既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益评价

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论文字数:37859 论文编号:sb2021052423284835726 日期:2021-06-19 来源:硕博论文网
本研究以国家电投总部大楼智慧能源示范项目为例,依据其工程概况和深入调研,并利用 PVsyst 软件对国家电投总部大楼光伏系统进行全年及逐月发电量模拟。在典型气象年条件下南、东、西立面发电量共计 29.85 万 kWh,屋顶柔性薄膜和单晶硅光伏系统年发电量分别为6936kWh、17445kWh,在考虑光伏组件衰减率后,年平均发电量为28.83 万kWh。在此基础上,对国家电投总部大楼智慧能源示范项目的经济成本进行分析,得到该项目光伏系统年发电收益为 32.87 万元(有国家补贴情况下),年经营成本为 2.27万元。

1 绪论

1.1 研究背景
在全世界能源结构中,我们使用的不可再生能源如石油、煤炭和天然气所占的比例大于 80%[1]。随着全球工业化快速发展、人口增长和社会生活水平的显著提高,能源需求不断增长与能源日益枯竭形成了鲜明的对比,世界面临着能源缺乏的巨大挑战。我国可开发能源总储量约占世界总量的 10.1%,但我国人口众多,使得人均能源资源占有量远低于世界平均水平[2]。根据 2019 年“BP 世界能源统计年鉴”的统计数据,世界各国在 2018 年一次能源消费增长了 2.9%,几乎是过去十年平均增速的两倍,也是 2010 年以来的最高增速。其中,中国的一次能源消耗增长了 4.3%,比过去几年的平均增速高出将近 2.5 倍,连续 18 年成为全球一次能源消费量最大的国家。
太阳能一般指太阳光的辐射能量。虽然地球表面接收到的太阳能只是其总辐射量的 22 亿分之一,但其已经高达 173000TW,这意味着每秒辐射到地球表面的太阳能相当于 500 万吨煤[3]。我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为 147×108000 万 kWh,相当于 2.4×104亿吨标准煤,属太阳能资源丰富的国家之一。开发利用太阳能对调整能源结构、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设均具有重要意义[4]。另外,随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的不断进步,太阳能光伏发电得到了巨
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1.2 研究意义
本文在分析既有公共建筑绿色改造内容的基础上,明确效益的内容构成及量化方法,选取有代表性的评价指标,建立数学模型对既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益进行评价。此研究具有理论与实践意义:
(1)提高了评价结果的准确性
我国现行的《绿色建筑评价标准》适用于新建和改建的居住建筑和公共建筑的评价;其他规范和标准也仅针对新建光伏建筑一体化项目,而且多集中在技术层面和综合层面,对既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的费用构成和集成效益状况较少涉及。因此,本文建立数学模型专门用于既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益评价,使评价更具有针对性。
(2)完善了既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益评价体系
在保证全文系统性的前提下,从指标体系的选取、量化、无量纲处理,确定指标权重,到可拓评价模型的建立,以保证每个环节的客观性和准确性,完善了既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益评价体系。
(3)利于指导今后既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化项目的决策和实施
我国公共建筑存量巨大,巨大的改造量代表着巨大的投资量,也意味着极大的风险和挑战,在这种情况下,开展对既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益评价研究,有利于指导今后既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化项目的决策和实施。
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2 相关概念及理论基础

2.1 既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化相关概述
光伏建筑一体化是一种将太阳能发电产品集成到建筑上的技术。太阳能发电材料安装在建筑的围护结构外表面,通过太阳能转化来提供电力,使得建筑从耗能建筑转变为产能建筑。
既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化是在公共建筑改造前对建筑进行评估,确定建筑具有安装光伏系统的可实施性,然后将光伏系统融入建筑改造设计和施工中,使其既满足建筑围护功能和设计美学的职能又能满足光电转换职能[28]。
随着公共建筑规模及其能耗的不断增长,公共建筑能耗已成为我国建筑能耗中比例最大的一部分。因此,将光伏技术应用到公共建筑改造中有巨大的优势,首先,既有公共建筑光伏一体化可有效利用建筑围护结构外表面,节约土地资源。其次,相对于拆除老建筑再造新建筑的环境影响、资源消耗、经济投入来说,在既有建筑上进行改造更具有可持续的综合效益,并且可通过光伏立面材料调节室内健康舒适度。
图 2.1 建筑屋顶光伏系统
图 2.1 建筑屋顶光伏系统
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2.2 既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化方案分析
既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化为减少能源消耗和温室气体的排放提供了切实有效的解决方案,而绿色改造的成效取决于适宜的绿色改造技术。在梳理绿色改造原则的基础上,对既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化方案进行分析。
2.2.1 绿色改造原则
为了保证光伏建筑的安全性、适用性、高效性等因素,既有公共建筑光伏一体化设计要综合考虑各方面因素,如与既有公共建筑的整合设计、安全要求、技术措施等。既有公共建筑绿色改造主要遵循以下原则:
(1)安全性原则。在既有公共建筑中,光伏建筑一体化系统除了其本身的光电转化职能外,必须同时满足作为建筑物构件所承担的受力、隔热、防水、遮阳等建筑职能。在整合过程中,光伏组件根据不同的安装方式和部位,会有相应的力学性能要求,同时也要做好电气安全性的处理。
(2)适用性原则。在对既有公共建筑进行光伏一体化设计之前,需对其进行屋顶结构功能性评估、立面太阳辐射量分析以及发电量与用电负荷及变压并网能力需求匹配评估。
(3)高效性原则。光电转化是光伏建筑一体化系统的主要职能。在保证其安全、适用等基本原则的基础上,要考虑如何实现光伏发电系统的电量输出最大化。
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3 既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益评价模型构建.......................16
3.1 集成效益评价思路...................16
3.2 集成效益评价指标体系建立...............................16
4 既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益评价实证研究.......................33
4.1 国家电投总部大楼智慧能源示范项目概述..............................33
4.1.1 北京地区太阳能资源概况.........................33
4.1.2 项目概述.................................34
5 结论与展望.............................60
5.1 研究结论.............................. 60
5.2 不足与展望............................61

4 既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益评价实证研究

4.1 国家电投总部大楼智慧能源示范项目概述
4.1.1 北京地区太阳能资源概况
全国各地太阳年辐射总量范围为 3340~8400MJ/m2,中值为 5852MJ/m2。根据太阳年总辐射量的大小,可将中国划分为 4 个太阳能资源带,其中A 是资源最丰富区(太阳能辐射总量≥6300MJ/m2),B 是资源很丰富区(太阳能辐射总量 5040~6300MJ/m2),C 是资源丰富区(太阳能辐射总量 3780~5040MJ/m2),D 是资源一般区(太阳能辐射总量≤3780MJ/m2),可知北京地区太阳能总辐射年总量位于 B 类区域,即资源很丰富区域,太阳能总辐射年总量在5040~6300MJ/m2之间。
据北京市气象局的统计资料,北京年平均日照时数在 2084~2873 h 之间,其中大部分地区在2700h 左右。年日照分布与太阳辐射的分布相一致,最大值在延庆县和古北口,为2800h 以上,最小值分布在霞云岭,日照为 2063h。根据表 4.1,该项目位于北京地区太阳能辐射量高值区,日照时数充足。
表 4.1 北京地区年日照时数(单位:h)
表 4.1 北京地区年日照时数(单位:h)
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5 结论与展望

5.1 研究结论
既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益探索是光伏建筑一体化推广和发展的重要方向,太阳能建筑在现代建筑行业有着不可替代的优势。本文在梳理国内外相关文献的基础上总结前人研究的成果与不足,在既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化相关概念及理论的基础上,针对既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益建立了评价指标体系,运用可拓学理论构建的评价模型对国家电投总部大楼智慧能源示范项目的集成效益进行了评级,并检验了模型的可行性和有效性。通过以上研究分析,可得出以下结论:
(1)通过大量文献阅读,发现国内学者对既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化项目是否存在集成效益以及集成效益的多少仍存在疑虑,且对集成效益的构成界定仍不清晰、计算方法还不明确,大多数的评价研究均采用主观方法等。参照我国绿色建筑和健康建筑评价标准并结合工程实际特点,本研究在经济效益、功能质量、室内健康舒适性、能源利用效率和生态价值五个维度的基础上细分了23 个三级指标。利用可拓法得出各项指标的权重系数,最终结合可拓原理建立既有公共建筑绿色改造光伏建筑一体化的集成效益评价模型。
(2)本研究以国家电投总部大楼智慧能源示范项目为例,依据其工程概况和深入调研,并利用 PVsyst 软件对国家电投总部大楼光伏系统进行全年及逐月发电量模拟。在典型气象年条件下南、东、西立面发电量共计 29.85 万 kWh,屋顶柔性薄膜和单晶硅光伏系统年发电量分别为6936kWh、17445kWh,在考虑光伏组件衰减率后,年平均发电量为28.83 万kWh。在此基础上,对国家电投总部大楼智慧能源示范项目的经济成本进行分析,得到该项目光伏系统年发电收益为 32.87 万元(有国家补贴情况下),年经营成本为 2.27万元。通过计算,财务净现值 NPV 为 166.59 万元,内部收益率 IRR 为 8.63%,动态投资回收期为17.03a,效益费用比 BCR 为2.12,结果表明在同时考虑国家补贴的情况下,该项目在经济上可行。
参考文献(略)