摘要 摘要 隨著建筑面積的擴張及人們對室內(nèi)舒適度要求的提高，建筑能耗問題日益凸顯。新 能源利用及節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)應用是解決建筑能耗問題最行之有效的方法。本文詳細探討了 本人在擔任2 0 1 3 中國國際太陽能十項全能競賽廈門大學代表隊技術負責人期間，承擔 設計的零能耗小屋s u n n yi n s i d e 光伏發(fā)電系統(tǒng)、能耗監(jiān)測系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)的設計實 現(xiàn)過程，并深入分析了實際運行數(shù)據(jù)和性能。本文主要完成以下工作： 光伏發(fā)電系統(tǒng)部分：通過光伏設計組與建筑設計組協(xié)同工作的方式，結(jié)合山西省大 同市氣象數(shù)據(jù)，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行了詳細設計，并使用模擬軟件進行了能耗平衡 分析。 能耗監(jiān)測系統(tǒng)部分：通過c c l i l l l ( 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡和以太網(wǎng)，將設備層的實時能耗監(jiān) 測設備、控制層的p l c 和節(jié)能服務器以及信息層的遠程p c 和移動終端結(jié)合為能耗監(jiān)測 系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了硬件、通信和軟件設計。 智能控制系統(tǒng)部分：通過qp l c ，實現(xiàn)了能耗監(jiān)測系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)的有機融合， 并通過p l c 的擴展模塊，構(gòu)建了兼容標準m o d b u s 協(xié)議、無順序通信協(xié)議及以太網(wǎng)協(xié)議 的系統(tǒng)通信網(wǎng)絡，以實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及對外設的控制；給出了中央空調(diào)和主動式 相變儲能系統(tǒng)節(jié)能控制方案；進行了硬件、通信、軟件和人機交互界面設計。 對競賽期間s u n n yi n s i d e 的運行數(shù)據(jù)進行了分析，給出了光伏發(fā)電系統(tǒng)性能曲線； 節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)運行性能曲線；能耗平衡統(tǒng)計圖。今后將在該平臺基礎上，展開更多零能 耗住宅節(jié)能增效研究。 關鍵詞：光伏并網(wǎng)；能耗監(jiān)測；智能控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i de x p a n s i o no fb u i l d i n gs c a l ea n dt h ei n c r e a s e dc o m f o r tr e q u i r e m e n t sf o r r e s i d e n t i a lb u i l d i n g s ，e n e r g yc o n s u m p t i o ni s s u e sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t n e we n e r g y a c q u i s i t i o na n di n t e l l i g e n te n e r g ys a v i n gc o n t r o la r ee f f e c t i v et e c h n o l o g i c a la p p l i c a t i o n st o r e d u c eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n t h et h e s i sd e m o n s t r a t e st h ez e r o e n e r g yc o n s u m p t i o no f s u n n yi n s i d ei ns o l a rd e c a t h l o nc h i n a2 0 13 a sat e c h n i c a lt e a ml e a d e ro fx i a m e n u n i v e r s i t y , t h ea u t h o rd e s i g n e dt h ep h o t o v o l t a i cs y s t e m ，e n e r g ym o n i t o r i n gs y s t e m ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e ma n dd i s t r i b u t i o ns y s t e mo fs u n n yi n s i d e t h ep r a c t i c a lo p e r a t i n gd a t aa n dp e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e m sm e n t i o n e d a b o v ea r ed i s c u s s e d t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s p h o t o v o l t a i cs y s t e m ：p h o t o v o l t a i cs y s t e mw a sd e s i g n e db yp h o t o v o l t a i cd i v i s i o na n d a r c h i t e c t u r ed i v i s i o nw i t ht h em e t e o r o l o g i c a ld a t af r o md a t o n gc i t y , s h a n x ip r o v i n c ea n dt h e h e l po fs i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rt h ee n e r g yb a l a n c ea n a l y s i s e n e r g ym o n i t o r i n gs y s t e m ：u s ec c l i n kf i e l d b u sn e t w o r ka n de t h e r n e tc o m b i n i n gw i 也 r e a l t i m ee n e r g ym o n i t o r i n ge q u i p m e n tf r o md e v i c el a y e r , p l ca n de n e r g ys a v i n gs e r v e rf r o m c o n t r o ll a y e r , r e m o t ep ca n dm o b i l et e r m i n a lf r o mi n f o r m a t i o nl a y e ra sa n e n e r g y m o n i t o r i n gs y s t e m a n dd e s i g nt h eh a r d w a r e ，s o f t - w a r ea n dc o m m u n i c a t i o nf o rt h i ss y s t e m i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m ：c o m b i n i n gt h ee n e r g ym o n i t o r i n gs y s t e ma n di n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e mb yaqp l c ，a n db u i l dac o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kt h a tc o m p a t i b l ew i t h s t a n d a r dm o d b u sp r o t o c o l ，n op r o t o c o la n de t h e m e tp r o t o c o l ；a ne n e r g ys a v i n gs o l u t i o nt o c o n t r o lc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n ga n da c t i v ep h a s ec h a n g em a t e r i a ls y s t e mw a sa d v a n c e d ； h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，c o m m u n i c a t i o na n dm a r l - m a c h i n ei n t e r f a c ef o r t h i ss y s t e mw e r e d e s i g n e d t h ep e r f o r m a n c ec u r v e so fp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c e c u r v e so fe n e r g y - s a v i n gm o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h ee n e r g yb a l a n c es t a t i s t i c sa r eg i v e no nt h e b a s i so ft h eo p e r a t i n gd a t ao ft h es u n n yi n s i d ed u r i n gc o m p e t i t i o n w ew i l ld om o r ez e r o e n e r g yh o u s ee n e r g ys a v i n gr e s e a r c hb a s e do nt h i sp l a t f o r mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：g r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c ；e n e r g ym o n i t o r i n g ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l 目錄 目錄 第一章緒論1 1 1 研究背景1 1 2 光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀2 1 3 本文主要研究內(nèi)容。4 1 4 本文結(jié)構(gòu)5 第二章光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)整體方案分析。7 2 1 競賽規(guī)則及參賽作品簡介。7 2 2 零能耗建筑關鍵技術1 0 2 3 系統(tǒng)總體設計1 8 2 4 本章小結(jié)2 1 第三章光伏發(fā)電系統(tǒng)設計。2 2 3 1 系統(tǒng)需求分析2 2 3 2 光伏陣列安裝方式分析2 2 3 3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與優(yōu)化2 4 3 4 能耗平衡仿真分析3 6 3 5 本章小結(jié)3 6 第四章能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計。3 7 4 1 系統(tǒng)需求分析3 7 4 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3 7 4 3 系統(tǒng)硬件設計4 0 4 4 系統(tǒng)通信設計4 4 4 5 系統(tǒng)軟件設計。4 8 4 6 本章小結(jié)5 2 i i i 零能耗小屋光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 第五章智能控制系統(tǒng)設計。5 3 5 1 系統(tǒng)需求分析! ；：； 5 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5 4 5 3 節(jié)能子系統(tǒng)設計5 5 5 4 系統(tǒng)硬件設計6 1 5 5 系統(tǒng)通信設計6 4 5 6 系統(tǒng)p l c 主程序設計6 8 5 7 人機交互界面設計7 4 5 8 本章小結(jié)7 6 第六章實驗與分析。7 7 6 1 系統(tǒng)搭建7 7 6 2 調(diào)試與網(wǎng)絡診斷8 2 6 3 系統(tǒng)性能測試8 3 6 4s d c 2 0 1 3 參賽作品性能對比與分析8 8 6 5 本章小結(jié)9 0 第七章總結(jié)和展望9 1 7 1 總結(jié)9 1 7 2 本人承擔的工作9 2 7 3 展望9 2 參考文獻。9 4 攻讀碩士學位期間取得的科研成果9 7 薊【 射。9 8 i v c o n t e n t c o n t e n t c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2r e s e a r c hs t a t u s 2 1 3t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e r 4 1 4t h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e r 5 c h a p t e r 2a n a l y s i so ft h et h ew h o l ep r o g r a m o fp h o t o v o l t a i ca n de n e r g y s a v i n gm o n i t o r i n gs y s t e m 7 2 1b r i e fi n t r o d u c t i o no fc o m p e t i t i o nr u l e sa n dt h ee n t r y 7 2 2t h ek e yt e c h n o l o g yo fz e r oe n e r g yc o n s u m p t i o nb u i l d i n g s 1 0 2 3t h eo v e r a hd e s i g no ft h es y s t e m 1 8 2 4t h es u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 2 1 c h a p t e r3d e s i g no fp h o t o v o l t a i cs y s t e md e s i g n 2 2 3 1s y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s 2 2 3 2a n a l y s i so fp h o t o v o l t a i ca r r a yi n s t a l l a t i o n 2 2 3 3d e s i g na n do p t i m i z a t i o no f p h o t o v o l t a i cs y s t e m 。2 4 3 4e n e r g yb a l a n c es i m u l a t i o n 3 6 3 5t h es u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 3 6 c h a p t e r4d e s i g no fe n e r g ym o n i t o r i n gs y s t e m 3 7 4 1s y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s 3 7 4 2s y s t e ms t r u c t u r e 3 7 4 3s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n 4 0 4 4s y s t e mc o m m u n i c a t i o nd e s i g n 4 4 4 5s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 4 8 4 6t h es u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 5 2 v 零能耗小屋光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) c h a p t e r5d e s i g no fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m 5 3 5 1s y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s 5 3 5 2s y s t e ms t r u c t u r e - 5 4 5 3e n e r g ys a v i n gs u b s y s t e md e s i g n 5 5 5 4s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n 6 1 5 5s y s t e mc o m m u n i c a t i o nd e s i g n 6 4 5 6s y s t e mm a i np l cp r o g r a md e s i g n 6 8 5 7h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ed e s i g n 一7 4 5 8t h es u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 7 6 c h a p t e r6t h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i s 7 7 6 1b u i l do ft h es y s t e m 7 7 6 2d e b u g g i n ga n dn e t w o r kd i a g n o s i s 8 2 6 3s y s t e mp e r f o r m a n c et e s t 8 3 6 4s d c 2 01 3e n t r i e s p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o na n da n a l y s i s 8 8 6 5t h es u m m a r yo ft h i sc h a p t e r ”9 0 c h a p t e r 7s u m m a r y a n do u t l o o k 9 1 7 1s u m m a r y 9 1 7 2c o n t e n to fw o r k 9 2 7 3o u t l o o k 9 2 r e f e r e n c e 9 4 i n t r o d u c t i o no fa c h i e v e m e n ti ns c i e n t i f i cr e s e a r c h “9 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 9 8 v i 第一章緒論 第一章緒論 1 1 研究背景 隨著建筑規(guī)模的增長及人民對住宅舒適度要求的提高，建筑能耗問題日益凸顯。目 前，我國建筑單位面積采暖能耗為發(fā)達國家新建建筑的3 倍以上，建筑能耗已占社會總 能耗的近l 】。在能源日益短缺的今天，在保證居住舒適的前提下，如何實現(xiàn)建筑節(jié) 能，成為當今的重要課題口】。隨光伏發(fā)電技術和信息技術快速發(fā)展而誕生的住宅新能源 獲取和住宅智能化節(jié)能監(jiān)控技術作為降低建筑能耗，使建筑實現(xiàn)低能耗、零能耗，甚至 負能耗的有效技術手段，受到了越來越多的關注，隨著國家節(jié)能減排和分布式電網(wǎng)政策 的制定，該技術將在未來建筑節(jié)能中扮演重要角色。 歐美等發(fā)達國家較早就意識到了太陽能獲取與智能節(jié)能監(jiān)控對建筑節(jié)能的重要性， 自1 9 8 0 年代末，就有多個歐洲國家提出了基于建筑能源管理的低能耗建筑概念【”，近年 來，歐盟議會、英國政府、美國能源部等都紛紛制定了零能耗建筑計劃 ”。美國能源 部為推進太陽能技術及建筑節(jié)能新技術在零能耗建筑中的深度應用，發(fā)起并主辦了國際 太陽能十項全能競賽( s o l a r d e c a t h l o n ) ，該競賽已于2 0 0 2 至2 0 1 2 年在美國及歐洲成功 舉辦了六屆( 比賽現(xiàn)場如圖1 - 1 所示) ，歷屆大賽共吸引了來自世界各地的1 0 0 多所大 學參加比賽，技術水平高，影響廣泛，被譽為“太陽能建筑領域的奧運會”。 ( a ) s d 2 0 0 9 ( b ) s d 2 0 1 1 圖1 1 國際太陽能十項全能競賽現(xiàn)場 為加快我國建筑節(jié)能與新能源應用技術發(fā)展，2 0 1 1 年，時任中國國家主席胡錦濤在 對美國進行國事訪問期間簽署了第一個中美能源合作項目2 0 1 3 中國國際太陽能十 零能耗小屋光伏發(fā)電與節(jié)能控系統(tǒng)* ”# 宴現(xiàn) 項全能競賽( s d 2 0 1 3 ) 。該競賽由中國能源局和美國能源部聯(lián)合主辦，競賽地點設在山 西大同。來五大洲3 5 所大學的2 1 支團隊經(jīng)過嚴格篩選進入了決賽。 本人作為2 0 1 3 年該賽事廈門大學代表隊技術組負責人，承擔設計了參賽作品 “s u n n y i n s i d e ”的光伏發(fā)電系統(tǒng)、能耗監(jiān)測系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)及配電系統(tǒng)，本文將對 s u n n yi n s i d e 的光伏與建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、能耗監(jiān)測與智能控制一體化系統(tǒng)的設 計和優(yōu)化過程進行詳細探討。旨在讓s u m l y i n s i d e 在競賽中能實現(xiàn)能耗平衡、室內(nèi)舒適， 同時，也希望通過對著一設計案例的思路和方法探討，對將來零能耗住宅新能源獲取與 節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計者起4 拋磚引玉的作用。 1 2 光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 1 2 1 光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 ( 1 ) 光伏陣列安裝形式 光伏陣列安裝形式逐漸由在常規(guī)住宅上附加光伏發(fā)電系統(tǒng)向光伏與建筑融合的方 式轉(zhuǎn)變：早期的示范項目，多數(shù)是在常規(guī)住宅上方附加光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏陣列與建筑 不協(xié)調(diào)，有些項目為避免這一點特意對陣列進行了隱藏。在近期項目中，光伏與建筑深 入融合成為一種趨勢嘲嘰達姆施達特大學將采用光伏組件做遮陽百葉( 圖1 2 ( a ) ) ， 一方面可以利用可調(diào)整角度的遮陽百葉發(fā)電，另一方面，還可以遮擋陽光，減少空調(diào)熱 負荷 8 】；瑞典查爾莫斯科技大學的零能耗小屋“h a l o ”利用薄膜光伏組件構(gòu)造了弧形 屋頂( 圖1 2 ( b ) ) ，同時滿足了建筑美學、能源獲取與建筑節(jié)能要求。 ( a ) 達姆施達特大學參賽作品( b ) 瑞典查爾莫斯科技大學參賽作品 圖1 2 光伏與建筑融合設計方案 第一章緒論 ( 2 ) 電能存儲形式 電能存儲形式由獨立型向并網(wǎng)型轉(zhuǎn)變：早期零能耗建筑需設儲能系統(tǒng)對光伏發(fā)電系 統(tǒng)產(chǎn)生的電能進行存儲，系統(tǒng)投入回收期長，市場推廣性較差；近年來隨著各國分布式 發(fā)電政策的出臺，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢優(yōu)越來越明顯，零能耗住宅項目的能量存儲形式 逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯硬⒕W(wǎng)式或混合式，s d 2 0 1 3 中，2 1 個作品都采用了直接并網(wǎng)式9 1 。 1 2 3 節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 ( 1 ) 能耗監(jiān)測系統(tǒng) 能耗監(jiān)測系統(tǒng)意義在于使用戶了解各設備能耗狀況，便于用戶提高節(jié)能意識和制定 節(jié)能計劃，可視化節(jié)能概念是日本三菱電機提出的，該公司從2 0 世紀9 0 年代開始在三 菱電機福山制作所使用可視化節(jié)能系統(tǒng)，截止2 0 0 4 年，以節(jié)約了約1 億目元電費；國 外近期建設的零能耗建筑，有過半數(shù)使用了能耗監(jiān)控系統(tǒng)1 0 】。在零能耗建筑中，能耗監(jiān) 測系統(tǒng)也越來越普及，以s d 2 0 0 9 為例，在有可查詢資料的1 1 支隊伍中，就有1 0 支隊 伍采用了能耗監(jiān)測系統(tǒng)c j 】 。 ( 2 ) 智能控制與節(jié)能 智能控制節(jié)能 零能耗住宅智能控制系統(tǒng)近年來越來越普及，其功能主要為遠程控制或自動控制燈 光、遮陽、空調(diào)等設備，使小屋使用更加方便，運行更加節(jié)能 1 2 1 3 。例如在s d 2 0 0 7 中， 達姆施達特大學設計了自控通風和遮陽系統(tǒng)；在s d 2 0 0 9 中，愛荷華州立大學設計了和 空調(diào)一體化的干燥系統(tǒng)【1 4 。 主動式相變儲能節(jié)能 在晝夜溫差較大的地區(qū)，合理的利用相變儲能技術，可有效減輕制冷采暖負荷。主 動式相變儲能由于換熱時間受系統(tǒng)控制，因此效率高，目的性強，近年來逐漸被采用， w e i n l a e d e r h 在辦公室天花板上安裝了如圖1 3 所示的主動式相變系統(tǒng)，實驗表明，該 主動式相變系統(tǒng)可將室內(nèi)氣溫控制的十分平穩(wěn)“朝。 霉能耗小屋光伏撥電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) ： ： l ! ! ! ! 一，：，： ： i ： r r 一一! - h _ h - _ j + 。+ 一 5 i ： 圖1 - 3 主動式相變節(jié)能 ( 圈h 來源：h t i p p a m d n 自，o m h 廿t 1 ) 空調(diào)節(jié)能 目前國外對零能耗建筑空調(diào)節(jié)能的研究和應用主要包括空調(diào)的遠程或定時控制和 空調(diào)改造兩種形式，空調(diào)的遠程控制或定時控制可以減少空調(diào)的工作時間，從而降低能 耗，該技術目前已經(jīng)在零能耗建筑中得n 廣泛應用【“】；空調(diào)的改造有多種形式，最典型 的是應用熱交換技術，進行余熱回收或?qū)⒋鎯Φ臒崮芴峁┙o空調(diào)制熱，如s d 2 0 1 1 中， 同濟大學的“陽光集裝屋”。 1 , 2 3 發(fā)展趨勢及存在的問題 經(jīng)過對發(fā)展現(xiàn)狀的分析可知：光伏與建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有節(jié)能、經(jīng)濟、美 觀等優(yōu)點，是零能耗建筑能源獲取的趨勢：采用能耗監(jiān)測和智能控制系統(tǒng)，對住宅的主 動式和被動式設備進行控制，可有效降低建筑能耗：目前零能耗建筑采用的能耗監(jiān)測與 智能控制系統(tǒng)是相互獨立的，限制了其在建筑節(jié)能中的作用，若能對將兩個系統(tǒng)融合， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，將能在建筑節(jié)能中發(fā)揮更大作用。 1 3 本文主要研究內(nèi)容 本課題目的是為2 0 1 3 中國國際太陽能十項全能競賽廈門大學參賽作品“s u n n y i n s i d e ”設計一套具有市場推廣價值的光伏發(fā)電、能耗監(jiān)測和智能系統(tǒng)，使該小屋實現(xiàn) 零能耗甚至負能耗，改善室內(nèi)舒適度。主要完成了以下工作： ( 1 ) 光伏與建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設計：光伏設計與建筑設計穿插進行，設計 出與建筑高度融合，高效、美觀、經(jīng)濟的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 ( 2 ) 能耗監(jiān)測與智能控制一體化系統(tǒng)設計：以qp l c 為核心，構(gòu)建能耗監(jiān)測與智 第一章緒論 能控制一體化系統(tǒng)，使能耗監(jiān)測系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，在建筑節(jié)能中發(fā)揮 更有效的作用。 ( 3 ) 兼容多協(xié)議的系統(tǒng)通信網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)建：將來自不同廠家、不同通信協(xié)議的的 電流檢測設備、環(huán)境監(jiān)測設備、智能執(zhí)行設備通過構(gòu)建網(wǎng)絡，形成一個有機整體。 ( 4 ) 多聯(lián)機中央空調(diào)開機時間預測：通過準確預測開機時間，減少空調(diào)開機時間， 降低空調(diào)能耗。 ( 5 ) 主動式相變儲能系統(tǒng)控制：合理控制主動式相變儲能系統(tǒng)白天和夜間通風時 間，使其輔助空調(diào)進行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)，進一步降低空調(diào)能耗。 1 4 本文結(jié)構(gòu) 本論文組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章是緒論部分，主要介紹項目背景，分析了發(fā)展現(xiàn)狀，找出了零能耗建筑光伏 發(fā)電和能耗監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢和存在的問題，并提出本課題的研究目標。 第二章是系統(tǒng)總體設計部分，首先分析了2 0 1 3 中國國際太陽能十項全能競賽比賽 規(guī)則、參賽作品s u n n yi n s i d e 的建筑設計概況、零能耗建筑關鍵技術，初步確立設計要 求和技術路線：隨后對系統(tǒng)總體需求進行了分析，明確了設計目標，并按照設計目標， 對系統(tǒng)進行了總體設計，建立了系統(tǒng)總體框架。 第三章是光伏發(fā)電系統(tǒng)設計部分，首先分析光伏發(fā)電系統(tǒng)設計要求和設計要點，明 確設計目標，并對系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進行了設計；其次依據(jù)參賽地點山西大同氣象數(shù)據(jù)結(jié)合 零能耗小屋s u n n yi n s i d e 建筑外型，進行了氣象數(shù)據(jù)分析、電負荷分析與仿真、主要設 備選型、傾角計算及組件布置、組串設計，設計出了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)：最后對小屋進 行了能耗平衡分析與仿真，確定了該方案實現(xiàn)能耗平衡的可行性。 第四章是能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計，首先分析了能耗監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)功能需求，明確了設 計目標，并給出了該子系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；接著對系統(tǒng)硬件、通信、軟件進行了詳細設計； 最后對節(jié)能服務軟件進行了設計。 第五章是智能控制系統(tǒng)設計，首先針對明確智能控制系統(tǒng)的功能需求，并設計了該 子系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)：其次對系統(tǒng)的硬件、通信、軟件及底層控制系統(tǒng)進行了詳細設計；最 后設計了人機交互界面。 第六章是實驗與分析，首先介紹了系統(tǒng)搭建接線過程、展示了系統(tǒng)硬件實物；其次 零能耗小屋光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 進行了調(diào)試、網(wǎng)絡診斷和傳感器校準；最后通過比賽期間采集的實驗數(shù)據(jù)，對光伏發(fā)電 系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)的進行了功能測試和性能分析，并通過發(fā)電、用電和能耗平衡數(shù)據(jù) 統(tǒng)計，比較了各參賽作品的性能。 第七章是總結(jié)與展望，首先總結(jié)了本論文研究內(nèi)容和研究過程中的創(chuàng)新點；其次介 紹了本人在項目中承擔的工作，最后找出了前期工作的遺漏或不足，提出了后續(xù)工作的 改進方向和展望。 第二章光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)整體方案分析 第二章光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)整體方案分析 光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設計都需要結(jié)合住宅的建筑特點和功能需求進行，本章 將分析2 0 1 3 國際太陽能十項全能競賽規(guī)則和零能耗小屋s u n n yi n s i d e 的建筑特點，結(jié)合 現(xiàn)有零能耗建筑關鍵技術，對小屋進行光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)進行總體設計。 2 1 競賽規(guī)則及參賽作品簡介 2 1 12 0 1 3 中國國際太陽能十項全能競賽規(guī)則 為客觀評價參賽作品的創(chuàng)新性、節(jié)能性、實用性及可推廣性，s d c 2 0 1 3 主委制定了 以下參賽規(guī)則：決賽隊需于2 0 1 3 年7 月1 6 日到7 月3 1 日，在參賽地點山西省大同市 建造一座建筑建筑面積6 0 1 0 0 m 2 ，以太陽能作為該住宅運行和生活能源的唯一來源， 并配有洗衣機、洗碗機、空調(diào)、冰箱、電磁爐、熱水器等日常家用電器，能完全滿足日 常生活要求的零能耗小屋。 表2 1s d c 2 0 1 3 競賽評分細則 序號評分項分數(shù)小項分數(shù) 備注 1 建筑設計 1 0 0 主觀評分( 美學、生物氣候?qū)W) 2太陽能應用1 0 0主觀評分( 太陽能利用、一體化) 3 工程技術 1 0 0 主觀評分( 水、電、暖通的節(jié)能) 4 能耗平衡 1 0 0 發(fā)電量大于用電量 室內(nèi)溫度 7 52 2 0 c 一2 5o c 5 舒適程度 1 0 0 室內(nèi)濕度 2 5小于6 0 6 熱水供應 l o o1 0 分鐘內(nèi)放6 0 l 水，共1 6 次 冰箱保鮮 1 0 1 0 c 4 。c 保鮮冷凍 1 02 9 0 c 1 5o c 7 家用電器 1 0 0洗衣機2 0清洗6 條浴巾，共8 次 烘干機 4 0烘干6 條濕浴巾，共8 次 洗碗機 2 0清洗6 餐位餐具，共5 次 家用電器 2 5 在規(guī)定時間內(nèi)使用電視和電腦 燈光照明 4 0 規(guī)定時間內(nèi)所有燈具開到最亮 8 家庭娛樂 1 0 0烹飪2 02 h 內(nèi)蒸發(fā)2 l 水，共4 次 聚會 1 0 邀請客人進行8 人晚宴，共2 次，互評 電影之夜 5 按視聽效果打分 9 宣傳展示 1 0 0 主觀評分( 網(wǎng)頁和媒體推廣) 1 0市場推廣1 0 0 主觀評分( 成本及推廣價值) 零能耗小屋光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 主委會于8 月1 日至8 月1 1 日，針對建筑設計、太陽能應用、工程技術、能耗平 衡、舒適程度、熱水供應、家用電器、家庭娛樂、宣傳展示、市場推廣十項指標進行評 分。每項分數(shù)為1 0 0 分，總分1 0 0 0 分，具體評分細則可歸納為表2 1 。 競賽期間，各參賽隊要按人們?nèi)粘Ｉ盍晳T，讓家用電器及暖通設備在規(guī)定的時間 內(nèi)按規(guī)定的參數(shù)運行。如：冰箱冷凍室溫度控制在2 9 。c 1 5 0 c ，保鮮室溫度控制在 1o c - 4 ：1 9 ：0 0 2 3 ：0 0 所有燈具需開啟并調(diào)到最亮：1 6 ：3 0 6 ：3 0 室內(nèi)溫度控制在2 2 5 o c ，濕度保持小于6 0 ；需進行8 次洗衣、烘干，5 次洗碗：需在規(guī)定時間內(nèi)進行烹飪、 播放視頻等。 在十個評分項中，與光伏發(fā)電及節(jié)能監(jiān)控關系最密切的有： ( 1 ) 能耗平衡：要保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在競賽期間能提供充足的電能，并且節(jié)能監(jiān) 控系統(tǒng)盡可能降低建筑能耗，以實現(xiàn)競賽期間發(fā)電量要大于用電量，即能耗平衡。 ( 2 ) 太陽能應用：選擇合理的安裝方式、組件、逆變器、傾角，使光伏發(fā)電系統(tǒng) 美觀、高效、經(jīng)濟。 ( 3 ) 舒適程度：節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)需對小屋的溫濕度進行閉環(huán)控制，保證在規(guī)定的測 試時間內(nèi)室內(nèi)溫度控制在2 2 。c 一2 5 。c ，濕度保持小于6 0 。 ( 4 ) 市場推廣：光伏發(fā)電系統(tǒng)和節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設計過程中，始終要將系統(tǒng)成本 和可靠性考慮在內(nèi)，以保證其具有市場推廣潛力。 2 1 2s u n n yi n s i d e 建筑設計概況 圖2 1s u n n y i n s i d e 如圖2 1 所示，s u n n yi n s i d e 建筑面積9 0 m 2 ，設有臥室、客廳、餐廳、衛(wèi)生間和設 8 第二章光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)整體方案分析 備間。作品取名為s u n n yi n s i d e ，意為讓陽光成為建筑的一部分，建筑可通過自身需求， 自由支配太陽能：一方面，可高效吸收太陽能，產(chǎn)生建筑所需的電能和熱能；另一方面， 還可通過合理的建筑結(jié)構(gòu)，過濾掉不需要的熱量和光照，使室內(nèi)光照均勻，溫度適中。 s u n n yi n s i d e 采用了主動式和被動式相結(jié)合設計理念，以最大限度降低建筑能耗： ( 1 ) 被動式節(jié)能 中庭和外遮陽 s u n n yi n s i d e 采用了緩沖空間的被動式設計，在小屋中設計了如圖2 1 所示的獨具 特色的“生態(tài)中庭”：t 型的中庭聯(lián)系起各部分居住空間，作為建筑室內(nèi)與室外之間的微 氣候緩沖區(qū)域，智能遮陽系統(tǒng)能根據(jù)室外氣候的變化對建筑的采光、通風、蓄熱進行調(diào) 節(jié)，改善建筑內(nèi)的微氣候環(huán)境，保持室內(nèi)主要使用空間的舒適性。 建筑保溫 s u n n y i n s i d e 采用了聚氨酯和玻璃棉雙重保溫材質(zhì)做墻體，三層雙中空充氬氣l o w e 玻璃做門窗，以保證小屋的良好保溫性能。為客觀評估小屋的保溫性能，根據(jù)維護結(jié)構(gòu) 材質(zhì)，運用d e s i g n b u i l d e r 軟件進行了圍護結(jié)構(gòu)熱阻值模擬，其模擬結(jié)果如表2 2 所示。 表2 2 圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造層次及熱工參數(shù) 9 零能耗小屋光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) ( 2 ) 主動式節(jié)能 針對山西大同晝夜溫差大氣候特點，s u n n yi n s i d e 采用了主動式相變儲能系統(tǒng)，利 用相變材料在相變過程中可吸收或放出大量熱量，儲熱和放熱過程中溫度基本保持不變 等優(yōu)點，通過對相變材料進行主動式通風，使其白天蓄熱為夜間供暖，夜間蓄冷為白天 降溫，替代部分空調(diào)功能，降低空調(diào)能耗。 2 2 零能耗建筑關鍵技術 2 2 1 光伏與建筑一體化技術 圖2 2 相變系統(tǒng) 光伏發(fā)電是大部分零能耗建筑的主要能量來源。目前，零能耗建筑常用的光伏發(fā)電 系統(tǒng)可分獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)三種類型，其中 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有建造成本低、穩(wěn)定性好、可調(diào)峰等優(yōu)點，隨著各國分布式能源并 網(wǎng)激勵政策的發(fā)布而倍受青睞，發(fā)展迅速，已成為主流。 零能耗建筑并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)簡圖如圖2 3 所示：光伏組件方陣在太陽輻射下產(chǎn) 生直流電，經(jīng)光伏逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，產(chǎn)生的交流電可直接提供給住宅本身使用，剩 余或不足的電能反饋給電網(wǎng)或從電網(wǎng)補充。 、，巴r ： 一 ： l 卜卜l i 圖2 3 零能耗建筑并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 第二章光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)整體方案分析 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設計要點： ( 1 ) 合理的光伏組件安裝方式 在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件的安裝形式對系統(tǒng)接收太陽輻射量有很大影響， 從而影響系統(tǒng)的發(fā)電能力。光伏組件有固定式和跟蹤式兩種安裝方式，兩種安裝方式各 有優(yōu)缺點：固定式安裝成本低、系統(tǒng)可靠、容易與建筑一體化，但全年光電轉(zhuǎn)換效率較 低；自動跟蹤式安裝可提高全年光電轉(zhuǎn)換效率，但成本較高、系統(tǒng)易出現(xiàn)故障、不容易 與建筑融合，影響建筑整體美觀。設計光伏陣列時，要結(jié)合具體建筑造型、系統(tǒng)規(guī)模， 充分分析年發(fā)電量、系統(tǒng)成本、穩(wěn)定性、美觀性后再做出綜合判吲1 8 】。此外，設計光伏 陣列時，還需預留安裝和維修空間，便于組件安裝、接線及局部損壞維修。 ( 2 ) 合適的光伏組件朝向和傾角 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點是：在太陽輻射強時，光伏發(fā)電系統(tǒng)可將多余的電能輸送到 電網(wǎng)，而在陰雨天或夜晚，太陽輻射弱，光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能不能滿足負載需求時 又自動從電網(wǎng)補給19 1 。因此，在安裝條件允許的情況下，對于采用固定傾角安裝的光伏 陣列，應選擇合適的朝向和傾角使太系統(tǒng)全年的發(fā)電量最大。而對于光伏與建筑一體化 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，組件傾角的選擇還要考慮建筑的美觀度，需要根據(jù)實際需要對傾角進行小 范圍的調(diào)整，但這種調(diào)整不應導致太陽輻射吸收的大幅降低。 ( 3 ) 組件無遮擋 光伏組件上的局部陰影會造成輸出功率的明顯減少，一個單電池被完全遮擋就可使 組件輸出功率減少7 5 ，進行光伏系統(tǒng)設計是，若低估了陰影的影響，設計出的系統(tǒng)發(fā) 電效果可能會和預期有著巨大差別【2 0 1 。因此，通過計算和模擬，以避免組件在全年都不 被遮擋在光伏系統(tǒng)設計中至關重要。 ( 4 ) 合理的散熱 光伏組件的工作效率隨溫度升高而下降。在溫度2 0 1 0 0 0 c 范圍內(nèi)，溫度每升高1 。c 每 片電池的電壓約減小2 m v ；而光電流隨溫度升高略有增加，每升高l o c 每片電池的光電 流約增加千分之一，即0 0 3 m a 。c - c m 2 ，綜合計算可知，溫度每升高1 。c ，功率會下降 0 _ 3 0 5 ，因此，在光伏系統(tǒng)設計中，保證光伏陣列上下表面的自然通風，以較小 溫升對組件性能的影響【2 1 】。 零能耗小屋光伏發(fā)電與節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 岔 乓 e 褂 怒 2 4 0 2 0 0 4 0 0 溫度( k ) 圖3 1 溫度對光伏組件輸出功率的影響 ( 5 ) 最大功率跟蹤 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，接入逆變器的每個直流回