CN113780795B - 基于参数化分析的校园建筑光伏潜力评估方法 - Google Patents

基于参数化分析的校园建筑光伏潜力评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太阳能资源评估技术领域，尤其涉及一种基于参数化分析的校园建筑光伏资源评估方法包含四个基本步骤：第一步，建立评估区域建筑三维数字化模型，包括依据平面图进行建筑体块建模、对遮挡物和门窗进行摄影测量建模；第二步，分析确定光伏设施可安装面积，这一过程使用参数化软件Grasshopper的进行日照时长分析和面积快速测量；第三步，进行光伏发电量与资金投入成本计算；第四步，结合校园用电量预测光伏替代情景，依据校园总体用电量和各类型建筑用电量，对比不同尺度下、不同应用情景下光伏替代传统电力消耗的潜力，计算得出最大替代百分比并给出光伏组件安装方案。

Description

基于参数化分析的校园建筑光伏潜力评估方法
技术领域
本发明涉及太阳能资源评估技术领域，具体涉及一种基于参数化分析的校园建筑光伏资源评估方法。
背景技术
在碳达峰和碳中和背景下，建筑领域降低碳排放的工作迫在眉睫，校园的能耗在逐年增长，在校园建筑上安装光伏系统可以加速向可再生能源和能源可持续发展的转变。定量评价校园光伏资源潜力是制定应用策略的基础，能够为开发者和利用者提供基础数据和工程建设指导。从国内外现状来看，目前国内已有的光伏潜力分析在尺度上形成两种趋势，一种为城市、地区甚至国家范围的大尺度光伏潜力评估；另一种主要为致力于安装光伏系统的业主提供量化可参考的光伏利用潜力依据，集中于单体建筑，而适合于校园这类建筑密集、能源使用较高区域的分析方法方面还存在空白。另外，现有的光伏潜力分析方法主要也有两种，第一种以评估对象数据收集为基础，使用公式和折减系数法进行评估，系数多为根据经验数据得出的估算值，缺乏对于整个区域的建筑实际细节的考虑，所以得到的数据粗略，具有显著技术缺陷；第二种虽使用激光扫描建模或摄影测量方法，但多关注建筑轮廓的识别，至多是分析建筑互相遮挡情况，没有细化到屋顶设备，且光伏潜力的评估没有关联建筑用电量，实际推广的指导意义较低。近年来，也出现了一些利用交互网络平台甚至手机应用进行光伏模拟的方法，但多使用精度较低的正射影像或谷歌地球影像，分辨率最高为1米左右，无法分析细节，且正射影像无法识别屋顶设备的高度和建筑立面，具有技术缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于参数化分析的校园建筑光伏潜力评估方法，可以有效提升校园尺度建筑群光伏潜力评估的效率和准确性。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于参数化分析的校园建筑光伏资源评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：建立评估区域建筑三维数字化模型；
步骤二：分析确定光伏设施可安装面积；
步骤三：发电量与资金投入成本计算；
步骤四：结合校园用电量预测光伏替代情景，将光伏发电量与能源审计得出的校园能耗进行对比分析，得出不同尺度级别光伏解决方案。
优选地，在步骤一中，包括以下步骤：1.根据所收集的建筑数据平面图结合建筑层数信息，在Rhino中建立建筑体块模型；
2.使用多旋翼无人机对建筑进行倾斜摄影测量，获取屋顶的女儿墙、已有设备、立面开窗和外部遮挡的厘米级图像；
3.内业建模。
优选地，所述内业建模包括以下步骤：1.根据无人机拍摄图像和近景摄影图像，结合建筑体块尺寸标注确定屋顶主要设备和其他遮挡物的三维尺寸、门窗洞口的数量和尺寸；
2.在Rhino中建筑体块上建立女儿墙、屋顶设备和门窗洞口的模型。
优选地，在步骤二中，包括以下步骤：1.使用Rhino的参数化插件GrasshopperLadybug进行阴影和日照时长分析；2.在日照时数分析和约束大于等于三小时的基础上，进行光伏可用面积的参数化计算。
优选地，在步骤三中，包括以下步骤：1.在PVsyst系统中选择项目设计开始设置相关参数；2.光伏发电量计算结果可由如下公式验证：
Et＝Sa×G×R×η×λ
式中，Et为光伏发电总量，单位为kWh/m2·y，Sa为光伏可用面积，G为GCR，即GroundCoverage Ratio，指根据光伏板倾角而变化的光伏组件总面积/屋面总面积比率，R为单位面积光伏板接受的辐射量，单位为kWh/m2,η为光伏板发电转换效率，λ为光伏系统的运行效率；
3.全周期资金投入成本可由以下公式验证：
Ct＝Ci+Ca
式中，Ct为总成本，Ci为初始投资成本，也就是静态投资，主要指装机成本，包括从设计、施工到投入使用过程的费用，Ca为动态投资指光伏系统全生命周期内的运维费用、贷款和利息、折旧费用和残值。
优选地，在步骤四中，具体为，1.校区层级，计算校区整体光伏发电量潜力，对比校区年用电量，得出校区整体实现电力替代的最大百分比并给出光伏组件安装方案；2.不同功能组团层级上，以计算得出的光伏发电量对比各功能组团用电量，论证哪些类型建筑光伏替代率高，适合优先进行光伏组件布置，并给出光伏组件安装方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、光伏潜力评估区域的不同，本发明的光伏潜力评估方法适用于校园尺度建筑群，不同于地区级别潜力评估具体应用情景少、单体建筑级别潜力评估推广性低的特征，本发明具有较强的实际应用前景。
2、建筑群数据获取方式和模型建立方式的不同，本发明的校园建筑模型建立过程结合了根据建筑数据和正射影像建立体块模型、多旋翼无人机倾斜摄影测量遮挡物建立模型、参数化建立门窗洞口模型，便捷高效且模型准确。
3、本发明使用犀牛(Rhino)软件集成的参数化插件Grasshopper Ladybug分析建筑屋顶受女儿墙、设备等物体占据和遮挡以外的可用区域面积，精确分可用区域的日照时长和太阳辐射量，有利于光伏潜力的准确计算。
4、本发明在发电量和资金投入成本的计算步骤实现了专业软件快速计算和公式验证的结合，提升了计算结果的可靠程度。
5、本发明将光伏发电量与能源审计得出的校园能耗进行对比分析，给出校园层级和校园内功能组团层级的光伏解决方案和操作层面的指导，延展了光伏潜力分析的现实意义。
附图说明
图1所示为本发明的校园建筑群光伏潜力评估方法示意图：
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，校园建筑群光伏潜力评估方法，具体的实施方式如下：
第一步：建立评估区域建筑三维数字化模型
1.根据所收集的建筑数据平面图结合建筑层数信息，在Rhino中建立建筑体块模型。
2.使用多旋翼无人机对建筑进行倾斜摄影测量，获取屋顶的女儿墙、已有设备、立面开窗和外部遮挡的厘米级图像。
3.内业建模。
3.1根据无人机拍摄图像和近景摄影图像，结合建筑体块尺寸标注确定屋顶主要设备和其他遮挡物的三维尺寸、门窗洞口的数量和尺寸。
3.2在Rhino中建筑体块上建立女儿墙、屋顶设备和门窗洞口的模型。
第二步：分析确定光伏设施可安装面积。
1.使用Rhino的参数化插件Grasshopper Ladybug进行阴影和日照时长分析。1.1获取分析场地所在地区的气象文件(EPW)，导入ladybug。
1.2将EPW模块输出侧的场地参数(location)与日晷分析模块连接。
1.3分析时间段设置为12月22日0-24时(冬至日日照时长大于3小时区域为光伏可用区域)。
1.4将日晷分析模块输出侧的太阳辐射向量参数(sunVectors)与日照时长模块(sunlightHoursAnalysis)相连接。
1.5分析表面(geometry)拾取要分析的建筑屋面或立面窗户，周围环境(context)拾取女儿墙、电梯机房、屋顶原有设备和建筑外部遮挡物。
1.6调出图例模块(LengendParameters)，设置日照时长3小时以上区域显示相同颜色。
1.7打开运行开关，得到日照时长分析结果。
2.在日照时数分析和约束大于等于三小时的基础上，进行光伏可用面积的参数化计算，这里调用了Grasshopper的网格阈值收集器模块(Ladybug Mesh ThresholdSelector)。
2.1网格阈值收集器模块输入侧连接于日照时数模块(sunlightHoursAnalysis)输出侧的“结果”和“网格”。
2.2使用大于等于工具筛选日照时数≧3的网格。
2.3调用面积模块(Area)，输入侧连接网格阈值收集器模块输出侧的新颜色网格(NewColoredmesh)。
2.4输出侧连接面板(Panel)即可查看计算得出的光伏可用面积。
3.可安装面积按照如下公式计算验证：
Sa＝Sr-(Sd+St)
其中，Sa为光伏可用面积，Sr为建筑屋面总面积，Sd为屋面已有设备和女儿墙占地面积，St为冬至日受遮挡日照时长不足3小时的区域面积。
第三步：发电量与资金投入成本计算。
1.在PVsyst系统中选择项目设计开始设置相关参数。
1.2设置分析场地地理信息和气象信息。
1.3设置光伏方阵安装方式，包括可用面积、光伏模块倾角、方位角。
1.4输入光伏模块参数、逆变器和变压器参数、电缆信息。
1.5进行模拟计算，得出校区总体和各类型建筑的年发电量与全周期资金投入成本计算结果。
2.光伏发电量计算结果可由如下公式验证：
Et＝Sa×G×R×η×λ
式中，Et为光伏发电总量，单位为kWh/m2·y，Sa为光伏可用面积，G为GCR，即GroundCoverage Ratio，指根据光伏板倾角而变化的光伏组件总面积/屋面总面积比率，R为单位面积光伏板接受的辐射量，单位为kWh/m2,η为光伏板发电转换效率，λ为光伏系统的运行效率。
3.全周期资金投入成本可由以下公式验证：
Ct＝Ci+Ca
式中，Ct为总成本，Ci为初始投资成本，也就是静态投资，主要指装机成本，包括从设计、施工到投入使用过程的费用。Ca为动态投资指光伏系统全生命周期内的运维费用、贷款和利息、折旧费用和残值。
第四步：结合校园用电量预测光伏替代情景。将光伏发电量与能源审计得出的校园能耗进行对比分析，得出不同尺度级别光伏解决方案。
1.校区层级，计算校区整体光伏发电量潜力，对比校区年用电量，得出校区整体实现电力替代的最大百分比并给出光伏组件安装方案。
2.不同功能组团层级上，以计算得出的光伏发电量对比各功能组团用电量，论证哪些类型建筑光伏替代率高，适合优先进行光伏组件布置，并给出光伏组件安装方案。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于参数化分析的校园建筑光伏资源评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：建立评估区域建筑三维数字化模型；
步骤二：分析确定光伏设施可安装面积；
步骤三：发电量与资金投入成本计算；
步骤四：结合校园用电量预测光伏替代情景，将光伏发电量与能源审计得出的校园能耗进行对比分析，得出不同尺度级别光伏解决方案；
在步骤一中，包括以下步骤：1.根据所收集的建筑数据平面图结合建筑层数信息，在Rhino中建立建筑体块模型；2.使用多旋翼无人机对建筑进行倾斜摄影测量，获取屋顶的女儿墙、已有设备、立面开窗和外部遮挡的厘米级图像；3.内业建模；
所述内业建模包括以下步骤：1.根据无人机拍摄图像和近景摄影图像，结合建筑体块尺寸标注确定屋顶主要设备和其他遮挡物的三维尺寸、门窗洞口的数量和尺寸；2.在Rhino中建筑体块上建立女儿墙、屋顶设备和门窗洞口的模型；
在步骤二中，包括以下步骤：1.使用Rhino的参数化插件Grasshopper Ladybug进行阴影和日照时长分析；2.在日照时数分析和约束大于等于三小时的基础上，进行光伏可用面积的参数化计算；
在步骤三中，包括以下步骤：1.在PVsyst系统中选择项目设计开始设置相关参数；2.光伏发电量计算结果可由如下公式验证：Et＝Sa×G×R×η×λ
式中，Et为光伏发电总量，单位为kWh/m2·y，Sa为光伏可用面积，G为GCR，即GroundCoverage Ratio，指根据光伏板倾角而变化的光伏组件总面积/屋面总面积比率，R为单位面积光伏板接受的辐射量，单位为kWh/m2,η为光伏板发电转换效率，λ为光伏系统的运行效率；
3.全周期资金投入成本可由以下公式验证：
Ct＝Ci+Ca
式中，Ct为总成本，Ci为初始投资成本，也就是静态投资，主要指装机成本，包括从设计、施工到投入使用过程的费用，Ca为动态投资指光伏系统全生命周期内的运维费用、贷款和利息、折旧费用和残值；
在步骤四中，具体为，1.校区层级，计算校区整体光伏发电量潜力，对比校区年用电量，得出校区整体实现电力替代的最大百分比并给出光伏组件安装方案；2.不同功能组团层级上，以计算得出的光伏发电量对比各功能组团用电量，论证哪些类型建筑光伏替代率高，适合优先进行光伏组件布置，并给出光伏组件安装方案。
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