BIM与太阳能光电建筑发电预测

《BIM与太阳能光电建筑发电预测》适用于建筑电气从业者及学生 

太阳能光电建筑是一项*可持续发展特征的光伏发电应用形式，既是发展可再生能源的必然方向，也是发展绿色建筑的时代要求，其应用的比例将越来越大，并逐渐成为光伏发电应用的主体之一。在太阳能光电建筑中，发电量是光电建筑按需分配用电、优化电能使用的重要基础；是测算可获得的政府财政补贴，合理规划投资的重要前提；是业主施工、设计、管理等方面的重要决策依据。然而，现有的发电量预测方法多沿用光伏电站的方法，较难对太阳能光电建筑进行准确的发电量预测。建筑信息模型（ＢｕｉｌｄｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ，ＢＩＭ）是建筑的物理与功能特征的数字化表示方式，它作为共享的建筑信息资源，为建筑全生命周期的各种决策提供了可靠的基础。本书结合ＢＩＭ，阐述使用ＢＩＭ 进行精确、快速太阳能光电建筑发电量预测的理论和方法。

目　　录

前言

第１章　太阳能光电建筑概述 １

　１．１　光电建筑含义  １

　１．２　光电建筑的发展现状与前景  ４

　１．３　光电建筑评价指标  ７

　１．４　光电建筑发电量 １１

第２章　影响太阳能光电建筑计算发电量的因素  １４

　２．１　建筑结构对计算发电量的影响 １４

　　２．１．１　安装数量 １４

　　２．１．２　建筑遮挡 １５

　　２．１．３　构件积灰 １９

　　２．１．４　影响因素间的互动关系 １９

　２．２　影响计算发电量的其他因素 ２０

　　２．２．１　环境气候 ２０

　　２．２．２　光电转换效率 ２１

　　２．２．３　系统效率 ２１

　　２．２．４　系统衰减 ２２

　２．３　影响因素在现有预测方法中的体现 ２３

　２．４　本章小结 ２７

第３章　基于光电建筑模型辐射量仿真的发电量预测  ２８

　３．１　概述 ２８

　３．２　光电建筑模型 ２９

　　３．２．１　定义 ２９

　　３．２．２　模型的组成与架构 ２９

　　３．２．３　模型的功能 ３２

　３．３　精细化辐射量计算 ３８

　　３．３．１　辐射量计算中的天文参数 ３８

　　３．３．２　积灰折损系数 ３９

　　３．３．３　建筑ＰＶ组件逐时辐射量计算模型 ４０

　３．４　计算发电量精细化预测 ４２

　３．５　本章小结 ４３

第４章　光电建筑模型辐射量仿真发电量预测平台界面设计与实现  ４５

　４．１　概述 ４５

　４．２　平台界面 ４５

　４．３　平台功能模块 ４７

　　４．３．１　数据信息管理模块 ４７

　　４．３．２　模型交互模块 ４８

　　４．３．３　数据计算模块 ５１

　４．４　本章小结 ５２

第５章　光电建筑模型辐射量仿真发电量预测平台实施案例  ５３

　５．１　工程概况 ５３

　５．２　模型建立 ５３

　５．３　数据计算 ５６

　５．４　预测结果对比与分析 ５７

　５．５　本章小结 ５８

第６章　面向建筑信息模型的快速发电量计算模型  ５９

　６．１　光伏构件辐射量快速计算模型 ５９

　　６．１．１　地面水平面的辐照度 ６０

　　６．１．２　固定式倾斜面的辐照度 ６１

　　６．１．３　辐射度的校正 ６２

　　６．１．４　固定式倾斜面的辐射量 ６３

　６．２　建筑光伏发电量修正因子 ６４

　　６．２．１　倾角及方位角 ６４

　　６．２．２　建筑阴影遮挡 ６４

　　６．２．３　组件运行温度 ６４

　　６．２．４　光伏方阵安装方式 ６５

　６．３　建筑光伏发电量精确计算模型 ６５

　６．４　本章小结 ６６

第７章　光电建筑光伏组串的优化设计  ６８

　７．１　光伏方阵传统设计方法 ６８

　　７．１．１　光伏组串基本设计思路 ６８

　　７．１．２　蓄电池的库伦效率 ６８

　　７．１．３　连续阴雨天的影响 ６８

　　７．１．４　串并联数量计算 ６９

　　７．１．５　存在的问题 ７０

　７．２　光伏组串优化策略的制定 ７０

　　７．２．１　组件的一致性 ７０

　　７．２．２　辐照度的一致性 ７１

　　７．２．３　建筑的影响 ７１

　　７．２．４　优化策略 ７２

　７．３　数学模型的建立 ７２

　　７．３．１　ＰＶ组件输出特性  ７２

　　７．３．２　ＰＶ组串数学模型  ７４

　　７．３．３　ＰＶ组串特性分析  ７５

　７．４　实例分析 ７６

　７．５　本章小结 ７７

第８章　面向建筑信息模型的快速发电量计算系统的设计与实现  ７８

　８．１　总体目标 ７８

　８．２　平台特点 ７８

　８．３　系统整体方案设计 ７９

　　８．３．１　数据库系统 ７９

　　８．３．２　数据交互系统 ７９

　　８．３．３　数据处理系统 ８１

　　８．３．４　界面显示系统 ８１

　８．４　本章小结 ８５

第９章　面向建筑信息模型的快速发电量计算实施案例  ８６

　９．１　面向建筑信息模型的快速发电量计算流程 ８６

　９．２　基础数据库的建立 ８６

　　９．２．１　可定义光伏预测模型的建立 ８６

　　９．２．２　气象数据库的建立 ８８

　９．３　倾斜表面日辐射量的校正 ８９

　９．４　工程实例 ８９

　９．５　本章小结 ９２

第１０章　总结与展望 ９３

　１０．１　总结  ９３

　１０．２　展望  ９４

参考文献  ９６

前　　言

绿色建筑的一个显著特点是太阳能技术的充分利用。近年来，太阳能光电建筑作为“建筑物产生能源”的新概念，已成为当前可再生能源新技术在城乡建设领域中应用的趋势和热点。通过太阳能光电建筑，建筑为光伏系统提供了安装平台，而光伏系统给建筑带来了完全无环境与距离压力的能量来源。光伏与建筑的结合展现出了巨大的优势，既符合发展可再生能源的需求，又符合发展绿色建筑的要求，已逐渐在世界各地建筑中推广开来。

在太阳能光电建筑项目规划设计阶段，设计方及业主需要对项目的设计方案、技术应用类型、初期投资、回报周期、总体收益等进行详细的分析与统计，提前预知各类问题，提高决策质量；同时，政府等需要对项目的节能性、能量回收周期等进行预测、评估，以衡定项目的合理性，并给予合理的财政补贴。因此，发电量是光电建筑按需分配用电、优化电能使用的重要基础；是测算可获得的政府财政补贴，合理规划投资的重要前提；是业主设计、施工、管理等方面的重要决策依据。

目前，预测太阳能光电建筑发电量的计算方法仍沿用大型光伏电站的预测方法。由于光电建筑与传统地面电站相比，系统构成复杂，影响计算发电量的因素多且难以量化，采用现有的预测手段在光电建筑项目规划设计阶段对计算发电量进行准确预测十分困难。建筑信息模型（ＢｕｉｌｄｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ，ＢＩＭ）是建筑的物理与功能特征的数字化表示方式，它作为共享的建筑信息资源，为建筑全生命周期的各种决策提供了可靠的基础。本书结合ＢＩＭ 技术，阐述使用ＢＩＭ 进行精确、快速太阳能光电建筑发电量预测的理论和方法。

全书结构如下：

第１章：太阳能光电建筑概述。本章深入阐述了光电建筑的定义、特点、应用现状和发展趋势，着重介绍了我国分布式光伏发电的政策以及相关实施情况，归纳、总结光电建筑的评价指标，阐述发电量预测对光电建筑的重要意义。

第２章：影响太阳能光电建筑计算发电量的因素。首先介绍了预测光电建筑计算发电量的意义与作用，强调了对计算发电量进行准确预测的重要性。其次，对目前主要使用的预测方法和相关软件进行介绍，归纳了现有预测方法与软件的原理、对象、用途等内容，阐述了当前预测光电建筑计算发电量的方法与研究动态。后，根据光电建筑的特点，明确了准确预测光电建筑计算发电量的要求，提出了现有预测方法与软件对光电建筑特点的适应性较差，预测结果准确性不高的现状，明确了目前对准确预测光电建筑计算发电量的迫切要求。

第３章：基于光电建筑模型辐射量仿真的发电量预测。首先介绍光电建筑模型定义、组成、架构、功能、使用方法以及存储、交互的数据格式。其次，分析安装在建筑上的建筑ＰＶ 组件的特点，与大型光伏电站的区别，以及由此对计算发电量带来的影响；基于以上分析，建立了影响准确预测光电建筑计算发电量的理论体系，从众多影响因素中找到了光电建筑特有的影响因素，明确了各关键因素产生的原因，定量分析了各种关键因素对计算发电量影响作用以及在预测过程中的计算方法。后，在上述基础上，建立了针对光电建筑计算发电量的精细化预测数学模型。

第４章：光电建筑模型辐射量仿真发电量预测平台界面设计与实现。本书基于Ｃ＃开发了一款计算发电量预测软件，该章从软件的功能、结构以及具体设计进行了详细说明。部分介绍软件的功能界面，对软件的不同层级的界面、隶属关系及其相应功能进行逐一说明；第二部分介绍了实现软件不同功能的模块设计方法，主要包括：文本信息与模型信息的输入格式，数据的提取、存储、使用、交互的格式与方法，精细化计算时使用的数学模型在软件中的建立方法以及数据处理的过程，以及实现所有功能的编程方法与构建手段。

第５章：光电建筑模型辐射量仿真发电量预测平台实施案例。选取我国某太阳能光电建筑项目，采用面向太阳能光电建筑的计算发电量预测方法，从建模、辐射分析、辐射量、计算发电量进行全过程的精细化计算。其次将预测结果与该项目的计算发电量监测数据、现有预测方法的预测结果分别进行对比，体现基于光电建筑模型辐射量仿真的发电量预测方法相对于现有预测方法的优势；对建筑不同应用位置的计算发电量分别使用面向太阳能光电建筑的预测方法和现有的预测方法进行计算，从建筑的角度分析两种方法的预测差异，体现本书提出的方法的适应性与准确性。后使用基于光电建筑模型辐射量仿真的发电量预测方法，对建筑东立面上安装的建筑ＰＶ 组件进行逐个的精细化计算，找到了建筑ＰＶ 组件由于安装位置的不同，在不同时间周期内、不同位置的计算发电量差异，为后续研究奠定基础。

第６章：面向建筑信息模型的快速发电量计算模型。在光电建筑模型的基础上，对光伏系统中基本单元光伏组件进行分析，从天文学的角度研究并寻找到一种适用于ＢＩＰＶ 系统的固定式倾斜表面辐射量初步计算方法，提出了光伏方阵合理安装方案的概念，明确了光伏组件优化的基本原则，即连接至同一逆变器的各个光伏的输出需具有相似特性，并建立的适用于ＢＩＰＶ 的光伏发电量精细预测模型，此方法以计算得来的每块光伏组件逐时辐射度为基础，通过对一天中辐射时长的时间积分，得到一天的辐射量，再考虑了光伏组件的光电转换效率、系统折损系数等因素，得到初步计算发电量，并通过数据的校正将计算数据精确化。第７章：光电建筑光伏组串的优化设计。阐述了ＰＶ 方阵连接方式的传统设计思路，针对ＢＩＰＶ 项目需要考虑因素的复杂性，包括组件的一致性、辐照度的一致性、建筑结构的影响，提出了针对ＢＩＰＶ 的ＰＶ 组串优化策略。

第８章：面向建筑信息模型的快速发电量计算系统的设计与实现。通过对Ｒｅｖｉｔ进行二次开发，使用快速发电预测模型和组串优化策略中的相关理论，实现快速发电预测平台。第９章：面向建筑信息模型的快速发电量计算实施案例。简述了现有光伏系统发电量预测软件的应用流程，提出了基于ＢＩＭ 技术的ＢＩＰＶ 发电量预测流程，介绍了支持精确计算发电量方法的主要支撑数据。后，通过对实际ＢＩＰＶ 项目的解析，说明了本计算发电量方法对于复杂建筑结构的ＢＩＰＶ 项目的适应性。

第１０章：总结与展望。总结本书的主要内容，并对该领域的技术方向和问题进行展望。全书由周小平博士、王佳教授、任远工程师和龙承潮工程师等参加编写。本书在写作过程中，课题组的其他成员也参与了大量的工作，在此感谢所有成员的认真工作和无私奉献。本书的工作受到了北京市青年英才项目（ＹＥＴＰ１６６０）、北京建筑大学科学研究基金（Ｚ１２０８６）和住房与城乡建设部科学技术项目计划（２０１４Ｋ８０５７）的资助。ＢＩＭ 技术的应用一直是社会各界热烈探讨的问题，本书内容是笔者团队经过多年实践的研究成果，诚挚期待与读者进行探讨。同时，由于笔者水平有限，书中难免会有一些疏漏和不尽如人意的地方，也恳请读者批评指正。