綠色建筑電氣節能設計與能源管理系統可行性研究及解決方案

李莉芳, 沈 飛

(1.青海省建筑勘察設計研究院股份有限公司, 青海 西寧 810001;2.安科瑞電氣股份有限公司, 上海 201801)

0 引 言

自國家提出公共建筑節能改造以來,各省市相繼采取相關措施,如建立能源管理系統、制定用能評價指標體系、制定各機關單位用能定額等,以響應國家關于公共建筑節能的號召。因此,加強節能降耗成為全社會共識,節約能源、提高能源利用效率成為社會可持續發展的重要因素,更是構建和諧社會的基礎。

電能作為維持建筑運行的主要能源之一,對其進行合理地利用和管理,以達到節能降耗的效果,這是綠色建筑必須采取的措施。因此,研究綠色建筑電氣節能與能源管理技術具有重要的現實意義[1-4]。

目前,建筑綜合能源管理系統應用廣泛,利用其對建筑能源進行綜合分析與管理,對有效降低建筑能耗、提高綠色建筑環保水平具有指導意義。建筑電氣節能關鍵技術主要包括可再生能源利用、供配電系統節能、電氣照明節能、綜合能源管理系統[1-2]。

1 可再生能源利用

可再生能源系統是指在一個區域內將太陽能、風能、水能、地熱能、生物質能等能源進行綜合利用和轉換的技術集成系統。在可再生能源產業中,太陽能具有清潔、可再生等特點,被稱為新能源。太陽能光伏發電在新能源領域最具有經濟潛力,近年來發展迅速。

光伏發電監控系統提供相關解決方案,針對光伏發電每個環節電力參數檢測的需要,安科瑞電氣股份有限公司(簡稱安科瑞)推出了AGF系列光伏匯流采集裝置、PZ系列直流檢測儀表及APM系列電力質量分析儀,分別應用于匯流箱、直流柜及交流柜中,通過Acrel-2000 V8.0建筑光伏發電監控系統實現光伏電池、匯流箱、直流柜、逆變器、交流柜等運行參數和狀態數據采集,進行監視、控制和調整,以提高發電系統的效率。

光伏監控系統架構如圖1所示。

圖1 光伏監控系統架構

建筑光伏發電系統終端產品如下。

(1)智能光伏匯流箱,主要功能是對光伏電池陣列的輸入進行一級匯流,提供匯流防雷功能的同時,還監測光電池板運行狀態,匯流后采集電流、電壓、功率、防雷器狀態、直流斷路器狀態,具有繼電器接電輸出等功能,可選風速、溫度、輻照儀等傳感器接口功能。

(2)光伏直流柜匯流采集裝置,對多路匯流支路電流、母線電壓進行監控,監視斷路器、防雷器等狀態,控制繼電器輸出,用于鼓風降溫。配合外部霍爾傳感器進行多路電流隔離測量,安全性高,實現功率及電能測量;可直接測量直流母排電壓最高直流1 kV(省去電壓霍爾傳感器,僅限16外形);具有內部測溫功能;標配RS-485接口。

建筑光伏發電系統主要功能如下。

(1)系統運行監視和控制。系統監控提供功能選擇畫面,并對光伏陣列現場環境進行實時監測與顯示,如室外溫度值、風速、風向、光照強度等。并且可分區域實時監測各光伏陣列的充電電壓及電流、蓄電池電壓及溫度等信息,并對故障點進行異常顯示與報警提示。

(2)逆變器用電趨勢曲線分析。監控系統可繪制與顯示逆變器電壓-時間曲線、功率-時間曲線、直流側輸入電流實時曲線、交流側逆變輸出電流曲線等,并采集與顯示各逆變器日發電量等電參量。

(3)歷史數據管理。監控系統可針對光伏發電現場的各種事件進行記錄,如通信采集異常、開關變位、操作記錄等,時間記錄支持按類型查詢,并可對越限報警值進行更改設置。

(4)日發電趨勢分析。系統提供實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面,反映出每天24 h內光伏發電量與該日日照強度、環境溫度、風速等的波動情況。

光伏發電監控系統界面如圖2所示。

圖2 光伏發電監控系統界面

2 供配電系統節能

電能質量分析與治理系統為供配電系統節能提供解決方案,主要解決傳統供配電系統中的無功補償和諧波治理問題,使諧波指標滿足國家標準,避免供電部門罰款或中斷供電;提高電能功率因數,降低變壓器損耗,達到節能的目的;減少諧波污染,降低諧波對自動控制裝置、電能計量裝置、繼電保護裝置的干擾,保證供配電系統安全穩定運行;避免諧波過電壓和諧波過電流對電氣設備的危害,延長設備使用壽命。

安科瑞為供配電系統節能提供的對應產品有有源電力濾波器、低壓無功功率補償裝置、靜止無功發生器、混合動態濾波補償裝置、混合動態消諧補償裝置、智慧型動態無功補償裝置、諧波保護器等。

(1)有源電力濾波器。通過三相變流器向系統注入補償電流,實現濾除諧波的功能,保證最終流入電網電流是正弦波,適用于并聯在含諧波負載的低壓配電系統中,能夠對動態變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償。

(2)低壓無功功率補償裝置。集無功補償、電網監測于一體,通過投切電容器組來補償電網中的無功損耗,提高功率因數,降低線損,從而提高電網的負載能力和供電質量;能夠實時監測電網的三相電壓、電流、功率因數等電量參數。該補償裝置并聯在整個供電系統中,能根據電網中負載功率因數的變化控制電力電容器投切。

(3)靜止無功發生器。該裝置是用于補償無功以及三相不平衡的新型電力電子裝置,能對無功以及負序進行快速和聯系的補償,可克服傳統的無功補償器響應速度慢、補償效果不能精確控制、容易與電網發生并聯諧振和投切振蕩等缺點。

(4)智慧型動態無功補償裝置。該補償裝置是一種用于補償無功,實現無極補償效果的新型電力電子裝置,可以主動根據系統線性動態需求,自動調節有源及無源模塊的輸出配比。

(5)混合動態濾波補償裝置。主要用于補償電網中的無功電流、諧波電流以及不平衡電流等,達到提高用電效率、節能以及改善電能質量的目標。該補償裝置突破傳統無功補償技術,在有效降低成本的同時實現諧波治理與無功補償。

(6)混合動態消諧補償裝置。以并聯方式接入配電系統,實時監測系統的電流分量,通過控制計算及邏輯變化,計算出系統所需的無功分量及諧波分量,然后通過三相全橋換流電路實時產生系統所需要的無功與諧波電流注入到配電系統中,在補償無功的同時可兼治系統的諧波。

電能質量分析與治理系統適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業與民用及公共建筑內電氣設備的無功補償、諧波抑制及綜合治理等,可根據不同行業類型和負載類型的電能質量問題提供合適的設計解決方案,以達到改善供電質量和確保電力系統安全經濟運行的目的。

電能質量在線監測與治理系統架構如圖3所示。

圖3 電能質量在線監測與治理系統架構

3 電氣照明節能

大型公共建筑對照明設計要求較高,不僅要控制照明光源的發光時間、亮度,而且需要與其他系統來配合不同的應用場合做出相應的燈光場景。

智能照明系統采用與KNX兼容的Acrel-Bus總線組網方式,通過IP網關接入智能照明控制系統,實現定時控制、高峰全開、亮度調節等各種場景控制,使照明系統按照預先設定的各種模式工作,改善空間光色、立體感、色飽和度,營造舒適宜人的燈光效果。

智能照明系統架構如圖4所示。

圖4 智能照明系統架構

大型公共建筑項目中的路燈、庭院燈、草坪燈等室外景觀照明部分均建議采用太陽能發電系統供電,同時室內電氣照明中所有照明光源、電源附件均選用高效、節能型產品,做到既滿足照明質量又節約能源。智能照明系統建筑剖面圖如圖5所示。

圖5 智能照明系統建筑剖面圖

采用Acrel-Bus智能照明控制系統既可實現照明燈具的遠程集中控制,又可實現就近控制功能,其靈活多樣的智能化控制及龐大的設備容量,特別適用于醫院、學校、酒店及各類體育場所、機場、隧道等大型公建項目照明系統的智能化控制;豐富多元化的控制功能以滿足任何個性化的需求,并達到節能效果。

(1)光照度監測,根據自然光照度變化,對照明區域進行照明控制和調節,滿足照明和節能要求。

(2)公共區域、走廊、通道、門廳、電梯廳等設置紅外或微波類人體感應器,并結合智能控制面板實現各種場景照明控制,盡可能減少燈具點亮時間。

(3)樓梯間照明采用人體感應探測控制方式。

(4)設備房、設備房走道采用分組就地控制方式。

(5)室外路燈、景觀等照明采用光照度控制結合時控的集中控制方式。

(6)監控系統界面友好,實時顯示各區照明工作狀態。

(7)具有完善的用戶權限管理功能,避免越權操作。

4 綜合能源管理系統

Acrel cloud-5000綜合能源管理系統適用于各行業的大型公共建筑,如政府辦公建筑、工廠、教育建筑、醫療建筑、商業綜合體等,可通過局域網、互聯網或者4G網絡采集不同區域多個建筑或單位的用能數據。

系統在電能數據采集的基礎上增加對水、氣、煤、油、熱(冷)量數據以及光伏、風力、儲能等新能源數據的集中采集與分析。通過對建筑能源消耗按照區域、部門、用電設備類型進行細分和統計,提供同比、環比分析比較和用能數據追溯,同時提供尖峰平谷各時段用能數據和報表,幫助用戶梳理能源賬單明細和制定能源績效考核。

Acrel cloud-5000綜合能源管理系統以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況,便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣,有效節約能源,為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

綜合能源管理系統界面如圖6所示。

圖6 綜合能源管理系統界面

5 解決方案在建筑電氣節能方面的應用

我國建筑能耗在總能耗中占很大比重,建筑節能是當下急需解決的問題。在建筑能耗中,建筑電氣能耗占80%以上,是建筑能耗的重要組成部分,因此解決建筑電氣的節能問題刻不容緩[2]。

近年來,安科瑞為大型綜合商業建筑用戶端提供的建筑光伏發電監控系統、電能質量在線監測與治理系統、智能照明系統、綜合能源管理系統等一系列解決方案。其充分利用大數據、物聯網、多套系統協作等先進技術,對建筑能源消耗進行可視化管理,提高用能效率,為有效降低建筑能耗提供數據支撐,保證了建筑各系統的安全、穩定、高效運行。

6 結 語

可再生能源利用、供配電系統節能、電氣照明節能、綜合能源管理系統所構成的建筑電氣節能技術是構建綠色建筑概念的關鍵。光伏監控系統、電能質量在線監測與治理系統、智能照明控制系統、綜合能源管理系統解決方案能提高用能效率,為有效降低建筑能耗提供數據支撐。