綠色能源在建筑電氣系統節能中的應用

侯 婕, 曲洋辰

(1.中國航空規劃設計研究總院有限公司,北京 100120;2.華潤電力京津冀新能源有限公司,天津 300000)

0 引 言

隨著全球經濟的迅猛增長,人們對能源的需求不斷上升,但能源消耗也在不斷增加[1]。據統計,當前國內能源消耗量已經占到全球能源總消耗量的約20%[2]。與此同時,建筑行業的能耗也在逐年增加。建筑領域的能源消耗約占社會總能源能耗的10%,而隨著國內城市化進程的加快,建筑能耗還將進一步上升[3-5]。因此,在全球積極倡導綠色可持續發展的背景下,建筑節能成為當前社會關注的熱點問題之一。

隨著可持續發展戰略的不斷深入,綠色節能理念逐漸被人們所重視[6]。目前國內對于能源資源的需求也在不斷增加,能源資源正在逐步枯竭[7]。對于建筑而言,其所消耗的能源資源主要包括電力、熱能和天然氣等,因此應當加強對于建筑節能方面重視力度,積極采取有效措施降低能耗對環境造成的影響[8-10]。建筑電氣系統作為建筑節能中必不可少的組成部分之一,其在節能方面能夠發揮出不可代替的作用[11]。對于建筑電氣系統而言,一般的節能減排策略雖然有效,但是隨著需求的不斷擴大,逐漸不能滿足現階段的低能耗運行需求[12]。當前,人們對于建筑電氣系統節能要求不斷提高,而要想在滿足人們用能需求下實現建筑節能目標,就必須對其進行優化,提升建筑電氣系統與綠色能源利用效率[13-15]。本文研究綠色能源在建筑電氣系統節能中的應用,以期為建筑電氣系統的節能減排提供一定的技術支持。

1 綠色能源在建筑電氣系統節能中的應用

1.1 建筑光伏組件安裝

建筑電氣系統主要包括以下幾個方面:照明系統主要由光源和燈具組成,同時也包括一些配套的控制設備;空調系統主要由空調主機、送風設備等組成,同時也包括相關的輔助設備;供暖系統和制冷系統主要由供冷設備和冷源裝置組成,同時也包含其他一些輔助設備,如電梯、水泵等。

現階段,建筑節能不僅要保證能耗的降低,還要考慮管理效率和使用體驗。綠色能源利用與建筑電氣系統的整合還需要考慮能源需求層次的變化和關注的核心。能源需求層次及核心如圖1所示。

圖1 能源需求層次及核心

從能源需求和關注核心出發,利用太陽能對建筑電氣系統進行優化。其中光伏組件是利用光電效應將太陽能轉化為電能的設備,廣泛應用于建筑電氣系統中。其安裝方式有:① 將光伏組件安裝在建筑物的屋頂上,將其與電氣系統相連接,形成光伏發電系統。② 將光伏器件融入建筑物的設計中,實現光伏建筑一體化。考慮到建筑的美觀性和實用性,采用第一種整合方式。在設計光伏組件時,需要計算出光伏組件串并聯個數,光伏陣列的間距以及光伏陣列的安裝方式。

光伏組件串聯個數由以下公式確定:

(1)

(2)

式中:N——光伏組件串的串聯數;

Udrmax——逆變器允許的最大直流輸入電壓;

Uoc——開路電壓;

t——組件工作的極限低溫;

φu——組件開路電壓的溫度系數;

Umpptmin——逆變器電壓最小值;

Umpptmax——逆變器電壓的最大值;

Upm——組件的工作電壓;

t′——降溫速率;

φ′u——溫升系數。

在建筑電氣系統接入方面,先確定并網接入點的合理位置,再確定光伏系統的并網方式。光伏陣列的間距和安裝需要考慮建筑的實際情況,確定屋頂、外墻或遮陽位置,才能進行具體的布置,從而保證系統節能降耗效果。

1.2 電氣照明設備節能

在建筑電氣系統中,照明部分相對獨立,它通常由兩個主要部分構成:① 通過控制電路進行工作的照明控制器;② 通過自然光源對建筑進行照明的照明燈具。針對這兩個主要部分,根據其功能和特點進行節能改造,從而提高整個照明系統的節能效果。

在大型綜合型建筑的建筑電氣系統中,根據其功能特點將其劃分為兩大類:① 用于室內空間照明的光源系統;② 用于室外環境照明的光源系統。在對光源系統進行節能改造時,根據室內空間和室外環境的不同特點對其進行分類,從而有針對性地選擇合適的光源系統。如室內空間環境以辦公為主,則可以將熒光燈、LED燈等光源系統作為首選方案,通過調整 LED燈的發光強度來滿足室內照明的需求;如果室內空間以休閑娛樂為主,則可以將熒光燈作為首選方案。通過對這兩種光源系統進行整合,可以有效降低整個照明系統的能耗。同時,針對不同區域、不同時間段的光照情況進行合理調整,盡可能延長照明燈的使用壽命,降低其運行成本。

此外,在對照明燈具進行節能改造時,還需要注意以下幾點:① 根據不同功能區域的特點和要求對其進行分類。例如,在商業綜合體中,可以根據其功能特點將其分為公共區域、商業區域、辦公區和休閑娛樂區四大區域。② 對不同區域內照明燈具的數量和種類進行確定。③ 根據不同功能區域內的光源特性進行分類。④ 在進行光源改造時還需注意與建筑景觀相結合,這樣才能夠更好地實現建筑物節能降耗的重要目標。除了對照明系統整合優化以外,還需要對空調系統等其他電氣設備進行節能改造設計。

1.3 建筑電氣設備節能

建筑電氣系統中能耗較高的項目還有空調系統,空調系統一般具有冷、熱、除濕3種功能,其中制冷功能主要是通過蒸發和冷凝過程來實現;制熱功能可以通過空氣源熱泵或地源熱泵或電加熱來實現;除濕功能主要是通過空調除濕機來實現。在具體節能策略方面,優先選擇高效節能的冷水機,同時針對不同季節對其進行合理調整;在除濕功能方面,優先選擇空調除濕機,同時針對不同季節對其參數進行合理調整。

為了節約電能,通過提高功率因數來提高其他電氣設備的能源利用效率。具體做法包括以下幾個方面。

(1) 在建筑項目中,采用三相輸電線路,以便降低線路損耗。其功率損耗計算公式為

(3)

式中:ΔE——線路的功率損耗;

I——線電流;

U——線電壓;

P——有功功率;

R——輸電線路導線每相電阻;

γ——輸送負荷的功率因數。

由式(3)可以看出,線路損耗與功率因數成反比,提高功率因數能夠有效降低損耗。

(2) 在建筑電氣項目中使用變壓器低壓側集中補償、高壓側集中補償、低壓分組補償等無功補償裝置。這些措施可以改善電力系統的功率因數,減少無功功率的流動,提高能源利用效率。無功補償裝置設計如圖2所示。

圖2 無功補償裝置設計

(3) 減少變壓器銅損或降低電壓損失,根據以往對建筑電氣系統的研究可知,變壓器的銅損與負載電流有正比關系,想要提高功率因數,可以通過減少負載電流,促使變壓器銅損降低來達到目的。降低電壓損失的目的也是在于減少負載電流,但是需要注意的是,需要降低相同距離電纜線路上的電壓。

2 試驗研究

2.1 試驗準備

通過上述過程,完成了綠色能源在建筑電氣系統節能中的應用研究。為了驗證設計的內容實用性,展開試驗研究,結合實際的建筑項目運行情況,對提出的新的電氣系統節能效果進行分析對比。

以某大型建筑作為試驗對象,利用提出策略與基于需求響應的建筑電氣系統和碳中和策略下的建筑電氣系統進行對比,從節能效果和經濟效益兩個方面驗證建筑電氣系統的綜合應用能力。為保證試驗的公平公正,試驗使用統一的數據。試驗案例全年單位面積耗電量統計數據如表1所示。

表1 試驗案例全年單位面積耗電量統計數據

表1中選擇的項目都是與建筑電氣系統相關的內容,同時也是一般大型建筑中必不可少的設備,試驗數據為以往建筑工程中的歷史數據,將上述數據輸入到計算機仿真軟件中,利用計算機軟件模擬出不同條件下建筑耗電情況,在仿真模擬結束后,統計出各組試驗結果進行綜合分析。

2.2 節能效果試驗分析

在節能效果試驗分析中,使用計算機軟件模擬各個不同策略下的建筑電氣系統的運行情況,分別統計出表1中顯示的各個項目的單位耗電情況和總耗電量,根據整合前后的耗電量分析節能效果。不同策略下建筑電氣系統的節能效果如圖3所示。

圖3 不同策略下建筑電氣系統的節能效果

分析以上研究結果可知,各組試驗結果與表1數據相比均有所下降,說明3種策略均具有一定的節能效果,但是各組節能水平各不相同。基于需求響應的建筑電氣系統各個項目的能耗與表1中數據十分接近,節能效果一般。碳中和策略下的建筑電氣系統試驗結果中,部分項目能耗較低,與表1中數據相比節能效果較明顯,但是依然有一些項目的節能效果不理想。提出策略下的建筑電氣系統能耗低,并且與表1中顯示的耗電量相比,每個項目的耗電量下降都很明顯,說明綠色能源在建筑電氣系統節能中的應用后,建筑電氣系統能耗達到了理想的節能水平,有效提高了綠色能源利用效率。

2.3 經濟效益試驗分析

在經濟效益試驗分析中,默認建筑電氣系統的變壓器、電纜長度等參數統一不變,不影響試驗結果,設置系統最大運行時間為960 h,利用計算機統計各個策略下的建筑電氣系統中照明所消耗的單位費用。由于不同建筑照明系統消耗不同,在試驗前確定沒有任何策略支持,確定正常運行情況下照明所消耗的單位費用對比結果并計算節約比。不同策略下建筑電氣系統的經濟效益試驗結果如圖4所示。

圖4 不同策略下建筑電氣系統的經濟效益試驗結果

通過圖4試驗結果可以看出,在原始費用一致的情況,各組節能后費用均有所降低,經過簡單計算可知,基于需求響應的建筑電氣系統的平均節約比約為13%,碳中和策略下的建筑電氣系統的平均節約比約為16%,提出策略下的建筑電氣系統的平均節約比約為39%,由此可以確定,提出策略能夠提升建筑電氣系統的經濟效益。結合各組的節能效果綜合分析可知,綠色能源在建筑電氣系統節能中應用后,建筑電氣系統能耗低和效益高,實用性強。

3 結 語

綠色能源在建筑電氣系統節能中的應用,可以有效提高建筑物的用能效率和能源利用率,有效降低建筑物運行過程中的能耗,是實現綠色節能的重要途徑。

建筑電氣系統的節能設計還有更大的進步空間。在后續優化和研究過程中,還應該注重將綠色節能理念融入建筑電氣系統的各個階段之中,包括設計階段、施工階段和運行階段。在設計階段,綜合考慮綠色節能理念、建筑電氣系統節能改造技術方案以及節能效果等因素;在施工階段,根據具體工程實際情況,對綠色節能理念進行合理運用;在運行階段,積極探索智能控制技術的應用策略,進一步提高建筑物的用能效率。以便從多個方面提升建筑電氣系統的節能降耗效果。