探索數字化設計之路 打造綠色節能項目

隨著設計技術的不斷發展，對設計精度、設計效率的要求不斷提高，數字化設計已經廣泛運用到各個領域，成為國內外高水平工程公司在工程設計、工程管理及實施階段的重要輔助手段。結合南昌市機關事務管理局市委、市政府屋頂分布式光伏發電項目（以下簡稱本工程），本文基于該工程實例，探討了數字化設計技術在屋頂光伏發電項目的應用與研究。

本工程由江西省電力設計院投資建設，在屋面上安裝1140塊265Wp太陽能電池組件，總安裝容量302.1kWp。整體工程僅占用南昌市委辦公大樓及市政府大樓屋面空間，項目總建設工期3個月。

數字化設計打造低碳綠色項目

總體數字化設計平臺架構。數字化設計平臺以Bentley公司MicroStation為基礎設計平臺，上面架構電氣、土建專業設計平臺，實現多專業工程分析、計算及數字化設計協同。通過ProjectWise文件管理協同平臺，同時融合Bentley設計平臺及光伏系統設計軟件PVsyst。

光伏發電數字化設計平臺結構如圖1 。

該數字化設計平臺是專門針對光伏發電工程各個專業選取的系列軟件而構架的，此平臺在屋頂光伏電站工程領域具有普遍適用性。本工程依托三維數字化設計平臺進行數字化設計及管理，參與的專業包括電氣、結構、建筑。數字化設計貫穿了初步設計、施工圖、竣工圖等階段，在施工建造中也得到了廣泛應用。

根據收集到的南昌站1994—2013年逐月實際太陽能輻射總量求出南昌站代表年各月太陽能輻射總量。根據當地氣象參數，計算出最佳傾角、首年發電量計算、25年發電量、節能減排等光伏系統設計參數。

圖1

表1 PVsyst軟件計算不同傾斜面上年均太陽能輻照量

表2

根據國際上公認的PVsyst軟件計算傾斜面上月平均太陽輻照量的方法，計算出不同傾斜面上的年平均太陽輻照量進行比較，得出傾角在23°時可獲得最大的太陽輻照量，見表1。

根據《光伏發電站設計規范》中提供南昌地區并網系統光伏電站中光伏陣列最佳傾角參考值22.67°，逆變器最佳輸入電壓以及電池板工作環境等因素進行修正后，同時考慮市委市政府大樓屋面區域限制，本工程采用20°傾角固定式安裝方式。

根據計算結果，及本項目工程特點，得出最佳系統設計方案，多晶硅太陽能電池組件的串聯方式為20塊/串。可得出發電量計算結果如表2。

在屋面光伏電站設計過程中，光伏陣列一般根據建筑物朝向,并按最佳傾角布置，在實際工程中由于市政市委樓建筑造型相對復雜，該工程被嚴格要求不能影響建筑物原本美觀。本工程作為“低碳綠色能源示范基地”，要求設計、施工都必須遵循綠色節能等要求，故采用三維數字化設計模擬仿真實際情況布置光伏板的設計，在設計中利用太陽能電池板安裝角度、建筑物遮擋、光照三個因素檢測光伏整列布置的合理性。

在三維軟件MicroStation中設置工程地點經緯度，選擇當地冬至日（每年12月22日為冬至日，為全年光照效果最弱日）作為模擬光照條件。根據《光伏發電站設計規范》中計算模型：如圖2。

計算公式如下：

式中：

φ為緯度(在北半球為正、南半球為負)，項目所在地場址緯度為北緯28.6842°；H為光伏方陣陣列或遮擋物與可能被遮擋組件底邊高度差。對于單排豎拼的組件陣列，多晶硅組件支架寬度為3.32m，當傾角為20°時，H=0.564m，計算求得D=2.536m，前后排間距0.986m。

圖3

圖3為軟件模擬光影效果與公式計算結果比對：

根據比較可知，三維軟件MicroStation的光影模擬效果是有正確的實際指導意義，根據計算結果，設計方案定為太陽能電池板前后排組件陣列間距設計為1.1m。利用Substation布置出太陽能電池板三維模型，可模擬該工程整個屋面在全年任意時刻的光影效果。搭建市政樓及市委樓周圍環境模型，較真實的模擬出周圍建筑物、市政樓市委樓本身建筑造型在當地冬至日內對屋面太陽能電池板的光影遮擋效果，如圖4所示。

模擬結論得出市委樓在冬至日上午9點到11點太陽能電池板局部會被遮擋，但11點到下午5點可被太陽光充分照射，滿足光伏電站設計規定需求：每兩列組件之間的間距設置必須保證在太陽高度角最低的冬至日時，所有太陽能電池仍有6小時以上的日照時間。利用三維手段，結合工程周圍環境、光照條件、仿真模擬，通過布置、校核、修改、驗證最終得到最優化、最合理的布置方案。

電氣設計方面，本工程電氣設計主要內容為光伏電站電纜敷設設計。利用電纜通道設計軟件BRCM，BRCM軟件提供了托盤式、梯式、槽盒式多種類型的橋架，建立屋面電纜通道。導入電纜列表及設備列表，“采用最優路徑法”自動計算電纜長度，模擬敷設電纜，查看電纜敷設拓撲圖；還可查看每段橋架的擁堵情況及敷設信息作為參考依據，便于設計人員檢查電纜敷設的合理性，及時調整電纜的敷設路徑及橋架的用量情況。自動生成電纜清冊、材料表，通過剖切電纜通道三維布置模型圖，得到所需施工圖紙。

圖4

宣傳方案設計方面，本工程作為“低碳綠色能源示范基地”也是江西省電力設計院自己投資建設項目，為了提升中國電力建設（股份）集團公司、江西省電力設計院設計-施工一體化綜合實力形象，江西省電力設計院為該工程設計形象宣傳方案。

圖5 南昌市市委樓屋頂光伏展示效果圖

圖6 頂光伏展示效果圖頂視圖

圖7 屋頂光伏展示板軸側圖

圖8 屋頂光伏展示板正視圖

圖9 屋頂光伏通道展示頂視圖

江西省電力設計院在不破壞市政樓、市委樓原本外觀的情況下，利用三維數字化設計作出宣傳方案，在已經設計完的光伏電站模型基礎上，增加宣傳logo模型、宣傳樣板模型及宣傳通道模型，經過MicroStation渲染，真實模擬效果。經過多方案比對，最終確定如下方案圖5～圖9所示。

數字化設計指導施工

可移動端指導施工。針對工程較隱蔽處，傳統二維圖紙很難表示的地方，可做深度、精細的模型大樣，發布成各種展現格式如二維圖紙、三維PDF、移動設備可讀取的i-model，可以從不同視角展示設計成果，形象直觀，解決施工單位看不懂圖紙或看圖困難、在工程交流解釋不清的問題，在工程實踐過程中實用高效。

本工程宣傳設計方案確定后，其三維效果可直接提供給制作廠家，排除了溝通誤區，簡潔方便快速地讓最終成品達到預期效果，縮短了時間、降低了成本，有助于提升設計院形象并擴大了影響范圍。

基于本工程的數字化設計運用，總結出Bentley三維數字化設計平臺，在光伏發電工程中可真實的模擬太陽能電池板在當地任意時間點的光照效果，對光伏板的光影分析有相當直觀的指導意義，并可作為檢驗方案可行性的效果模擬，有相當的價值。但是Bentley三維數字化設計平臺，缺少系統設計方案中所需的計算功能，在系統設計環節中不能提供良好的設計意見。由于軟件無法實現光伏板批量化自動布置，針對屋面光伏點來說該功能缺陷還不是很明顯，但是很難運用到山地光伏工程，大大地限制了工程類型運用范圍。

數字化設計方式以強大的數據庫支撐，采用三維直觀的空間表現形式，統一的工程設計環境，高效地完成多專業協同設計。相較于傳統二維設計，數字化設計尺寸更加準確，工程量統計更加精準，利用三維模型提高設計的合理性，三維環境的真實模擬，準確有效地指導設計方案的調整。數字化設計應該結合多平臺優勢，互補互融，達到工程設計方案最優。