基于OpenStudio的光伏建筑屋顶能耗效能分析_王津.pdf

31城市与建筑City&Architecture2023NO.03引文检索：王津，王文斌，于楚凡，等.基于 OpenStudio 的光伏建筑屋顶能耗效能分析 J.重庆建筑，2023（3）：31-33.基于 OpenStudio 的光伏建筑屋顶能耗效能分析王津1，王文斌2，于楚凡1，符子扬3（1西交利物浦大学智能工程学院，江苏苏州215028；2温州德力西集团有限公司，浙江温州325604；3西交利物浦大学设计学院，江苏苏州215028）摘要：为了探究光伏建筑最佳利用方位和角度，首先将 BIPV（Building Integrated Photovoltaic）和 BAPV（Building Attached Photovoltaic）进行了定义区分，明确需要进行建模的类别。然后，基于上海地区的地理位置和气候条件，通过使用 OpenStudio 进行光伏建筑建模，通过设置屋顶光伏板不同方位和倾角得出最佳利用效能，并与理论结果进行对比分析以验证可行性。结果表明：基于上海地区的地理位置，光伏屋顶的最佳朝向是南，倾角在 25 左右可以使光伏利用效能达到最大，由此可以得出不同地理位置的最佳光伏利用倾角及方位，可为实际工程应用中节约时间、提高利用效率提供参考。关键词：BIPV；BAPV；上海地区；OpenStudio；最佳光伏利用倾角及方位中图分类号：TU201.5；TK01+1 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）03-0031-03收稿日期：2022-08-15作者简介：王津（1999），男，重庆人，硕士，主要研究方向为新能源控制技术、电池主动均衡以及微电网决策规划，邮箱：。OpenStudio-basedEnergyEfficiencyAnalysisofPhotovoltaicBuildingRoofsWangJin,WangWenbin,YuChufan,FuZiyangAbstract:InordertoinvestigatetheoptimalutilizationorientationandangleofPVbuildings,BIPV(BuildingIntegratedPhotovoltaic)andBAPV(BuildingAttachedPhotovoltaic)arefirstlydefinedanddifferentiatedtoclarifythecategoriesthatneedtobemodeled.Then,basedonthegeographicallocationandclimaticconditionsofShanghairegion,thePVbuildingsaremodeledbyusingOpenStudio,yieldingtheoptimalutilizationefficiencybysettingdifferentorientationsandinclinationanglesoftherooftopPVpanels,andtheresultsarecomparedwiththetheoreticalresultstoverifythefeasibility.TheresultsshowthattheoptimalorientationofthePVroofissouthandtheinclinationangleisabout25,whichcanmaximizethePVutilizationefficiency,andthustheoptimalinclinationangleandorientationofphotovoltaicutilizationindifferentgeographicallocationscanbeobtained,providingreferencefortimeconservationandutilizationefficiencyenhancementinpracticalengineeringapplications.Keywords:BIPV;BAPV;Shanghairegion;OpenStudio;optimalPVutilizationinclinationandorientationdefensivecharacteristics0 引言目前，随着全球环境问题的日益严重和能源的需求越来越大，加上一些新能源技术的快速发展，全世界都在为利用新能源进行能源创新研究。迄今为止，太阳能是所有可再生能源中最丰富、最不可耗尽和最清洁的能源1。光伏发电是目前利用太阳能的最佳方式之一，主要是利用具有光伏效应的半导体将太阳辐射转换为直流电来产生电能。光伏发电需要采用含有许多光伏材料的电池组成的太阳能电池板，目前主要用于光伏的材料有多晶硅、单晶硅、非晶硅等。由于目前对新能源的需求越来越大，相关的光伏研究也进一步展开，以期提升光伏利用的效率。比如，马来西亚一所大学就针对建筑中双坡屋顶薄膜 BIPV 在不同角度和方向下的能量输出和性能进行了研究，经过长时间的研究探索，他们发现以 15和东方位倾斜的 BIPV 的表现是最好的，也就是说以这个方位和角度进行太阳能利用的效率最高2。加拿大北部拥有比较丰富的太阳能资源，一所大学通过研究被动式和主动式太阳能设计策略以提高北方住宅能效的潜力，主要使用 EnergyPlus 对房屋进行建模，优化参数配置，以达到提高效能的目的3。当然，国内也有很多关于提升光伏利用效率的研究，汪源等4在低纬度地区利用 LabVIEW 软件来对光伏建筑的结构、形状和方位进行研究，对于提升光伏利用效率具有重要意义；杨茜研究了一种基于 SciLab/Xcos 开源软件模拟太阳能光伏建筑节能评价的方法，并对沈阳地区的某建筑进行了仿真分析，得出了最佳安装倾角，对实际工程施工具有重要参考意义。本文在上述研究的基础上基于 OpenStudio（OpenStudio 是美国可再生能源实验室领导多家单位参与开发的集成 EnergyPlus 进行能耗模拟，使用 Radiance 进行采光模拟，具有 Windows、Mac 和 Linux 版本的建筑能耗模拟软件）对太阳能板的能耗进行具体分析。1 光伏建筑光伏建筑按照光电阵列安装系统划分可以定义为 BIPV 和 BAPV 两大类。首先，BIPV 是建筑结构的功能部分，被融入建筑的设计中去，例如替代传统屋面材料（瓦片、窗户等），即 BIPV 既是发电产品也是建筑材料，集两种功能于一身，如图 1 所示。BAPV 则是建筑的一个附加物，并不直接与建筑材料有功能联系，只具备发电的功能，目前常doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.03.31Chongqing Architecture32第 22 卷 总第 233 期见的使用形式主要是支架式和机架式阵列：支架式阵列安装在建筑屋顶的表面上方，并平行于倾斜屋顶的坡度；而机架式阵列则被安装在平屋顶上方，其处于最佳应用的方位和倾斜度1，图 2 给出了一个关于 BAPV 的模型示例。图 1 BIPV 模型示例图 2 BAPV 模型示例未来的光伏建筑不仅仅只是节能，而且还要充分考虑所附带的美观性、环保性等因素。随着社会的不断发展，人们对居住环境的美观要求也越来越高，在确保充分发挥光伏性能的同时，也应考虑光伏建筑的美观性，且不要为了节能而节能，需充分考虑环保效果，多使用环保性材料，使未来我国的光伏建筑具备绿色、低碳、环保的能效6。2 OpenStudio 光伏建筑建模分析首先，需要了解光伏电池的基本特性，单个太阳能电池电路如图 3 所示。图 3 单个太阳能电池电路图 3 中，G 为光照强度，W/m2；Iph为光生电流，A；Id为二极管正向电流，A；Rsh为分流电阻，R；Ish为漏电流，A；Rs为串联电阻，R。输出电流的等式如式（1）所示：IphdshIII=（1）式中：(298)1000phsctGIIK T=+（2）0()exp 1sdq VIRIIAKT+=（3）sshshVIRIR+=（4）根据式（2）式（4），太阳能电池输出电流的计算公式如下所示：0(298)1000()exp 1sctssshGIIK Tq VIRVIRIAKTR=+（5）式中：Isc为短路电流，A；Kt为短路电流的温度系数；I0为反向饱和电流；q 为电荷常数；V 为右侧电压，V；A 为二极管理想因数；K 为玻尔兹曼常数；T 为光伏电池温度，7。基于 OpenStudio 建立建筑模型，并通过将建筑的屋顶材料替换为具有光伏功能的屋顶材料使本文中的建筑模型成为光伏建筑，并设计不同的方位和角度来比较太阳能的产能，同时此建筑以上海地区的气候条件为例。如图 4 所示，以此模型的一面屋顶（长 13.873m，宽 4.8m，面积 66.59m2）作为实验对象，考虑到上海地处北纬的原因，通过改变此面光伏屋顶的角度和方位，以期求得最佳角度和方位。图 4 OpenStudio 光伏建筑模型然后，针对朝南、朝东、朝东南（45）三个方位进行建模分析，建模数据仿真结果见表 1。从图 5 可以分析得出，基于上海地区的地理位置，朝南方向最佳的角 图5 光伏建筑屋顶一面各方位角度年发电量33城市与建筑City&Architecture2023NO.03度是 25 30 左右，朝东南（45）方向最佳角度为 10 左右，朝东方向最佳角度是 5 左右。从表 1 所示的数据结果可以分析得出：朝南布置时，最佳度数在25附近；朝东布置时，度数则是越低越好；朝东南（45）布置时，最佳度数在 15 附近。此组数据基于上海地区的光照和地理位置进行仿真模拟，仅作为上海地区的光伏建筑的参考数据，其它地区若需要进行最佳方位和度数测试，可直接改变输入的所处地区光照和地理位置即可。3 太阳能产量理论公式太阳能转换为电能值的过程是可以被理论公式量化的，如图 6 所示。本文利用 ClimateConsultant 直接获取上海地区 1 月到 12 月的每日太阳辐射量数据。图 6 上海地区太阳辐射范围在获得太阳能的辐射数据之后，可以建立能量转换公式进行转换8，如式（6）所示：E=AH（6）式中：E 为太阳能转换所得的电能值，kWh；为光伏电池标定温度的转换效率；A 为屋顶光伏的面积，m2；H 为太阳年辐射总量，kWh/m2。本文在此理论公式和建模分析中使用的 为 0.215，A 参考 OpenStudio 数 据 为 66.59m2，H 根 据 ClimateConsultant 为1095000kWh/m2，经过计算所得结果约为 15676.95kWh。4 结果对比分析将理论计算的电能值与 OpenStudio 建模仿真的数值进行对比可以发现，两者数据偏差不大，从而证明了利用 OpenStudio 对光伏建筑进行建模分析的可靠性，利用清晰明了的立体化模型代替复杂的太阳能辐射总量的理论计算过程，简化了实验过程。5 结论本文基于 BIPV 和 BAPV 的定义，利用 OpenStudio 软件对屋顶光伏的效能进行了实验分析，通过不同的方位和角度实验得出结论：以上海地区的地理位置为例，朝南方向最佳的角度是 25 30，其次是朝东南（45）方向最佳角度是 10左右，最后是朝东方向最佳角度是 5 左右，不同地区仅需在OpenStudio内导入该地区的天气文件即可生成对应地区的数据。最后，将理论计算的电能值与建模的数据进行对比，证明了利用模型仿真的可行性。在实际的工程应用中（我国西部地区），可以利用该软件直接建立光伏建筑模型，通过调整光伏屋顶的朝向、倾角来获得当前位置的最佳光伏利用方位和角度，以最大化利用光伏设施和节约时间成本。参考文献：1PENGC，HUANGY，WUZ.Building-integratedphotovoltaics(BIPV)inarchitecturaldesigninChinaJ.EnergyandBuildings，2011(12):3592-3598.2KUMARNM，SUDHAKA