光伏空調(diào)技術(shù)在交通樞紐站應(yīng)用

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摘要：在我國(guó)“2030碳達(dá)峰，2060碳中和”的重要目標(biāo)引導(dǎo)下，2030年，中國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。同時(shí)，制冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗占整個(gè)建筑能耗約40%~50%，空調(diào)系統(tǒng)的高能效是建筑節(jié)能減排的重要研究方向。除了提高能效“節(jié)流”外，制冷設(shè)備需要從“開源”的角度尋求節(jié)能減排新出路。本文從“開源”角度對(duì)交通樞紐項(xiàng)目中采用光伏空調(diào)系統(tǒng)可行性論證，通過選型計(jì)算與分析，論證光伏空調(diào)應(yīng)用的可行性，并通過設(shè)計(jì)采用光伏空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：制冷系統(tǒng)；光伏空調(diào)；節(jié)能減排

在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)大調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，清潔能源的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用亟待發(fā)展。自《國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部、國(guó)家能源局關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項(xiàng)的通知》的發(fā)布，要求進(jìn)一步加大市場(chǎng)化配置項(xiàng)目力度：積極推進(jìn)分布式光伏資源配置市場(chǎng)化，鼓勵(lì)地方出臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)性招標(biāo)辦法配置除戶用光伏以外的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，鼓勵(lì)地方加大分布式發(fā)電市場(chǎng)化交易力度開始，全國(guó)已有18個(gè)省市68個(gè)地區(qū)對(duì)新投運(yùn)的、采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目擁有全電量度電補(bǔ)貼。光伏發(fā)電自用成為建筑用電的重要研究方向，具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益。

1項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

1.1工程概況

本項(xiàng)目位于北京市（東經(jīng)116.4°，北緯39.9°），氣候環(huán)境條件優(yōu)異，光照條件好，非常適合光伏發(fā)電，交通樞紐中轉(zhuǎn)站屋頂敷設(shè)面積22000㎡，光伏系統(tǒng)所發(fā)電能優(yōu)先供空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)使用，不足部分由市電補(bǔ)充電能。

1.2太陽能資源條件分析

從NASA數(shù)據(jù)庫(kù)可查得，北京市地區(qū)日均太陽輻照量為4.32kWh/㎡·day，最高達(dá)6.17kWh/㎡·day，年總輻照量為1577.7kWh/㎡，太陽能資源豐富等級(jí)為B級(jí)，是安裝光伏系統(tǒng)的較佳地區(qū)。1.3系統(tǒng)總體架構(gòu)光伏離心機(jī)為雙能源設(shè)備，光伏系統(tǒng)作為光伏離心機(jī)系統(tǒng)的直流能量來源，光伏離心機(jī)優(yōu)先使用光伏發(fā)電量，當(dāng)光伏發(fā)電不足供光伏離心機(jī)使用時(shí)，不足部分由市電提供；當(dāng)光伏發(fā)電量多于光伏離心機(jī)的用電量時(shí)，多余部分并入電網(wǎng)，供給其他用電設(shè)備使用。光伏離心機(jī)系統(tǒng)主要設(shè)備有光伏組件、防雷匯流箱、直流配電柜、光伏離心機(jī)、隔離變壓器、交流配電柜等。光伏陣列表面接受陽光照射形成直流電，直流電經(jīng)過光伏防雷匯流箱進(jìn)行一級(jí)匯流，再通過直流配電柜進(jìn)行二級(jí)匯流后形成一路直流電接入光伏離心機(jī)直流母線，光伏離心機(jī)交流側(cè)接入交流配電柜并網(wǎng)接入市電。

2光伏系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

2.1光伏組件選型

根據(jù)上述項(xiàng)目的屋頂敷設(shè)面積、北京地區(qū)的太陽輻射年總輻照量等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后，選擇360Wp單晶硅組件，該款組件具有發(fā)電量高、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。

2.2光伏離心機(jī)選型

光伏離心機(jī)系統(tǒng)自帶變流單元與光伏陣列相連接，構(gòu)成了一個(gè)光伏系統(tǒng)，具有靈活高效的特點(diǎn)。本工程選用1臺(tái)500RT光伏離心式冷水機(jī)組及1臺(tái)1000RT光伏離心式冷水機(jī)組。

2.3光伏系統(tǒng)組串設(shè)計(jì)

根據(jù)所選用光伏組件技術(shù)參數(shù)、光伏空調(diào)技術(shù)參數(shù)和北京市歷史氣溫條件（晝間最高溫度不超過40.0℃，最低溫度不低于-10.0℃），可根據(jù)下列公式算出光伏組件的串聯(lián)數(shù)：綜合：N=20根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，結(jié)合本項(xiàng)目可安裝光伏組件有效面積，光伏組件的串聯(lián)塊數(shù)可設(shè)計(jì)為20塊，即該項(xiàng)目光伏組件按照20塊/串進(jìn)行設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并且在常規(guī)工況下系統(tǒng)運(yùn)行效率較高。

2.4組件傾角、方位角設(shè)計(jì)

使用國(guó)際通用的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件PVSYST對(duì)地區(qū)的光伏系統(tǒng)進(jìn)行建模分析設(shè)計(jì)，光伏陣列朝正南方向安裝，安裝傾角為40°，此情況下，全年太陽輻照量為1577.7kWh/㎡·year。

2.5光伏陣列前后排間距設(shè)計(jì)

根據(jù)光伏板尺寸、當(dāng)?shù)鼐暥圈?、安裝傾角β，利用以下公式對(duì)該地區(qū)的光伏系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，光伏組件采用雙排排布，光伏陣列按40.00°傾角安裝，光伏陣列前后排間距設(shè)計(jì)為9.50m，該間距可使得光伏陣列在投影最長(zhǎng)的冬至日，在上午9:00到下午15:00前后也不遮擋，保證了光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

2.6光伏陣列排布

本項(xiàng)目光伏組件采用雙排排布，根據(jù)屋頂可鋪設(shè)面積進(jìn)行估算，預(yù)計(jì)安裝360Wp單晶硅組件2380塊，裝機(jī)容量856.80kWp，光伏系統(tǒng)共需要安裝面積約為11828.60㎡。

2.7防雷匯流箱

光伏防雷匯流箱主要用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件的一級(jí)匯流，根據(jù)光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范，光伏防雷匯流箱應(yīng)具有如下功能：應(yīng)設(shè)置防雷保護(hù)裝置；輸入應(yīng)設(shè)置防逆流及過流保護(hù)。對(duì)于多級(jí)匯流光伏發(fā)電系統(tǒng)，如果前級(jí)已設(shè)防逆流裝置，后級(jí)可不做；輸出應(yīng)具備隔離保護(hù)功能。

2.8直流配電柜

直流防雷配電柜主要用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的二級(jí)匯流。直流配電柜應(yīng)具有防雷保護(hù)及過流保護(hù)功能。根據(jù)需要，可配置直流電流、電壓、功率、電能等計(jì)量功能。

2.9隔離變壓器

光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的變壓器為干式變壓器，變壓器容量根據(jù)裝機(jī)容量、機(jī)組配電功率綜合選取，且宜選用標(biāo)準(zhǔn)容量，選擇的變壓器應(yīng)該具有隔離直流分量和高次諧波的作用。在確定主變壓器的額定容量時(shí)，需要留有20%的裕度。

2.10交流配電柜

交流配電柜作為系統(tǒng)交流側(cè)與電網(wǎng)對(duì)接的配電單元，主要用于給光伏系統(tǒng)提供并網(wǎng)接口，根據(jù)需要，還可以給本地負(fù)載使用。此外，還應(yīng)帶有防雷、測(cè)量、過流保護(hù)、電壓電流采樣、電能計(jì)量等功能，對(duì)并網(wǎng)接口起到很到的監(jiān)控作用。

3發(fā)電量預(yù)測(cè)及效益分析

3.1發(fā)電量計(jì)算

光伏發(fā)電量的估算需要綜合考慮多種因素，以地區(qū)特點(diǎn)，綜合考慮光伏組件效率、變流器效率、灰塵及雨水遮擋損失、組件串并聯(lián)匹配損失、弱光損失及其他項(xiàng)損失等因素，綜合效率約為80%。本項(xiàng)目光伏系統(tǒng)第一年發(fā)電量預(yù)計(jì)可達(dá)111.99萬kW·h。光伏系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，考慮到光伏組件固有特性，第一年的衰減系數(shù)為2.5%，第二年開始往后每年衰減0.5%，30年衰減不超過20%，本項(xiàng)目光伏離心機(jī)系統(tǒng)30年發(fā)電量預(yù)計(jì)可達(dá)3048.88萬kW·h。

3.2經(jīng)濟(jì)效益分析

項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益如表1，光伏系統(tǒng)總投資約為471.24萬元，30年運(yùn)行周期內(nèi)光伏系統(tǒng)節(jié)約電費(fèi)約為2134.22萬元。

3.3環(huán)境效益分析

太陽能光伏發(fā)電是一種具有可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源發(fā)電技術(shù)，發(fā)電過程簡(jiǎn)單，沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不消耗燃料，不排放包括溫室氣體在內(nèi)的任何物質(zhì)，無噪音、無污染，且太陽能資源取之不盡、用之不竭，是一種綠色清潔能源。推廣和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，應(yīng)用分布光伏發(fā)電系統(tǒng)，將有利于提高社會(huì)能源利用的效率。對(duì)于該項(xiàng)目，若按30年統(tǒng)計(jì)，其環(huán)境效益如表2所示。

4結(jié)語

通過研究對(duì)北京某交通樞紐建筑光伏空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用計(jì)算選型分析，得出以下結(jié)論：本交通樞紐滿足使用光伏空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，光伏系統(tǒng)發(fā)電量可以滿足空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)運(yùn)行需求，光伏敷設(shè)面積峰值發(fā)電量大于空調(diào)制冷主機(jī)能耗，總光伏制冷主機(jī)裝機(jī)容量1500RT，可以滿足本建筑的使用需求。在非制冷季或者空調(diào)負(fù)荷較小的時(shí)間，光伏發(fā)電可以用于其他設(shè)備用電需求或并入電網(wǎng)。本套光伏空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命30年周期內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排24970.32t。采用該系統(tǒng)節(jié)能減排效果顯著，具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

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作者:劉臣厚 馮薇 單位:北京格力中央空調(diào)工程有限公司 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司