不同氣候區(qū)建筑可再生能源系統(tǒng)的優(yōu)化

王金芝，魯月紅，孫瑞瑞，季海霞

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

建筑能源消耗，尤其是供熱和制冷能耗關(guān)系到居民室內(nèi)熱舒適度及大氣環(huán)境質(zhì)量，其與室外氣象條件關(guān)系密切[1-3]。全球氣候系統(tǒng)復(fù)雜，影響氣候變化的因素多，氣候變化對(duì)建筑能耗的影響受到特別關(guān)注[4-6]。為了應(yīng)對(duì)氣候變化、污染排放以及建筑能源消耗帶來的影響，多數(shù)國(guó)家一直在努力減少對(duì)化石燃料的依賴并出臺(tái)一系列政策支持可再生能源的發(fā)展[7-9]。

近年來，中國(guó)重點(diǎn)發(fā)展零能耗建筑，大力推廣建筑節(jié)能技術(shù)[10]。魏巍賢等[11]建立可計(jì)算的一般均衡(computable general equilibrium，CGE)模型，模擬分析可再生能源電價(jià)補(bǔ)貼對(duì)可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可再生能源電價(jià)補(bǔ)貼能夠促進(jìn)可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有利于促進(jìn)改善大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。Cavicchi[12]運(yùn)用比較分析法對(duì)美國(guó)可再生能源電力補(bǔ)貼設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn):基于生產(chǎn)的補(bǔ)貼方式有利于降低電力批發(fā)市場(chǎng)的價(jià)格，與為糾正環(huán)境外部性而提高市場(chǎng)電價(jià)的目標(biāo)相反；基于發(fā)電量補(bǔ)貼的定價(jià)方法沒有顯著降低電價(jià)；在設(shè)計(jì)電價(jià)補(bǔ)貼的過程中要著眼于社會(huì)福利最大化，重視補(bǔ)貼的成本效益評(píng)估。王風(fēng)云[13]研究了可再生能源定價(jià)機(jī)制，認(rèn)為目前缺乏對(duì)可再生能源政策實(shí)施效果的評(píng)估及反饋機(jī)制的研究，需建立可再生能源電價(jià)補(bǔ)貼調(diào)整機(jī)制。上述對(duì)零能耗建筑可再生能源系統(tǒng)的研究多關(guān)注電價(jià)補(bǔ)貼對(duì)可再生能源發(fā)電的影響，極少關(guān)注國(guó)家政策對(duì)不同氣候區(qū)零能耗建筑中可再生能源系統(tǒng)的影響。因此，文中分析不同氣候區(qū)建筑能耗，根據(jù)不同氣候區(qū)太陽能和風(fēng)能資源的分布，針對(duì)不同氣候區(qū)建筑設(shè)計(jì)合適的可再生能源系統(tǒng)，并對(duì)不同補(bǔ)貼額度下的可再生能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 建筑可再生能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)路線

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14](GB/T 50176—2016)，我國(guó)將整個(gè)建筑熱工設(shè)計(jì)劃分為5 個(gè)設(shè)計(jì)分區(qū)，分別為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)。考慮不同氣候區(qū)城市的代表性、典型性以及該地區(qū)可再生能源的利用情況，選取夏熱冬暖地區(qū)(廣州)、夏熱冬冷地區(qū)(上海)、寒冷地區(qū)(北京和拉薩)、溫和地區(qū)(昆明)及嚴(yán)寒地區(qū)(哈爾濱、烏魯木齊)7個(gè)城市作為不同氣候區(qū)的代表。

不同氣候區(qū)建筑可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)路線如圖1。收集7個(gè)典型城市的氣象數(shù)據(jù)，確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)熱源等參數(shù)，通過Energy Plus軟件模擬計(jì)算不同氣候區(qū)典型城市建筑逐時(shí)冷熱負(fù)荷；分析建筑其他電力能耗(如照明，微波爐等)，得出建筑總能耗；由不同氣候區(qū)典型城市建筑能耗初步配置不同氣候區(qū)可再生能源系統(tǒng)(光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等)，根據(jù)建筑用能和產(chǎn)能平衡要求篩選可行的可再生能源系統(tǒng)組合；比較分析標(biāo)準(zhǔn)額度補(bǔ)貼和補(bǔ)貼額度減半對(duì)可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化選擇的影響，得到不同氣候區(qū)典型城市經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)。

圖1 可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)路線Fig.1 Optimal design route of renewable energy system

2 建筑可再生能源系統(tǒng)

2.1 建筑模型

以兩層的居住建筑為參考建筑(圖2)，南北朝向，建筑高度為3 m，總建筑面積為212.16 m2。該建筑設(shè)置有廚房、餐廳、客房、起居室、臥室、書房、衛(wèi)生間，主要用電設(shè)備有照明、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、冰箱、洗衣機(jī)、微波爐和電熱水器等。其主要電器能耗見表1。根據(jù)不同氣候區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[16-19]，確定不同氣候區(qū)建筑所用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)性能及構(gòu)造方式，結(jié)果見表2。

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

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

表2 不同氣候區(qū)建筑物基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of buildings in different climate zones

根據(jù)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[19]，居住建筑照明功率限值為5 W/m2，設(shè)備功率密度統(tǒng)一取7 W/m2，以一家四口為基準(zhǔn)，人員熱擾設(shè)置為0.02人/m2。參考相關(guān)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定室內(nèi)空氣新風(fēng)量為30 m2/(h·人)。因此，建筑的年總能耗可由式(1)計(jì)算，其中總能耗包括建筑冷熱負(fù)荷EHC和家電能耗。

式中:EBEC為建筑總能耗，kWh；EL為照明能耗，kWh；ET為電視機(jī)能耗，kWh；EC為計(jì)算機(jī)能耗，kWh；ER為冰箱能耗，kWh；EWM為洗衣機(jī)能耗，kWh；EMO為微波爐能耗，kWh；EWH為電熱水器能耗，kWh；i 為第i小時(shí)。

2.2 可再生能源系統(tǒng)模型

2.2.1 光伏組件

光伏面板的輸出功率PPV和太陽光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件密切相關(guān)，具有很強(qiáng)的非線性，如式[20-21]

式中:PPV為光伏板的額定容量，表示標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下電池的輸出功率，kW；fPV為光伏板的降額因子，%；HT為光伏板上的太陽輻射強(qiáng)度，kW/m2；HS為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照強(qiáng)度，取1 kW/m2；α 為功率的溫度系數(shù)，%/℃；θC為電池板的工作溫度，℃；θC,STC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下電池板的工作溫度，25 ℃。光伏組件技術(shù)參數(shù)如表3[22]。

2.2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，影響風(fēng)能系統(tǒng)輸出的3 個(gè)主要因素為空氣密度、掃掠面積、風(fēng)速，其產(chǎn)生的功率PWT可用式(3)[8]計(jì)算。

式中:ρ 為空氣密度，1.29 kg/m3；A 為掃掠面積m2；v 為風(fēng)速，m/s；C 為風(fēng)機(jī)性能系數(shù)；η 為發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組合效率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表4[22]。

表4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.4 Technical data of wind turbine

2.2.3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

光伏面板在太陽光照射下產(chǎn)生直流電，獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電機(jī)交流發(fā)電，不穩(wěn)定，一般需要整流。故風(fēng)力光伏互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)）需采用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，逆變器的安裝成本、更換成本及年運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本分別為4 985，4 985，70 元/kW。假定逆變器的壽命為20 a，轉(zhuǎn)換效率為90%。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電量以自發(fā)自用為主，多余的電量并入國(guó)家電網(wǎng)。我國(guó)不同氣候區(qū)的余電補(bǔ)貼政策不同，根據(jù)發(fā)改委文件《關(guān)于推進(jìn)電力市場(chǎng)建設(shè)的實(shí)施意見》和《2018 年度全國(guó)電力價(jià)格情況監(jiān)管通報(bào)》，統(tǒng)計(jì)2018 年不同氣候區(qū)典型城市的余電補(bǔ)貼，具體如表5。

在并網(wǎng)可再生能源系統(tǒng)中，國(guó)家電網(wǎng)被視為具有電池功能，當(dāng)可再生能源發(fā)電不足時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)可向建筑物供電；當(dāng)可再生能源發(fā)電充足且有余量時(shí)，可將多余電量售給國(guó)家電網(wǎng)。假設(shè)建筑年能源平衡，因此設(shè)最大購(gòu)電凈額為0 kWh，則建筑1 a 余電量EGrid可由式(4)計(jì)算，

表5 不同氣候區(qū)典型城市的余電補(bǔ)貼Tab.5 Residual subsidies for typical cities in different climate zones

式中:EBEC建筑總耗電量，kWh；EPV為光伏組件發(fā)電量，kWh；EWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量，kWh；i 為第i 小時(shí)?？稍偕茉聪到y(tǒng)發(fā)電成本T 可由式(5)計(jì)算，

式中:TPV為光伏組件發(fā)電成本，元/a；TWT為風(fēng)力發(fā)電成本，元/a；T逆變器為逆變器發(fā)電成本，元/a；TGrid為余電回收成本，元/a。

3 結(jié)果與討論

3.1 可再生能源分布

根據(jù)不同氣候區(qū)典型城市(北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊)的氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)[23]，統(tǒng)計(jì)7個(gè)典型城市氣象年8 760 h的月太陽輻射及月平均風(fēng)速，結(jié)果如圖3，4。由圖3可看出:拉薩太陽輻射高于其他城市，多數(shù)城市最高太陽輻射處于5—9月份，而1，2，11，12月份太陽輻射總量減少；太陽輻射潛力拉薩較大，廣州較小。由圖4可看出:哈爾濱最大風(fēng)速為3.81 m/s，上海和烏魯木齊最大風(fēng)速分別為3.59，3.16 m/s；昆明和拉薩的全年風(fēng)速相對(duì)較穩(wěn)定，廣州的全年風(fēng)速比其他城市低且更穩(wěn)定。

圖3 7個(gè)城市的的月太陽輻射分布Fig.3 Distribution of monthly solar radiation in seven cities

圖4 7個(gè)城市的平均月風(fēng)速分布Fig.4 Distributionofaveragemonthlywindspeedinsevencities

3.2 建筑能耗

采用Energy Plus 軟件模擬計(jì)算不同氣候區(qū)典型城市建筑物的能耗，結(jié)果如圖5，6。由圖5 可看出，北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊建筑物最大年能耗分別為14.7，5.1，19.7，4.8，9.3，7.8，19.1 kWh。由于不不同氣候區(qū)供熱和制冷的需求不同，不同氣候區(qū)建筑物的能耗也不同。由圖6可看出:哈爾濱建筑能耗高于其他城市，年能耗達(dá)到37 863 kWh，日能耗為103.7 kWh；拉薩和上海建筑能耗相差不大，年能耗分別為13 435.6，12 469.9 kWh，日能耗分別為36.8，34.2 kWh；廣州建筑能耗較少，年能耗為6 394.2 kWh，日能耗為17.5 kWh。

綜上，不同氣候區(qū)建筑物年能耗存在差異，應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)建筑能耗和可再生資源分布，選擇合適的可再生能源系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)。

3.3 可再生能源系統(tǒng)的成本優(yōu)化

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)額度補(bǔ)貼對(duì)可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響

根據(jù)北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊7 個(gè)典型城市可再生能源分布及其建筑能耗，初步配置不同氣候區(qū)可再生能源系統(tǒng)為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。由于可再生能源系統(tǒng)與國(guó)家電網(wǎng)連接，根據(jù)7個(gè)城市的余電補(bǔ)貼(表5)及年建筑能耗(圖6)和產(chǎn)能平衡要求，得到標(biāo)準(zhǔn)額度補(bǔ)貼政策下，7個(gè)城市經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的建筑可再生能源系統(tǒng)，結(jié)果如表6。從表6可看出:標(biāo)準(zhǔn)額度補(bǔ)貼政策下，北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本T 分別為109 316，49 131，183 831，52 082，80 027，63 559，163 203元/a，7 個(gè)城市可再生能源系統(tǒng)T 為49 131～183 831 元/a，哈爾濱的可再生能源系統(tǒng)T 是廣州的3.5 倍以上；廣州經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為6 kW 光伏組件、0 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)及2 kW逆變器；哈爾濱經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為2 kW 光伏組件、35 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)及6 kW 逆變器。這是因?yàn)楦鞒鞘薪ㄖ芎挠胁町悾垂枮I的日能耗為103.7 kWh，廣州的日能耗為17.5 kWh。

3.3.2 補(bǔ)貼額度減半對(duì)可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響

隨著光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)步及國(guó)家政策調(diào)控的推進(jìn)，光伏行業(yè)市場(chǎng)化導(dǎo)向更明確、補(bǔ)貼退坡信號(hào)更清晰。因此，考慮補(bǔ)貼額度減半對(duì)可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響，結(jié)果見表7。由表7 可看出:補(bǔ)貼額度減半政策下，北京、廣州、哈爾濱、昆明、拉薩、上海和烏魯木齊的可再生能源系統(tǒng)T 分別為105 445，45 779，179 957，49 710，76 837，60 678，160 568元/a；廣州經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為6 kW光伏組件、0 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)及2 kW逆變器；哈爾濱經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為2 kW光伏組件、35 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)及6 kW逆變器。對(duì)比表6，7可看出，補(bǔ)貼額度標(biāo)準(zhǔn)和減半政策下，7個(gè)城市可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電成本T 相差不大，且可再生能源系統(tǒng)的最優(yōu)配置沒有變化。由此表明，補(bǔ)貼額度減半對(duì)可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響較小，對(duì)可再生能源系統(tǒng)成本優(yōu)化沒有影響。

4 結(jié) 論

1)不同氣候區(qū)能源分布差異大，7個(gè)典型城市中拉薩太陽能比較豐富而風(fēng)資源比較匱乏；上海和哈爾濱風(fēng)資源比較豐富，太陽能資源處于中等水平；廣州太陽能和風(fēng)資源都比較低。

2)不同氣候區(qū)建筑能耗差異較大，哈爾濱供熱需求較大，其建筑日能耗為103.7 kWh，而廣州建筑日能耗為17.5 kWh。

3)考慮不同氣候區(qū)能源分布及建筑能耗差異，基于國(guó)家發(fā)電補(bǔ)貼政策對(duì)可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的影響，設(shè)計(jì)不同氣候區(qū)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)，不同氣候區(qū)7個(gè)典型城市經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的建筑可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電成本為49 131～183 831 元/a，哈爾濱是廣州的3.5倍以上。其中:廣州經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為6 kW光伏組件、0 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)及2 kW逆變器；哈爾濱經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的可再生能源系統(tǒng)為2 kW光伏組件、35 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)及6 kW逆變器。

表7 補(bǔ)貼額度減半下7個(gè)城市可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電成本和最優(yōu)配置Tab.7 Generation cost and optimal allocation of renewable energy systems in seven cities under the halving subsidy