引言为了实现“双碳”目标，追求可持续发展，清洁能源的利用变得尤为重要。太阳能作为可再生能源，具有清洁和安全等优点，发展潜力巨大，众多学者对其进行了深入的研究[1-2]。对于房间数量多、区域划分细致的建筑，多联机空调系统凭借着节能、减少建筑空间的利用、满足不同种类房间的使用要求等优点被广泛使用。采用光伏直驱变频多联机系统对这类建筑物进行制冷与供热，有效降低了制冷与供热时运行的能耗[3]。但是在严寒地区，光伏直驱变频多联机的经济性和碳排放量等方面的研究仍相对有限。在严寒地区，冬季严寒的气候条件以及大范围的积雪覆盖降低了光伏发电系统的效率，限制了光伏组件的发电能力[4]。严寒地区的能源成本通常较高。文中旨在对光伏直驱变频多联机系统在严寒地区的经济性与碳排放量进行分析，根据光伏直驱变频多联机在严寒地区近零能耗办公建筑中的实测数据，分析光伏直驱变频多联机系统的成本、能耗以及环境效益等关键因素，为光伏直驱变频多联机在严寒地区的应用提供参考。1光伏直驱变频多联机系统构建1.1光伏直驱变频多联机系统工作原理光伏直驱变频多联机系统主要由光伏组件、直流配电箱、光伏直驱多联机、交流配电柜以及室内机构成。光伏直驱变频多联机系统工作原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.011.F001图1光伏直驱变频多联机系统工作原理在光照充足的条件下，光伏组件将太阳光转化为直流电，并通过直流配电箱对直流电进行整合、分配以及保护，整合后的直流电经过光伏直驱多联机内部的逆变器，将光伏组件产生的直流电逆变成等效直流电的脉冲电流，为光伏直驱多联机供电；市政电网的交流市电经过整流电路后被整流成单向的直流电，通过光伏直驱多联机的逆变器，将直流电逆变成等效直流电的脉冲电流，为光伏直驱多联机供电；系统在运行期间优先使用光伏侧的电量。系统光伏侧的输入功率小于光伏发电功率，保证整个系统的安全运行范围，防止过流、过压及欠压等现象的发生[5]。在光照不足的条件下，系统的光伏侧电路断开，形成断路，系统的光伏侧电路只剩下微弱的感应电流。此时由市政电网驱动光伏直驱多联机空调系统。由于实际情况的限制，文中研究的光伏直驱多联机空调系统不能向市政电网反馈电量。1.2近零能耗办公建筑概况吉林建筑科技学院近零能耗办公建筑的建筑面积为1 800 m2，建筑层高3.6 m，共计两层。非透光的外围护结构（墙体、屋面）的传热系数为0.1 W/(m2·K)，透光的外围护结构（窗户）的传热系数为1.0 W/(m2·K)。建筑窗墙比为东向0.30、西向0.30、北向0.25、南向0.45。研究主要在201~204房间搭建一套光伏直驱变频多联机系统，监测光伏直驱变频多联机系统在严寒地区近零能耗办公建筑中的运行情况。光伏直驱变频多联机系统的平面布置如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.011.F002图2光伏直驱变频多联机系统的平面布置（单位：mm）1.3空调系统实际运行策略供暖空调系统的运行时间如表1所示。供暖季节的室内温度设置为20 ℃；空调季节的室内温度设置为26 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.011.T001表1供暖空调系统的运行时间季节空调系统开启时间工作日开机时间公休日开机时间开机天数/d供暖季节2022年10月26日~2023年4月6日9：00~16：00关闭119空调季节2023年7月1日~2023年8月31日9：00~16：00关闭442光伏直驱变频多联机系统的经济性分析2.1用户经济效益光伏直驱变频多联机系统的费用主要由两部分组成：初投资和运行费用。初投资指购买光伏直驱变频多联机系统设备所需要的费用，运行费用主要是系统在运行期间产生的费用等。与常规多联机空调系统相比，光伏直驱变频多联机系统增加了光伏发电系统的设备，初投资一般比普通多联机空调系统高出20％~50％。由于光伏直驱变频多联机系统和普通多联机空调系统在运行期间所消耗的电量不同，光伏直驱多联机会极大地利用光伏发电系统，进而减少电网侧的能耗，故运行期间的费用相差较大。初投资主要包括设备购置费、安装费等。光伏直驱变频多联机系统初投资如表2所示。光伏直驱变频多联机系统的初投资为11.3万元。同等配置下的普通多联机空调系统的型号为GMV6，单价为4.18万元，外加室内机6台共计2.4万元，普通多联机空调系统的施工、运输等费用约1.0万元，总计7.58万元。采用光伏直驱变频多联机系统的初投资比普通多联机空调系统的初投资多出3.72万元。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.011.T002表2光伏直驱变频多联机系统初投资项目数量规格单价总投资/万元合计11.3光伏多联机GMV-Y450WM/D1台5.5万元/台5.5多联机室内机GMV-NDR45TD/A6台0.4万元/台2.4光伏组件LN240（30）-3-26536块265 W2元/W1.9施工、运输等费用1.5长春市电力部门实行分时电价政策，各个月的电价有微弱的差异，以2023年8月份的电价政策为基准，长春市用电时段和用电电价如表3所示。实验期间，系统用电时段为高峰时段与平时段。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.011.T003表3长春市用电时段和用电电价项目高峰时段平时段低谷时段尖峰时段时段9：00~11：30、15：30~21：006：00~09：00、11：30~15：30、21：00~23：0023：00~6：0016：00~18：00（1~2月、7~8月、11~12月）电价/(元/kWh)1.211 670.830 130.448 581.440 60运行期间的实验数据通过上位机采集得到，数据记录在数据库中。实验期间光伏直驱变频多联机系统的运行能耗如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.011.T004表4实验期间光伏直驱变频多联机系统的运行能耗时间电网侧能耗光伏侧能耗总能耗2022年10月55.2674.76130.022022年11月426.15523.72949.872022年12月476.88579.661 056.542023年1月419.78655.381 075.162023年2月377.63562.92940.552023年3月380.02538.10918.122023年4月62.7466.62129.362023年7月138.28140.40278.682023年8月153.46154.38307.84kWh由表4可知，实验期间光伏直驱变频多联机系统运行的总能耗为5 786.14 kWh。在不同天气状况下，光伏直驱变频多联机系统会受到辐照强度波动的影响，影响了光伏直驱变频多联机系统的输入电压以及输入功率。在光照充足的条件下，系统优先使用光伏发电系统产生的电量；光照不足时，系统的光伏侧电路断开，由市政电网对光伏直驱变频多联机系统进行供电。光伏侧使用的电量近似为电网侧节省的电量。实验期间，系统的太阳能保证率（太阳能保证率=消纳的光伏电能/系统的总能耗）为56.96%。其中供暖季节的太阳能保证率为57.75%，空调季节的太阳能保证率为50.26%。在严寒地区，系统可以充分利用太阳能资源，这对于减少温室气体排放至关重要。根据长春市高峰时段与平时段的电价政策，实验期间光伏直驱变频多联机系统的运行电费如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.011.T005表5实验期间光伏直驱变频多联机系统的运行电费时间高峰时段用电量/kWh平时段用电量/kWh实验期间运行电费/元2022年10月31.4923.7757.892022年11月245.36180.79447.372022年12月282.27194.61503.572023年1月248.47171.31443.272023年2月218.40159.23396.812023年3月189.36190.66387.712023年4月35.7027.0465.702023年7月78.6959.59144.812023年8月95.1258.34163.68由表5可知，高峰时段的用电量大于平时段。这是因为系统刚开机时处于高峰时段，启动压缩机需要较大的启动电流，光伏侧的电流难以支持系统启动，导致电网侧所需电流突增，电网侧的能耗随之增加；高峰时段与平时段的辐照强度不同也会影响系统运行。实验期间，系统运行电费为2 610.81元。光伏侧能耗近似为市政电网节省的能耗，若无光伏发电系统提供电量，取高峰时段与平时段的均值估算普通多联机空调系统运行费用，计算得出运行费用为5 907.06元。与普通多联机空调系统相比，光伏直驱变频多联机系统的运行成本节省了约55.81%，经济效益显著。光伏系统增加的初投资为3.72万元。根据实验期间监测数据可以得出，光伏直驱变频多联机系统运行期间，年节约电费为3 296.23元。光伏直驱变频多联机系统静态回收期=光伏空调系统增加初投资/年节约电费[6]。光伏直驱变频多联机系统静态回收期约为10年。由于实验条件的限制，光伏直驱变频多联机系统无法向电网进行馈电，故光伏直驱变频多联机系统静态回收期应该小于10年。2.2社会经济效益在电网侧，光伏直驱变频多联机系统应用了光伏发电技术，减少了电网侧的能耗，从而节约了电力设施的投资成本，使电网侧的用电负荷趋于平稳，发电站常用发电机组负荷率均衡，发电效率明显提高，减少了能源的消耗，也减少了污染物的排放，在一定限度上保护了地球环境，对社会的可持续发展以及“双碳”目标的实现有着重要意义[7]。3光伏直驱变频多联机系统碳排放量分析建筑全生命周期的碳排放量包含3个部分，即建材生产、建筑施工及建筑运行。建筑运行阶段是建筑全生命周期内最主要的碳排放产生阶段，该阶段的碳排放约占建筑全生命期碳排放的70%。系统应用还需要考虑建筑的设计寿命，一般以设计年限为准，文中案例工程的建筑设计年限选取20年。案例工程建筑运行阶段的碳排放主要源自光伏直驱变频多联机系统，主要计算光伏直驱变频多联机系统在建筑运行时期的碳排放量[7]。建筑运行过程的碳排放包括能源直接使用造成的直接碳排放和建筑用电造成的间接碳排放，电力带来的碳排放需要折成标准煤。质量平衡法、排放因子法和实测法是常用的碳排放计算方法[8]。根据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）[9]，选择排放因子法计算光伏直驱变频多联机系统在建筑设计寿命期间的碳排放量Cyx为：Cyx=a∑i=1nEFi⋅Ei (1)式中：i——建筑消耗终端能源类型，包括电力、燃气、石油、市政热力等；a——建筑的设计寿命，取20年；Ei——第i类能源的年消耗量；EFi——第i类能源对应的碳排放因子，取2022年度全国电网平均碳排放因子0.570 3 t CO2e/MWh。经计算，在建筑设计寿命20年以内，光伏发电系统为系统提供电量时，此时由光伏发电系统和市政电网共同为系统供电，运行期间的碳排放量为28.41 t CO2e；光伏发电系统不向系统提供电量时，系统相当于普通多联机空调系统，运行期间的碳排放量为66.0 t CO2e。光伏直驱变频多联机系统在运行期间的碳排放量比普通多联机空调系统降低了约56.95%，降碳效果明显。4结语文中依托吉林建筑科技学院近零能耗办公建筑，搭建了一套光伏直驱变频多联机系统。监测光伏直驱变频多联机在严寒地区近零能耗办公建筑中的运行情况，对实验期间的运行数据进行经济性分析与碳排放量分析。得出结论如下：第一，在实验运行期间，系统的太阳能保证率为56.96%。其中供暖季节的太阳能保证率为57.75%，空调季节的太阳能保证率为50.26%。光伏直驱变频多联机的应用可以极大地利用太阳能资源，对建筑进行制冷与供热，减少了碳排放量。第二，在实验运行期间，光伏直驱变频多联机系统在严寒地区近零能耗办公建筑中的运行成本比普通多联机空调系统减少了约55.81%，经济效益显著。第三，光伏直驱变频多联机系统在严寒地区近零能耗建筑的静态回收期小于10年。第四，在建筑设计寿命20年以内，光伏直驱变频多联机系统的碳排放量比普通多联机空调系统降低了约56.95%，降碳效果明显。