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中国零能耗居住建筑与光伏系统能源匹配特性研究

刘常平  
【摘要】:零能耗居住建筑因节能性能优越而受到社会广泛关注。为实现居住建筑能源产需平衡,可再生能源应用必不可少。光伏系统由于其能源品位高、应用范围广而最为合适。但我国建筑光伏系统研究开展较晚,不同气候区零能耗居住建筑用能与光伏系统产能存在时空、容量不匹配;光伏逐时计算方法运算量大且对基础数据要求高,逐月计算方法精度不足;建筑光伏系统贡献率计算方法尚未建立;零能耗居住建筑光伏余热利用不充分等问题,对建筑光伏系统在我国的推广应用造成了一定阻碍。针对上述问题,开展以下研究内容:首先,本文针对零能耗居住建筑低负荷特点,构建了基于动态加权平均处理的逐月典型日气象参数计算方法。其通过采用动态加权平均方法处理逐时气象数据,得到逐月典型日太阳辐射数据,最终获得逐月光伏发电量。该计算方法综合考虑逐月各小时气象数据,消除天气因素不确定性对计算结果的影响,相比于原有计算方法,基于典型日的逐月光伏发电计算方法准确度提高5%~10%。其次,针对并网光伏系统,基于我国各气候区气候条件,提出了建筑光伏组件安装倾角、朝向、光电转换效率和光伏容积率等多因素影响的光伏系统匹配贡献率计算方法,并给出各气候区零能耗居住建筑最大光伏贡献率。研究表明,我国西南地区典型居住建筑最易实现零能耗;采用高光电转换效率的光伏组件时(20%),我国各地建筑能耗综合值都可低于15 kWh/m2a,青藏高原与云贵高原典型高层居住建筑光伏贡献率可达168%和130%,我国东南部地区只有在低层和中层建筑中才有可能实现能源产需平衡;采用并网光伏系统贡献率计算方法所得数据平均偏差为5.5%,该计算方法对不同地区均有较好的适用性。再者,针对离网光伏系统,提出了基于逐月产能用能匹配条件下的零能耗居住建筑光伏系统优化方法及匹配方式,为零能耗居住建筑离网光伏系统的设计提供了技术基础。低层建筑中,各地区屋顶光伏系统发电量均可满足建筑70%的能源需求。中层建筑中,我国南方地区典型居住建筑东西立面光伏系统优于南立面光伏系统,其光伏贡献率提高5%~10%,青藏高原与云贵高原两地典型居住建筑光伏容积率至少达到0.13和0.17后才可能实现零能耗。高层建筑建议采用屋顶+南立面+东西立面相结合的布置方式,当光伏容积率超过0.1之后,云贵高原地区东西立面光伏系统相对于南立面的优势逐渐显现。即使在青藏高原,光伏容积率至少达到0.14之后才可能实现零能耗建筑。当供暖能耗/供冷能耗占主导时,屋顶光伏系统倾角应略高于/低于当地纬度,立面光伏系统布置应以南立面/东西立面为主。最后,针对光伏系统产热特性,确定了我国不同气候区冬季南立面光伏系统背板夹层温度变化规律,为光伏余热在冬季零能耗居住建筑供暖中利用提供了基础条件。研究结果表明,除东北地区外,我国其余地区南立面光伏系统背板温度均在冬季达到峰值。即使在北方严寒地区,冬季晴天室外温度为-10℃的情况下,光伏系统背板温度依然保持在20℃。


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