房建军

(1．国家能源集团绿色能源与建筑研究中心，北京 102211；2．北京低碳清洁能源研究院，北京 102211)

随着社会的进步和生活水平的提高，建筑照明、空调和智能电器等的大量使用使建筑能耗大幅增加[1]，建筑成为城市中主要的电能消耗者[2]。2018年，建筑运行能耗占全国能源消费总量的22%[3]。深入贯彻建设资源节约型和环境友好型社会的思想，需要积极降低建筑能耗。目前电力是建筑能源主要的消费类型[4]，大规模推广建设光伏建筑，采用就地发电就地使用的模式，甚至可以把建筑转变为能源的生产者[5]。

使用光伏组件或构件作为新型建材，集成到建筑上，称为光伏建筑一体化，即BIPV(Building Integrated Photovoltaic)[6]，符合建筑整体的功能要求，提升建筑的美感；无需额外占用土地，就地发电就地使用，还可以降低建筑冷热负荷，进而降低建筑能耗。

低压直流供电与交流供电方式相比，具有供电线损少、用电设备效率高等优点，可以方便的接入光伏发电和储能设备，减少逆变上网的成本和电能损失，同时对建筑用电负荷移峰填谷，降低总供电容量，提高电网的能效[7-8]。因此光伏建筑配备低压直流供电系统是电气节能的热点研究方向和发展趋势。美国绿色建筑协会正在试行在绿色建筑评估体系中加入直流供电系统[9]。

然而在实际应用中光伏建筑结合低压直流供电缺乏全面、系统的设计指导思想，没有清晰和全面的设计内容要求。本文提出了光伏建筑一体化及低压直流供电电气节能设计的主要原则和主要内容，并据此完成了BIPV项目的光伏系统及低压直流供电电气节能设计。根据项目的基本情况和光伏发电量预测结果，梳理提高发电效率、降低投资和运行成本的光伏系统设计要点；制定低压直流供电架构及电气节能设计方案，以及直流负荷节能方案。本光伏建筑项目的设计与建设成功经验对光伏建筑一体化及低压直流供电节能技术的理论研究和应用推广具有重要的参考价值。

1 BIPV及直流供电电气节能设计主要原则和内容

1.1 BIPV及直流供电电气节能设计主要原则

与采用传统建材的建筑相比，光伏组件和建筑的有机融合即光伏建筑一体化是新型的技术。光伏建筑直流供电系统，由光伏系统、低压直流供电系统、储能系统、能效管理系统及智能直流负荷组成，具有可靠、绿色、安全、高效、智慧的特征，在提高建筑低压供电效率、降低建筑运行成本、提高建筑用能品质及降低建筑能耗等多方面都发挥着重要的作用。设计需要遵循一些特有的原则(如图1)。

图1 BIPV和低压直流供电电气节能设计原则

(1)满足建筑功能需求

首先光伏组件要满足BIPV建筑对于建材的要求。电气系统设计要满足各种建筑功能的用电需求，保证供电稳定、安全、可靠。

(2)符合建筑安全要求

光伏组件的使用和安装必须满足建材和建筑的安全性要求，避免造成安全隐患。组件串联后形成高电压，并通过逆变器和供电线路连接中低压电网，所以应特别注意BIPV建筑上的光伏系统设计不得引起电击事故，同时，还需要满足建筑防火和防雷设计规范。

(3)满足可再生能源最大化利用和提高能效要求

应配备建筑综合能源管理系统，具备能效管理、分析功能，综合调度建筑产能、用能，达到最大化利用光伏发电，降低建筑的能源消耗的效果。

(4)满足经济合理要求

在光伏建筑及直流供电节能设计时，应该进行科学的经济性预测分析，确保项目满足经济合理要求。根据建筑物的实际需求和预测分析选择光伏系统的安装规模、安装位置等，避免在不合理的位置使用光伏组件，造成效益低下，并保证直流供电的节能效果。

1.2 BIPV和直流供电节能设计主要内容

节能是在充分满足建筑物功能要求的前提下，合理进行供电、电气照明、建筑设备及系统控制的设计，确保安全可靠、经济合理、高效节能。科学的减少能源消耗，提高能源利用率，而不是为了引入可再生能源或者节约能源而牺牲建筑物的功能要求，降低其使用标准。

光伏建筑及直流供电节能设计的主要内容如下：

(1)光伏建筑一体化——光伏发电系统和建筑有机融合，光伏利用最大化；

(2)直流供电系统——合理确定供电系统架构、电压等级，降低供电能耗等；

(3)直流供电电气设备——采用高效电器如暖通、照明、办公等设备，利用直流供电提高效率；

(4)能效监管系统——供热、供冷、光伏发电、直流供电系统和各种负荷能效监管；

(5)节能高效照明——合理设计照明，并采用高效直流供电灯具进一步提高能效；

(6)采用节能控制技术——智能楼控系统多联机节能控制、照明节能控制等；

其中(1)(2)(3)是本文研究的重点。

2 项目概况

项目是一座BIPV技术的展示、实验平台，位于北京市昌平区，总建筑面积1 063 m2，建筑高度9.15 m。幕墙和屋面采用装配式光伏建筑一体化设计，共安装865块薄膜光伏组件，其中南、东、西立面各安306、91、168块，屋面上以倾角10°安装300块，总装机容量为84.3 kW。该分布式光伏发电系统采用自发自用、就地消纳模式。项目所在地水平面年均峰值日照小时数为1 365 h。使用PVSyst软件计算得到的首年发电量预测值为66 081 kWh。

图2是本项目直流供电能源结构图，光伏发电就地供给建筑使用，能量单向流入建筑供电系统；光伏发电能量不足部分由电网补充，多余能量则送入电网，能量双向流动；建筑供电系统向直流负荷供电；储能系统与直流供电系统之间能量双向流动。

图2 直流供电能源结构图

3 光伏建筑项目及低压直流供电节能主要技术

3.1 BIPV光伏方阵应用特点

本项目中光伏组件的安装与装配式幕墙系统一体化设计，作为建筑的围护结构，需要满足建筑的功能、安全和美观的要求。

通常在设计、建设光伏建筑时光伏组件的安装位置由建筑设计决定，光伏系统合理、科学的布置决定了建筑光伏系统的装机容量，可以提高发电效率、降低损耗。在进行光伏发电系统设计时，充分考虑能量转换特性和气象因素[10]。可使用PVSyst等软件预测计算建筑上各个位置安装的光伏方阵发电量，评估经济性。如图3所示，假设在东、西、南建筑立面和屋面分别安装100 kW光伏组件，使用PVSyst设计软件计算北京地区的全年各月发电量。在北京地区与发电量最高的南向35°倾角光伏方阵相比，屋面水平布置的光伏方阵年均发电量约为其85%，南、东、西立面的光伏幕墙年均发电量约为其71%、52%和53%。

图3 建筑立面屋面光伏方阵月均发电预测

3.2 BIPV项目光伏方阵优化设计要点

本项目的光伏发电系统属于分布式光伏发电系统，采用就地发电、就地消纳的运行方式。考虑组件的安装位置、一体化安装方式、智能运维的特点，为提高发电效率、降低投资和运行成本，提出了以下设计要点：

(1)组串方式

光伏组件和幕墙单元体一体化设计和加工，为施工和布线方便，同一幕墙单元体中的7片组件串联组成组串。同一朝向的单元体并联汇流后接入同一路最大功率控制回路。

(2)最大功率回路细化配置

项目中光伏组件布置在屋面、南立面和东西两面，周围光照条件也较为复杂。考虑经济合理，为每个组串配备独立的最大功率控制通道成本较高，因此将每个立面分成几个独立单元进行汇流各自接入最大功率控制回路，实现最大功率输出，提高发电量。

(3)幕墙单元体加强散热

光伏组件安装在BIPV建筑上，散热条件必然不如地面电站，光伏组件的温度升高会导致组件发电功率降低。本项目在幕墙单元体上隐蔽式安装了通风百叶，为组件提供充足通风散热条件又不影响建筑美观。

(4)布线和汇流设计

在BIPV建筑幕墙单元体上，光伏线缆布设的空间局促、工作环境温度高，设计和施工时注意避免线缆受挤压、割伤等风险。直流汇流箱就近安放在幕墙单元体下方，减少线缆的传输损耗。

3.3 低压直流供电架构

低压直流供电系统的架构、电压等级与建筑光伏装机容量、负荷大小与工作特性以及储能系统容量之间密切相关，对建筑能耗有很大的影响，需要深入研究验证。

传统的交流供电的架构，光伏发电、储能和直流负荷等需要经DC/DC和DC/AC两级变换接入电网(不区分能量传输的方向)。采用直流供电架构，只需要一级DC/DC电能变换环节，大大减少变换环节的电能损耗和设备成本。研究表明直流供电比交流供电系统提高7%的电能传输效率，投资成本下降6%，并提高2倍的系统可靠性[11]。

本项目低压直流供电系统由光伏发电系统(光伏组件、光伏发电变换装置)、整流器、直流负荷、储能系统、直流供电装置组成,架构如图4所示。光伏组串经过光伏最大功率控制模块，接入750 V单极式直流供电母线，减少供电线路和用电设备损耗。750 V母线为多联机供电，又经DC/DC变换为220 V直流，为直流负荷如照明、办公设备、自动化设备等供电。市电经整流器变换为750 V直流，当光伏发电和储能能量不足时，补充供电。储能系统放置在建筑外专门设计的储能集装箱中，带有保温、通风、灭火等功能。能量管理系统根据光伏发电功率、母线电压、负荷功率、电池组荷电状态，调节电池充放电功率，实现光伏发电最大化利用、平滑光伏发电波动和电力负荷移峰填谷的主要目标。

图4 BIPV项目低压直流供电架构图

3.4 直流负荷

随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，需要更加绿色、智慧、安全的用电负荷，目前满足这些要求的用电负荷实质上都是内部直流供电，如IT设备、通讯设备、智能家电等，因此用户侧低压直流供电也就有了非常良好的基础[12]。用电设备直接采用直流供电，可以降低设备功耗,比交流供电时耗电量减少10%左右，比如满负荷工作的台式电脑比交流供电时功率低7%，耗电量低11%[13]。高效绿色照明越来越多的选择LED，与交流供电相比，LED照明采用直流供电电能利用率提高达3%，降低驱动电源成本约30%[11]。

本项目直流负荷主要有多联机、服务器、自动化控制设备、台式电脑、投影仪和照明灯具等。负荷用电条件如表1所示。

表1 主要直流负荷用电条件

3.5 能效监测

本项目是BIPV和直流供电技术的示范项目，同时也是实验平台，设计、建设了功能全面的综合能源管理系统，包含光伏监控系统、能效监管系统、楼宇智能控制系统和能量管理系统。采集并分析建筑内的各类用电负荷、冷热负荷的运行数据；采集光伏发电系统的运行信息，如电压、电流、发电量、温度等，以及所处的环境条件，如太阳辐照强度、气温、风速、风向等；对建筑的产能、用能信息进行详细的记录和调度管理。

4 结论

光伏建筑一体化及低压直流供电是建筑行业内的新兴技术，在提高建筑供电效率、降低建筑运行成本、提高建筑用能品质及降低建筑能耗等多方面都发挥着重要的作用。为大力推广光伏建筑一体化和直流供电技术在城市建筑，尤其是公共建筑上的应用，解决应用中存在的问题，本项目进行了一些有益的探索：

(1)提出了光伏建筑低压直流供电系统电气节能设计的主要原则和主要内容；

(2)依据以上原则设计了此建筑的低压直流供电架构及电气节能方案；

(3)从供电架构合理性、节能原理、能效管理等角度为光伏建筑一体化和直流供电电气节能的应用和研究提供一些有价值的参考与借鉴。