零能耗建筑可再生能源系統優化設計

(安徽工業大學建筑工程學院，安徽馬鞍山243002)

能源與環境問題是當今世界追求可持續發展面臨的兩項最艱巨的挑戰。據British Petroleum《世界能源展望2017》預測，到2035年，世界能源需求將增加約30%，年均增長1.3%，幾乎所有增長均來自新興經濟體[1]。目前建筑能耗已占全球能源消耗總量的40%以上，位居耗能首位[2]。據國際能源署預測，到2050年，可再生能源將占世界能源供應的一半以上[3]。近年來中國霧霾天氣頻發，更是引起了政府與社會對環境保護的密切關注。因此推廣零能耗建筑及可再生能源的應用對于節能減排、保護環境等具有十分重要的現實意義和社會意義。

國內外對應用可再生能源系統發電的相關研究表明，由于可再生能源來源的不穩定性，與單種可再生能源系統(如僅光伏發電或僅風力發電等)相比，混合可再生能源系統(如太陽能與風能等混合使用)更加穩定且具經濟效益[4-7]。隨著國家對可再生能源的推廣，可再生能源系統可與電網結合，在可再生能源對建筑供電不足時使用電網電量，當產生過剩電量時售賣給電網。在零能耗建筑中，一年內從電網購買的電量與售賣電量達到平衡時，稱為“并網”零能耗建筑[8]。研究表明，在大部分可鋪設電網的非偏遠地區，與同類負荷情況下的獨立可再生能源系統相比，并網可再生能源系統成本較低且在運行中可產生額外經濟效益[9-12]。在高校校園能耗中，建筑能耗約占校園總能耗的83.2%，宿舍能耗約占校園總能耗的30%，因此宿舍是高校建筑能耗中不可忽視的部分之一[13]。有研究表明，學校建筑使用可再生能源系統供電具有較強的適應性、經濟性及環境友好性[14-17]。目前國內外對零能耗宿舍優化設計的研究尚不充分，且上述對零能耗建筑可再生能源系統的研究多關注于住宅及商業建筑的供能系統內部優化與比較，極少關注國家政策對零能耗建筑中可再生能源系統優化設計的影響。

本文以某中部地區高校學生宿舍為案例，設計一種并網可再生能源混合系統，以達到建筑零能耗目標。在當地單一費率(SRP)和時間費率(TRP)政策下，根據經濟成本對可再生能源系統進行優化，對其碳排放及電網友好性進行分析，并對系統向電網出售多余電量的回售價格進行敏感性分析。

1 模型建立

1.1 技術路線

根據當地氣象參數，對向建筑物供電的可再生能源系統在兩種電價政策(SRP和TRP)下分別進行優化設計。采用DeST及HOMER軟件分別對建筑物的能耗系統和可再生能源系統進行分析，具體路線如圖1所示。其中，NPC、CEQ分別為該系統總凈現值和碳排放量。

1)收集當地典型年的氣象參數，確定建筑的圍護結構、內熱源等參數，通過DeST軟件建立建筑模型，并得出該建筑的逐時冷熱負荷及空調電力能耗。再分析建筑中其他電力能耗(如燈光，設備等)的使用情況，得出建筑的總能耗。

2)將該建筑的典型年電力負荷數據導入HOMER軟件，確定可再生能源系統初步配置(光伏發電、風力發電、柴油發電機組)及其尺寸搜索范圍。根據年度建筑用能和產能平衡要求，在HOMER中對所有可行的可再生能源混合系統組合進行篩選，得到該建筑在兩種電價政策下的經濟最優可再生能源系統設計，并對其碳排放和電網友好性進行分析比較。

3)對于并網型建筑系統，系統產生的多余電量將回售給國家電網，回售價格往往會根據當地政策進行調整，因此本文將回售價格作為敏感性分析的變量，分析兩種電價政策下其對零能耗建筑可再生能源系統優化選擇的影響。

1.2 目標函數及評價指標

本文以總凈現值NPC作為優化目標，對零能耗建筑的可再生能源系統進行優化。NPC為由其生命周期中所產生的全部成本減去收益的值。成本包括初投資、運營成本、重置成本等，收益包括國家補貼及回售電量收入。總凈現值計算見式(1)[18]

其中：ENPC為總凈現值；Ctot為系統年度總成本；LCRF為資本回收率；i為年利率；R為系統生命周期。

平均能源成本(COE)是系統生產電量的每千瓦時平均成本，是系統的年度總成本與總電量之比，平均能源成本計算見式(2)[18]

其中：WCOE為平均能源成本；Epri為主要電量；Edef為延遲電量；Egs為回售給電網的電量。

使用可再生能源系統供電的建筑物碳排放量(CEQ)可按照式(3)計算[19]：

其中：TCEQ為碳排放量；Cf為化石燃料消耗量；Eco2為CO2排放因子。

電網相互作用指標(PE)被用來量化由可再生能源系統和電網之間的電力交換波動引起的電網壓力[20]。電網相互作用指標計算見式(4)，其范圍在0到1之間，較小值表示較好的電網友好性。

其中：GPE為電網相互作用指標；STD為標準差；Pmis為每小時的電力不匹配值，代表建筑物和電網之間的電力交換；下標i是第i小時。

2 應用分析

2.1 建筑物及其相關參數

本文以中國中部某高校學生宿舍(圖2)為例，旨在將該建筑設計為依托混合可再生能源系統的零能耗建筑。該建筑坐北朝南，總建筑面積10 327 m2，空調面積7 969.5 m2，高19.9 m，建筑共6層，有學生宿舍330間，每間宿舍面積24.15 m2。主要參數見表1。

建筑物的能源消耗主要由空調、照明及小功率電器組成。首先，通過DeST軟件對建筑進行建模，模擬得出全年每一時刻(8 760 h)的冷熱負荷(見圖3(a))。由于每個房間采用額定功率的獨立空調器，根據冷熱負荷可得出空調的全年逐時用電量。其次，基于該建筑實際用電規律可獲得照明及小功率電器的用電負荷，從而得出全年電負荷逐時數據。最后將建筑的全年用電負荷數據文件輸入HOMER軟件中，可得出如圖3(b),(c)所示建筑物年平均日負荷以及月平均負荷數據。

圖3(b)中，由于白天學生常在教室或圖書館學習，常于22：00點后回到宿舍，故最大負荷需求發生在夜間。圖3(c)中，由于制冷及供暖需求，冬、夏季電力消耗明顯高于春、秋季。但由于學生寒暑假的特殊情況，每年假期時(7月15日—8月15日，1月15日—2月15日)宿舍封鎖，一切負荷為0。

圖2 建筑物模型Fig.2 Model of the building

表1 建筑物主要參數Tab.1 Main parameters of the building

圖3 宿舍樓負荷情況Fig.3 Load of the building

2.2 可再生能源系統及相關參數

混合可再生能源系統包括光伏面板(PV)，風力發電機(WT)，轉換器及國家電網(Grid)。光伏面板發電量受當地太陽輻射影響。太陽輻射數據選取當地典型年平均數據，其月度數據如圖4(a)，平均輻射量為3.75 kW·h·m-2·d-1。本文采用的光伏面板及其相關參數在HOMER中定義，其初始成本、重置成本及每1 kW的運維成本分別為11 000元/kW、7 600元/kW和70元/a。假定光伏組件壽命為25 a，降額因子為0.8，不考慮溫度效應，光伏面板設計角度固定為31.9°。

風力發電機發電量受當地風力資源影響，當地月平均風速如圖4(b)所示，年平均風速為3.87 m/s，冬季風速更高，有較大的風力發電潛力。文中采用的風力發電機大小型號為10 kW/臺(G10)，其初始成本、重置成本及每臺的運維成本分別為48 500，41500元和700元/a，假定風力發電機的壽命為15a。

圖4 該地區氣候情況Fig.4 Weather data in the area

光伏面板(直流)和風力發電機(交流)發電需要逆變器將直流電轉換為交流電，以便建筑物日常使用和回售給電網。轉換器的初始成本、重置成本及每kW的運維成本分別為1 560元/kW、1 560元/kW和 70元/a。轉換器的壽命假定為15 a，轉換效率為90%。

在并網可再生能源系統中，電網被視為具有電池功能，建筑可向其購買和出售電量的部件。根據當地用電收費政策，用戶可選擇單一費率政策(SRP)或時間費率(TRP)政策。SRP政策是指全天24 h向電網購買電力的價格皆為0.866 元/(kW·h)，TRP政策是指在8：00—22：00的電力價格為0.9 元/(kW·h)，22：00—8：00的電力價格為0.623元/(kW·h)。此外，由于國家及當地政策對可再生能源應用的大力支持，并網可再生能源系統所產生多余電量可售賣給國家電網，售賣電價高達1元/(kW·h)。

2.3 結果分析

DeST模擬結果顯示，建筑物的用電量約為399(kW·h)/d，最大用電負荷為352 kW。由于混合可再生能源系統與電網連接，根據當地用電政策，下面分別對電網兩種不同收費方式(即SRP和TRP)下的可再生能源系統進行分析優化。

1)僅采用電網系統(無任何可再生能源系統供電的傳統建筑)電力直接從國家電網購買，以滿足建筑物的電力負荷需求，無多余電力產生。當采用SRP收費政策時，電價不隨時間變化，系統的NPC及COE顯然分別為126 099元和0.866元/(kW·h)，CEQ為92 040 kg，PE為0.069。當采用TRP收費政策時，電價隨時間變化，系統的NPC及COE分別為108 574元和0.748元/(kW·h)，CEQ、PE不變，仍為92 040 kg和0.069。

2)混合可再生能源系統 包括光伏發電和風力發電，并與國家電網相連(PV/WT/Grid)。當建筑物電力負荷需求高于系統發電量時，可向電網購買電量，反之則將過剩電量售賣給電網。在HOMER中電網穩定性設定為100%，系統設計如圖5所示，共模擬該建筑25年用電情況。優化模擬中可再生能源系統的設計參數范圍分別是PV功率0～150 kW，每組間隔10 kW，WT數量0～50臺，每組間隔10臺，轉換器功率0～400 kW，每組間隔50 kW，向電網購買電量最大值為1 000 kW。總設計方案為864組。

圖5 PV/WT/Grid混合系統Fig.5 PV/WT/Grid hybrid system

2.3.1 SRP用電收費政策下PV/WT/Grid混合系統

當采用SRP用電收費政策時，經濟最優的混合可再生能源系統為130 kW光伏組件、10臺G10風力發電機及100 kW的轉換器。該系統的NPC為1 827 498元，COE為0.984元/(kW·h)。與僅電網系統相比，COE增加了13.6%，可見在SRP下可再生能源系統在經濟上無優勢。

由于并網零能耗建筑需要實現建筑電力需求量和可再生能源系統發電量之間的年度平衡，因此每年評估時，可再生能源的總發電量應該等于或高于用戶用電需求。在SRP下，49%的發電量來自光伏面板，23%來自風力發電機，28%來自國家電網。建筑物消耗了總發電量的50%，而其余的50%回售給國家電網。由于回售給國家電網的電量可視作無碳排放電量，則該系統減少了36 439 kg的CO2排放量，與僅采用電網系統相比，在碳減排方面優勢大，對環境較為友好。

2.3.2 TRP用電收費政策下PV/WT/Grid混合系統

當采用TRP收費政策時，由于宿舍建筑作息時間的特殊性，很大程度上避免了在TRP政策下收費較高時間段的用電。經濟最優的混合可再生能源系統為120 kW光伏組件、10臺G10風力發電機及100 kW的轉換器。該系統的NPC為1 596 909元，COE為0.859元/(kW·h)。系統COE比僅電網系統下高15.9%，但比在SRP下的系統低12.6%，可見采用TRP收費政策時，與僅電網系統相比經濟上無優勢，但與SRP相比在經濟上有一定優勢(見表2)。

表2 在兩種電力收費政策下系統性能比較Tab.2_ Comparison of system performance under two power charging policies

在TRP下，47%的發電量來自光伏面板，24%來自風力發電機，29%來自國家電網。建筑物消耗了總發電量的51%，回售給國家的則有49%。該系統減少了30 458 kg的二氧化碳排放量，比在SRP下的系統減少的碳排放量低16.4%，可見對環境的友好性不如在SRP下的系統，但對僅電網系統而言，環境友好性仍具較大優勢。兩種不同情況下月均電力產量見圖6。

由電力產量圖可得建筑物每月與電網存在電力交換，對一年8 760 h的電力交換進行逐時分析，可評估可再生能源系統對于電網的友好性。在僅電網系統和采用不同的電力收費政策時，最優系統的電網相互作用指標分別為0.069，0.114(SRP)和0.111(TRP)。表示在電網友好性方面，僅電網系統最佳，TRP政策下次之，但優于SRP政策下的可再生能源系統。

圖6 系統月平均電力產量(SRPvs TRP)Fig.6 Monthly average electricity output of the system(SRPvs TRP)

2.4 敏感性分析

近年來中國為促進可再生能源的應用，各地區都采取了一定的激勵措施，如本研究中可再生能源發電回售給電網的價格高達1元/(kW·h)源于國家對于可再生能源發電的各項補貼。但隨可再生能源系統應用的逐漸普及，國家相應的財政補貼將會逐漸縮減，因此研究回售價格對可再生能源系統設計的影響有其必要性。在PV/WT/Grid混合系統中，對電網回售價格進行敏感性分析，即1，0.970，0.935，0.900，0.866元/(kW·h)。

圖7 不同回售價格的NPC和CO2變化Fig.7 NPC and CO2Change under different sell-back prices

當采用SRP用電收費政策時(如圖7(a)所示)，隨著回售價格的下降，系統COE增加，CO2減排降低。當回售價格從1元/(kW·h)降至0.866元/(kW·h)時，COE從0.984元/(kW·h)升至1.011元/(kW·h)(增加2.8%)，減排的CO2從 36 439 kg 降至4 880 kg(降低86.6%)，經濟性與環境友好性變差。從電力產生量來說，可再生能源發電量從72%降至65%，向電網購買電力的部分從28%升至35%。當采用TRP用電收費政策時(如圖7(b)所示)，系統COE隨回售電 價下降而上升，CO2減排降低。當回售價格從1元/(kW·h)降至0.866元/(kW·h)時，系統COE從0.859元/(kW·h)升至0.942元/(kW·h)(增加9.7%)，減排的CO2從30 458 kg降至4 880 kg(降低84%)，經濟性與環境友好性仍然變差。從電力產生量來說，可再生能源發電量從71%降至65%，向電網購買電力的部分從29%升至35%。此外，當回售電價低于1元/(kW·h)時，COE會逐漸高于0.859元/(kW·h)，這表明若國家政策無法繼續支持，即回售價格降低，在經濟成本上將高于僅電網系統，經濟性與環境友好性均變差。在經濟方面，回售價格的降低對TRP系統下的影響高于SRP系統；而在環境友好性方面其對SRP系統下的影響高于TRP系統。

在電網相互作用指標方面，當回售價格從1元/(kW·h)降至0.866元/(kW·h)時，在兩種收費政策下，由于其可再生能源系統尺寸不同，電量產生發生變化，則PE指標隨之變化，呈下降趨勢，也就是說電網友好度逐漸上升。在SRP下，PE指標由0.114降至0.099；在TRP下，PE指標由0.111降至0.099。可見當回售價格為0.866元/(kW·h)時，兩種收費政策下的最優可再生能源系統與電網的友好度相同，但其電網友好性仍不如傳統建筑。

圖8 不同回售價格的PE變化Fig.8 PE change under different sell-back prices

3 結 論

以夏熱冬冷地區的高校學生宿舍為例，對其實現零能耗建筑進行了可行性分析，基于該地區單一費率政策(SRP)和時間費率政策(TRP)，從經濟性，環境友好性及電網友好性三個方面對系統選型和性能進了比較。得出以下結論：

1)與傳統建筑物相比，采用可再生能源系統供電的零能耗建筑經濟上無優勢，在環境友好性方面貢獻突出，符合國家節能減排的倡議；

2)建筑物在TRP政策下更經濟，環境友好性無優勢，電網友好性略優；

3)當國家和當地政府財政不再大力支持可再生能源系統發電，在TRP政策下與傳統建筑相比經濟上不占優勢，其碳減排量減少但仍優于傳統建筑，電網友好性逐步上升但不及傳統建筑；

4)在TRP政策下，回售價格的降低對系統的經濟性影響比其在SRP下更大，其對系統環境友好性的影響卻比在SRP下更小。

本文未考慮可再生能源系統部件的成本對于系統優化的影響，同時國家對可再生能源系統安裝的補貼會逐漸降低，但光伏面板、風力發電機等技術日趨成熟，成本也逐漸降低。可預見在不久的將來，零能耗建筑不僅能實現環境友好性，在經濟上的優勢也會逐漸顯著。