合同能源管理模式下非逆變光伏照明節電在公共建筑的實踐應用

郭峻臣 陳國棟

深圳市機關事務管理局

0 引言

建筑能耗約占我國能源消費總量的21.7%[1]，而公共建筑能耗占到本行業的30%左右[2]。根據《公共建筑能耗遠程監測系統技術規程》，建筑用電分為照明插座、暖通空調、動力和特殊四大分項，其中照明用電占比30%～50%[3]，并且呈快速增長趨勢。公共建筑因其較高的能耗水平，特殊的社會角色和服務屬性，對其開展能源資源節約利用不僅有利于降低能源成本，同時可以對全社會起到示范引領作用，具有重要經濟、環境、社會效益。

1 公共照明節能現狀和應用分析

公共照明節能改造可有效提升照明系統乃至既有建筑整體的能效水平。根據某項研究，盡管照明能耗在建筑中低于暖通空調系統，但由于高節能率和低實施難度，照明減排貢獻潛力高達43.7%[4]，名列第一。目前，常用節能的手段包括照明系統優化設計、結構改造、燈具更新、控制策略優化和可再生能源利用等。實踐表明，某些項目通過更換高效節能燈具取得了一定的節電效果，但仍面臨諸多問題：一是改造成本高，用戶一次性更換大批燈具，投資大、融資難、收益周期長；二是實際照明效果一般，因公共建筑照明的運行時間長，存在長明燈現象，導致光衰較大、亮度降低；三是維護管理不到位，特別像地下停車場等隱蔽場所，設備故障后長期得不到處理，有些建筑為了節約成本只開啟部分照明，既達不到設計的亮度要求，也存在安全隱患；四是系統損耗高，照明燈具及控制開關多為直流用電設備，由交流市電整流為照明系統供電時，自身損耗較高。這些因素都降低了照明節電改造的實際效果，增加了使用和管理維護成本。

在合同能源管理（Energy Performance Contracting，國內簡稱EMC）模式下，采用非逆變光伏照明節電技術有望改善公共照明系統節電效果。首先，非逆變光伏發電技術成熟，系統配置靈活，化零為整，可以充分利用建筑屋頂等空間資源。第二，系統低壓直流供用電，光伏發電直接用于照明，無逆變損耗、控制開關整流損耗，減少光伏組件串聯損耗、變壓器損耗，轉換效率更高。第三，系統結構簡單，便于維護，可靠性和安全性高。第四，采用智能化控制策略，各單元設備匹配度高，可避免長明燈現象，使用壽命長。第五，作為一種新型商業化管理模式，項目所需的資金由建設方提供，降低業務投資風險、解決資金難問題。最后，專業化的節能服務公司還能提供從設計、采購、安裝、管理到運維等全生命周期服務，有效降低了項目成本。

因此，通過將非逆變光伏節電新技術與合同能源管理新模式有機融合，為建筑節能帶來更加廣闊的發展潛力。

2 案例概況

2.1 項目背景

S市位于北回歸線以南，屬亞熱帶海洋性氣候，夏季長達6個月，年平均日照約2 060 h。本研究選取的公共建筑地下停車場建成于2004年，建筑面積近10萬m2，共有停車位2 600個。改造前，地下停車場照明采用40 W的T8熒光燈共計3 100盞，年均用電107.1萬kWh。改造前的設備配置清單和用電情況如表1所示。

表1 地下車庫照明系統改造前年能耗計算表

該照明系統在改造前存在如下4點不足。

1）手動開關，采用傳統的控制模式，無法實現自動化管理。

2）T8燈管使用壽命相對較短，后續的更換成本和運維成本較高（見表2）。

表2 熒光燈與LED燈技術參數表

3）相比LED燈具，相同照度要求的單位功率密度低[5]，燈具配置數量多。

4）長時間運行燈具光衰大、亮度達不到要求。

本案例針對以上4點不足，應用非逆變光伏照明節電系統進行節能改造升級。

2.2 系統介紹

光伏發電是利用光電效應原理，將太陽能轉變為電能的過程。目前，廣泛應用的光伏并網發電技術就是將光伏的直流電逆變為交流電，再經過升壓配網，最終輸送至千家萬戶（如圖1）。但光伏并網發電存在損耗大、孤島效應、與市電同步同相等問題，而城市因為空間資源有限，無法實現大規模組網，也為光伏發電技術在城市中的推廣應用造成不利影響。

圖1 光伏發電系統示意圖[6]

與此同時，隨著科技進步，光伏面板和儲能電池的成本逐漸降低，我們日常生活中使用的低壓、直流負載（如照明、電子電器等）越來越多，用電量增大，如果能將光伏產生的直流電無需逆變直接供配給這類直流設備，將提高用電效率、減少資源浪費。本案例采用的非逆變光伏照明節電技術正是將光伏發電直接用于直流公共照明，減少中間環節的損耗，是公共建筑光伏節電的又一創新應用場景。

2.3 系統組成

非逆變光伏照明系統是一個光伏、市電、儲能電池三元供電，儲能電池、照明二元用電的綜合照明系統，由光伏矩陣、遠程升壓傳輸模塊、系統主控器、儲能電池和照明負載等組成（如圖2）。

圖2 非逆變光伏照明系統示意圖

1）光伏電池矩陣

太陽能電池面板是系統中最重要、也是成本最大的組件之一，常見的電池板有單晶硅、多晶硅和薄膜等硅材料，多晶硅相比成本更低，適合大型的光伏電站。單晶硅因電氣參數高、衰減小、使用壽命長、發電效率高，更適用于小型組網的應用場景[7]。下面對這三類太陽能電池作簡單比較（見表3）。

表3 單晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜電池比較

除面板材質，光伏矩陣在設計安裝時還需關注自身衰減和損耗問題。測試數據顯示，戶外使用9年的單晶硅光伏組件衰減率較低，約為7.8%[8]。光伏損耗包括串聯損耗、傾斜角、間距損耗、遮蔽效應和溫度效應等[9]。其中，光伏面板串聯會因工藝和參數差異產生離散及連接損耗，電池效率隨串聯內阻呈指數減少的趨勢[10]。所以，需根據負載側需求減少串聯、連接等損耗。

2）遠程升壓傳輸模塊

本案例的停車場面積較大，光伏矩陣距離末端照明負載較遠，遠距離傳輸會導致照明和蓄電池供電的壓降較大，影響系統效率。所以系統還需配備一個遠程升壓傳輸模塊，將光伏矩陣的電壓升高到90～300 V[11]，模塊同時具有防浪涌保護功能，提高系統穩定性。

表4 光伏組件室外使用9年后，五個性能參數的初始值與衰減值對比[8]

3）儲能電池

4）系統主控器

在光伏裝機容量、電池特性、照明負載、自然條件等確定后，還需要一個使整個系統綜合協調運轉的“中樞大腦”——系統主控器。該控制器通過監測運行參數、智能調節控制、分析效率指標、報告管理建議，從而保障系統處于一個高效的區間運行。例如，系統會優先將光伏直接為負載供電，當供電不足時，根據效率區間，自動切換為市電或蓄電池供電。系統會根據光伏最大功率曲線自動選擇市電或光伏為蓄電池充電源，綜合協調控制整個系統處于動態平衡狀態[14]。

5）照明負載和控制開關

相比于三基色的節能燈，低壓、直流的LED照明負載具有亮度高、功率小、使用壽命長等優點。根據使用場景，可采用功耗較低的紅外感應控制開關。紅外控制開關如果直接在交流配電系統上使用，整流會產生5 W左右的功耗，影響經濟性和節電率[15]。

2.4 系統設計和節能技術應用

1）定制化的光伏組網，高效集約利用資源

本文試圖回答以下問題：(1)“do/does/did+v.”構式中的V槽位吸引的詞素有哪些？(2)“do/does/did+v.”構式中的V槽位的語義聚類是什么？(3)“do/does/did+v.”構式搭配關聯強度分析對外語教學有何啟示？

本案例在光伏組網設計時主要考慮3個因素：一是S市太陽能資源稟賦情況。當地年水平面輻射量約5 225 MJ/㎡，年均日太陽輻射量3.91 kWh/（m2·d）[7],是國家鼓勵發展太陽能的地區。二是停車場使用面積和照明亮度要求。停車場面積約10萬m2，按照JGJ100—2015《車庫建筑設計規范》，車道照度50 lx，車位30 lx，按照本案例采用的8～12 W高效LED燈具照度測算出所需照明功率。三是光伏面板安裝空間。停車場所在地點空間有限，無法大面積布置光伏面板，同時還要考慮到風荷載[16]、防雷等因素。因此，本案例根據當地氣候條件、輻射傾角、實際用電需求和場地空間等，在廣場兩側各400㎡的空地共安裝了單片功率140 Wp的高效單晶硅電池板800片，總功率為112 kWp，該類型面板的弱光性強，相較普通單晶硅的光電轉換效率提高30%（見圖3）。

圖3 水平面平均日太陽輻射量（來源：深圳市氣象數據）

2）扁平化的系統架構，結構簡單損耗小

（1）系統供需兩端直流發電直接用于直流負載，電氣特性匹配性好，系統結構簡單，穩定性和可靠性更高。本案例組成設備包括前端光伏發電、中間傳輸控制環節、儲能電池和末端照明負載等，前端的光伏面板單位組件為140 Wp，工作電壓24 V，采用8片串，串聯損耗大幅降低。光伏面板經串聯后接入直流匯流箱，再經升壓傳輸給停車場照明負載和蓄電池。根據實際需求，末端安裝的LED照明功率較小，停車場過道等區域安裝12 W的LED燈具3 000多盞，非車道安裝8 W的LED燈具2 000多盞，既達到設計規范的照度要求，也充分發揮了系統直流、低壓、小功率特點（見圖4）。

圖4 單套非逆變光伏照明接線原理圖

（2）系統損耗小、效率更高。相比光伏并網發電，非逆變光伏照明應用無需逆變、無需市電整流、無需大規模串并聯組網。一是減少了串并聯損耗，電池面板大規模串聯封裝會增加光伏的離散和連接損耗，數據顯示，僅串聯電阻損失會占到光伏組件功率的8.6%[17]。二是減少了逆變損耗，直流發電直接用于直流負載，不需要逆變裝置。三是減少了照明控制開關損耗，目前常用的控制開關是直流供電，電路電壓5 V，功耗約0.1 W,整流損耗高且常被忽視，同時存在著一定的安全隱患[18]。四是減少了變壓器損耗，光伏發電無需升壓并入市電，直接用于直流負載。從項目實際運行效果來看，可以節省大約20%的系統損耗。

3）智能化的配電管理，實現動態調節協同控制

非逆變光伏照明系統是一個三元供電、二元用電的系統，其光伏電力、蓄電量和負載功率等為隨機變量，因此，本案例設計安裝了智能配電主控器，負責監視光伏發電、末端負載和電池電量，根據控制算法優化多種供用電配置策略，使整個系統協同運轉，既提供穩定可靠的用電輸出，又提高整體效率。該系統主控模塊集成于系統控制柜。當多元供電時，主控器優先把光伏電力直接供給負載，受天氣條件等因素影響，發電不足時再由蓄電池、市電供電。系統會存儲蓄電池的極化規律特性曲線，設置高性能區間范圍，保證蓄電池處于高效區間，避免過放電對性能的影響。當二元用電時，多余的光伏電力補充給蓄電池，在光伏電力達不到蓄電池充電參數要求時，切換至市電模式，防止過充或過放。在系統使用過程中，系統主控器不但實現供用電的動態平衡管理，還可以根據系統運行參數和效率曲線變化不斷進行配電策略的優化、調整，保持系統一直處于最佳的效率曲線。此外，系統還能通過監測、診斷蓄電池電氣參數，實現電池健康管理(見圖5)。

圖5 能流平衡圖

4）高性能的儲能電池，提高效率和使用壽命

在系統中，蓄電池既擔任供電元，又充當負載元，其性能特性還決定著系統的配電狀態。本案例在蓄電池選型時主要考慮以下因素：一是電池容量，按照光伏面板和停車場實際負載，共配備100 Ah的蓄電池100塊，安裝在控制系統柜，平均每塊電池連接60盞LED燈具。二是電池高效率區間[19]。為解決光伏電力無法像市電條件提供穩壓、恒流的變功率充電效率問題，根據光伏電力輸出特性，選擇寬效率范圍的蓄電池。本項目采用的是一款高性能的鋰電池，根據蓄電池效率實驗，鋰電池的充放電效率比同型號鉛酸電池高出近5個百分點。三是恢復能力較強。某研究顯示，長期充電不足、經常性深放電，鉛酸電池比較鋰電池更容易衰減，鋰電池的平均容量恢復率仍高達99.4%[20]。除蓄電池自身特性，還要在系統主控器的統一管理下，與系統光伏、市電、照明等協同運轉，并實現對電池的信息化管理、智能化運維保養（見圖6）。

圖6 鉛酸電池和鋰電池80%荷電態的循環壽命曲線

5）可靠的直流照明負載，提升用戶體驗

本案例采用的寬視角、高亮度LED燈具，功率8～12 W，平均照度達到61 LX，使用壽命達50 000 h以上，經過專門的亮度和柔和性調校后，使用效果超過普通40 W的節能燈，滿足地下停車場等區域的日常照明使用。根據使用區位，系統設置了常亮燈和感應燈兩類。其中：在出入口、車道等重要區域，LED燈具設置常亮，系統提供24 h不間斷照明；在車位等其它區域，LED燈具前安裝有紅外感應控制開關，當有人流、車流經過時，自動控制燈具開合。

在直流系統中，紅外感應控制開關電流較小、功率較低，相比于交流整流電路，減少了4～5 W左右的功耗[21]，整個照明系統既有效節省了電費、提高了使用壽命，也滿足了日常使用，提升了用戶體驗（見圖7）。

圖7 停車場燈具和感應開關分布示意圖

3 基于合同能源管理的節能項目模式

3.1 合同能源管理的概念

合同能源管理（EMC）是一種以節省的能源費用來支付節能項目全部成本的全新節能機制，合同能源管理具有以下特點。

1）業主無需投資，節能服務公司承擔節能項目的建設、運維資金，降低了業主單位的風險。

2）共享節能成果，雙方按比例分享節能效益，節能服務公司依靠降低的能源費用來填補項目投資成本并獲得節能效益。

3）專業化節能服務，節能服務公司負責合同期內項目施工、運營、維護等方面管理，發揮專業優勢。

4）節能效果有保證，在EMC項目中，若節能服務公司達不到設定的節能率則不能獲益，促使提供更先進的解決方案，使節能效果更有保證。

3.2 合同能源管理的模式

合同能源管理模式主要有節能效益分享型、節能量保證型、能源費用托管型和融資租賃型四種。該四種模式在合同期后，節能設備的所有權都歸用戶所屬，并且在節能改造后所帶來的全部節能效益由用戶享用[22]。

3.3 實踐應用

該案例是S市公共建筑中首個基于合同能源管理模式的光伏發電照明節電項目。按照當年市場造價70元/㎡的綜合成本測算，項目總投資700萬元，采用節能效益分享型和節能量保證型的混合合同能源管理模式，甲乙雙方約定的節能效益分享比例為1:9，合同約定分享期為10年。節能效益分享方案如圖8所示。

圖8 節能效益分享方案

年節能量的計算公式如下：

年節能率的計算公式如下：

年節能效益計算公式如下：

式中：

△E——年節能量，kWh；

E1——基準期地下車庫照明年用市電量，kWh；

E2——報告期地下車庫照明年用市電量，kWh；

η——年節能率，%；

ΔM——年節約費用，元；

P——報告期當地平均電費單價，元/kWh。

4 效益分析

4.1 經濟效益

項目基準期用電為107.1萬kWh，2012年設計安裝光伏容量112 kWp，改造和新增照明燈具約6 000盞。經第三方節能量審核，2013-2019年均節電98萬kWh，年均節電率達到90%以上，按照1:9的節能效益分享比例，0.9元/kWh估算，共節省電費620萬元，節能服務公司不到8年可收回成本。節能減排效益見表5。

表5 節能減排效益表

4.2 社會效益

該項目采用EMC模式實施，通過探索市場化道路，改變了政府公共建筑由財政撥款進行節能改造的投資方式，不但降低了公共機構能耗水平，減輕了財政負擔，也充分發揮公共機構在全社會節能中的示范帶頭作用[23]。同時，以市場化導向培育節能新產業，不斷涌現出一批優秀的節能服務企業。

4.3 環境效益

本案例節能改造后，相當于年節約120 tce，年均減少CO2排放930 t。在習近平生態文明思想和“3060”雙碳愿景的大背景下，綠色低碳已成為新時代中國特色社會主義高質量發展的新路徑。公共建筑應根據其自身能耗特點，通過非化石能源替代，提高能源利用效率等方式，提高自身能效水平[24]，努力建設青山常在、綠水長流、空氣常新的美麗中國。

5 結語

本文介紹了非逆變光伏照明節電技術和合同能源管理模式在S市某公建節能改造項目的實踐應用。經過對照明系統現狀分析，非逆變光伏照明系統結構和特點介紹，項目節能實踐應用成果，經濟、社會、環境效益的綜合分析，充分證明了EMC模式下非逆變光伏照明節電技術的可行性。當前，在全球“雙碳”和我國生態文明建設驅動下，相關節能技術和管理模式將會迎來更好的發展。