探讨 商业建筑节能改造及光伏应用潜力

探讨 商业建筑节能改造及光伏应用潜力

梁成志

身份证： 445323198510200***

摘要：通过对某商业建筑照明、空调、电梯等设备的能耗调研，提出了针对性的节能改造措施。改造后商业建筑全年用电量节约2293MW·h，其中照明年节电率达24.6%，空调年节电率达7.2%，电梯年节电率达62.1%。同时，利用PVSYST软件对商业建筑屋顶的光伏利用潜力进行了分析。结果表明水平和最佳倾斜角度两种铺设方式下屋顶光伏阵列的年发电量分别为742.7MW·h和487.6MW·h，水平铺设的光伏阵列年发电量比最佳倾斜角铺设阵列年发电量多255.1MW·h，但需多安装光伏组件976块，对应的安装功率多283kW。

关键词：商业；光伏改造；改造

引言

建筑进行节能改造是我国推行建筑节能，如何在既有建筑中应用太阳能技术成为近年来建筑节能的研究热点之一。本文以地区既有商业建筑为例，在建筑能耗调研数据的基础之上，提出适宜的节能改造方案，且对改造前、后的建筑耗电量进行了对比分析；同时，采用PVSYST软件分析了商业建筑屋顶光伏利用潜力，为其光伏技术的应用提供了数据支撑。节约资源、保护环境成为建筑设计的重点，也是立面改造的一个重要出发点。重在提高环境表现技术改造是指凭借可持续的生态技术提升原有建筑的性能，降低建筑对于环境的不利影响，减少在改造过程中的资源浪费，促进可持续发展。

一、项目概况

该商业建筑一期建筑面积为55816m2，二期建筑面积为9676m2。一、二期建筑地上共6层，地下共3层。

商城设备在工作日(周日晚至周五)开启14h，在休息日(周五晚至周日)开启14.5h。通过调研得到商业建筑改造前的用电量统计数据，如图1所示，年总用电量多达1.38×104MW·h。其中，照明年总用电量为8399MW·h，占商业建筑总用电量的60.9%；空调年用电量为2777MW·h，占总用电量的20.14%；电梯用电量为72MW·h，占总用电量的0.52%(见图1)。

二、商业建筑节能改造措施与效果分析

2.1节能改造措施分析

从调研数据可以看出，照明系统用电量所占比例最大，空调次之，电梯比重虽不大但具有节能改造潜力。因此，商业建筑从照明、空调、电梯等设备方面考虑节能改造措施，降低建筑能耗。除空调系统用电量具有明显的季节性特征外，其他各部分用电量全年都相对平稳。

2.1.1照明改造

商业建筑照明能耗高，一方面是由于商业建筑绝大部分空间利用人工照明，另一方面则是照明灯具功率过高。另外，商业建筑的照明设备难以实现“部分空间、部分时间”开启。针对该问题，商业建筑采取了以下改造措施：首先，商业建筑内照明由原来的150W金属卤化物灯全部更换为45W的LED灯；其次，根据季节变化和负荷要求及时调整变压器的运行台数，做到办公区域人走灯灭的要求。

2.1.2空调系统改造

商业建筑夏季采用4台冷量1000冷吨制冷机作为冷源，其中1台为变频控制，其余3台无变频，当前选用的空调设备及系统得当。针对这种情况，商业建筑采取如下针对性措施：首先，不对设备及系统进行更换；其次，加强商业建筑空调系统节能运行管理，在满足室内空气品质的条件下，合理调整运行参数，夏季适当提高室内温度，冬季适当降低室内温度。

2.1.3电梯改造

商业建筑电梯能耗高，主要是由于商业建筑人流不稳定，电梯经常空载。针对此问题，商业建筑采取了如下针对性措施：首先，对电梯采用红外线与变频相结合的控制方式进行改造；其次，新增加了电机过流、电机绕组绝缘监测功能。

2.2节能改造效果

改造后，对商业建筑的照明、电梯、空调能耗情况进行了统计与对比分析。如图2所示，照明系统改造后，照明年用电量降至6334MW·h，照明方面的年能耗降低了24.6%。照明能耗的下降并没有影响室内空间照度。各楼层测试点的照度数据显示，室内平均照度值上升了26%。加强商业建筑空调系统节能运行管理后，空调年用电量降至2577MW·h，年能耗降低了7.2%。电梯系统改造后，年用电量降至28MW·h，年能耗降低了62.1%。

三、商业建筑光伏利用潜力模拟分析

商业建筑对照明、空调和电梯节能改造后，节能效果显著。但是，若想进一步降低建筑能耗，就需要从太阳能的光电或光热方向进行研究。由于商业建筑对热水需求较小，遂对屋顶光伏利用方向进行研究。该商业建筑屋顶面积较大，无其他建筑物遮挡，利于在屋顶铺设光伏板发电，充分利用太阳能，可进一步达到节能减排的效果[6，7]。为此，以光伏阵列水平铺设和最佳倾斜角铺设两种方式对商业建筑屋顶的光伏利用潜力进行了对比分析。

3.1地区气候条件及设备选型

市位于北纬36°40'，东经117°00'，日照充足。以天合光能公司的HoneyMPlus高效单晶电池组件为例，产品参数如表1所示。

3.2光伏阵列铺设方式

3.2.1水平铺设

该商业建筑屋顶为东西长65m、南北宽55m、方位角0°的平屋顶。将单块光伏板组成两个矩形阵列，以水平的方式铺设在屋顶。最南面光伏阵列距女儿墙取1.6m；最北面距女儿墙取0.6m；光伏阵列距东西女儿墙均为1m；中间留0.6m宽人行道(见图3)。光伏阵列总铺设面积为3294m2，共计2256块，水平的光伏阵列组件安装功率为654kW。

3.2.2最佳倾斜角铺设

地区光伏阵列最佳倾斜角度为34°。为了避免光伏阵列之间相互遮挡影响其发电效率，光伏阵列以最佳倾斜角安装时，光伏阵列的间距可采用公式(1)计算：

d=[A·(sinβ+tanα·cosβ)]/tanα(1)

式中：α为遮挡角度，(°)；

d为光伏阵列间距，m；

A为光伏板宽度，m；

β为光伏阵列的倾斜角度，(°)。

其中，遮挡角度α可由公式(2)计算得到：

式中：δ为冬至日赤纬，23.5°；

经计算，地区α值为29.8°。

由公式(1)可得光伏阵列最小间距为1.7m。女儿墙高度为0.9m，为了避免女儿墙遮挡光伏阵列，计算得第一排光伏阵列距女儿墙最小距离为1.6m。前后排间距取1.7m，最后一排距女儿墙0.6m；两组间距为0.6m，光伏阵列距东西女儿墙均为1m。每排光伏阵列设置40块光伏板，每20块为1组，光伏阵列共设32排(见图4)，共计1280块光伏板，总铺设面积为3294m2，比水平铺设阵列减少976块组件；最佳倾斜角的光伏阵列组件安装功率为371kW。

3.3发电量模拟及对比分析

利用PVSYST软件，算出光伏阵列逐月及年发电量(见图5)，可以看出水平和最佳倾斜角铺设的光伏阵列中每块组件年发电量分别为329kW·h和381kW·h，最佳倾斜角铺设的组件比水平铺设组件每年多发电52kW·h；水平和最佳倾斜角铺设的光伏阵列的全年发电量分别为742.7MW·h和487.6MW·h，比最佳倾斜角的光伏阵列组件多发电255.1MW·h。

结束语

针对地区某既有商业建筑，从照明、电梯、空调等方面进行了节能改造，同时，分析了屋顶光伏阵列水平和最佳倾斜角两种铺设方式下的发电潜力，通过更换LED灯、变频电梯和改善空调系统运行参数等措施对照明、电梯和空调系统进行了节能改造。改造后商业建筑全年能耗减少约2293MW·h，其中照明年能耗降低了24.6%，空调年能耗降低了7.2%，电梯年能耗降低了62.1%。水平和最佳倾斜角两种铺设方式下屋顶光伏阵列的安装功率分别为654kW和371kW，年发电量分别为742.7MW·h和487.6MW·h；水平铺设光伏阵列年发电量比最佳倾斜角铺设阵列年发电量多255.1MW·h，但需多安装光伏组件976块，安装功率多283kW。

参考文献

[1]既有公共建筑改造中光伏建筑一体化设计研究[J].姜妍.施工技术.2019(9)

[2]太阳能光伏建筑一体化研究现状综述[J].章芝.结构工程师.2020(5)

[1]太阳能光伏建筑一体化中光伏幕墙设计研究[D].李程.西安科技大学2019

[2]夏热冬冷地区建筑外立面光伏系统一体化设计研究[D].赵志青.南昌大学2019

[3]太阳能光伏建筑的立面设计研究[D].初祎君.湖南大学2019