由于屋面已被屋頂花園的設計利用，最終設計將光伏系統組件架高鋪設，形成屋頂構架。一方面光伏板因此獲得最優的太陽能日照資源，無女兒墻等構架的遮擋影響，另一方面使得下部屋頂花園形成一個遮陰場所，有利于人員的活動交流。

圖1 屋頂光伏板與屋頂花園結合實景

3.2 光伏系統方案及容量設計

屋面光伏組件采用260Wp多晶硅電池組件，共安裝組件240塊，光伏面積約380㎡，總裝機容量62.4kW。組件采用20塊一串，共計12串分別接入兩個SG30KTL-M組串式逆變器中，每個逆變器接入6串，即62.4kW光伏電站由2個31.2kW方陣組成，分別通過2個SG30KTL-M逆變器接入光伏配電柜，光伏電站交流出線接入大樓低壓配電室160A備用開關上。

根據光伏板面積、逆變器組串形式及光伏系統裝機容量，光伏系統用戶側低壓接入配電網后在聯合市政供電的基礎上協同給辦公樓的公共區域照明、景觀照明供電。

圖2 光伏支架預埋件平面布置圖

光伏組件南向安裝，水平安裝角度15°，考慮陰影遮擋作用，前后排陣列之間留1.8m間距，光伏系統屋頂構架與建筑一體化設計，預埋構架，詳見圖3。

圖3 光伏組件支架剖面圖

3.3 光伏系統發電量分析

E=Q·A·η·η

式中：E—光伏系統年發電量，kW·h

Q—緯度傾角平面年總輻射量，205.94kW·h/m

A—光伏板面積，m

η—光電轉換效率，取15%

η—綜合發電效率，取80%

則光伏系統理論年總發電量為54990.86kW·h。本項目光伏系統實際發電量統計如表2所示，2018年12月到2019年11月光伏系統年發電量為56603.7kW·h，可見理論發電量與實際發電量是較為吻合的。

圖4 光伏系統月發電量

由發電量統計數據可以看出，6-8月為光伏系統發電的高峰期，1-2月和12月光伏系統發電量較低，主要由于冬季太陽輻射量減弱導致光伏系統發電效率較低。

綠色建筑評價時，由可再生能源提供電量比例是一項重要評價內容。數據統計期間，大樓入住率約為50%。由表2分析可知，7-8月為空調開啟高峰期，也是光伏系統發電量較高月份，光伏系統發電量占大樓總用電量的比例約為7%；9月份過渡季節空調系統部分關閉，相比8月份用電量下降幅度達到40%，光伏系統發電量占大樓總用電量的比例達到10.64%；10月份由于涉及國慶放假，大樓用電量比9月份下降幅度約為38%，光伏系統發電量比例也下降了25%，光伏系統發電量占大樓總用電量的比例達到12.77%；光伏系統發電量最低月份為12月，光伏系統發電量占大樓總用電量的比例為2.71%。因此光伏發電量占實際用電量的比例與光伏系統裝機容量、太陽能輻射量、光伏板發電效率和建筑入住率等因素均有較密切關系。

光伏系統發電量統計表 表2

4 效益分析

4.1 環境效益分析

Q=D·E

式中：Q—光伏系統發電量對應的常規能源代量，kg標準煤

D—每度電折合所耗標準煤量，根據上年火電耗煤水平確定，取0.36kg/kW·h

E—光伏系統年發電量，kW·h

本案光伏系統常規能源替代量為20377.33 kgce，可實現年減排二氧化碳50.33t/年，年減排二氧化硫0.41t/年，年減排粉塵0.20t/年。

4.2 經濟效益分析

本項目總裝機功率62.4kW，實際年發電量為5.66萬kW·h。該項目太陽能光伏發電系統總投資見表3。經濟效益分析計算時電價取1.4元/kW·h，系統年發電效率衰減值取0.4%，通貨膨脹率取0.4%，則7年可回收成本，具有良好的經濟效益，本項目經濟分析可行。

太陽能光伏發電系統投資預算表 表3

5 結論

在綠色建筑評價過程中，太陽能光伏技術是實現可再生能源利用的重要形式之一。通過本辦公建筑應用案例的分析可知，太陽能光伏系統在本地區的應用是可行的，可有效地代替傳統能源為建筑提供部分清潔電能，有效地減少二氧化碳、二氧化硫及粉塵等污染物的排放，同時與建筑一體化設計，結合建筑屋頂花園形成一個遮陰空間，實現建筑、設備和美學有機融合。