零能耗建筑的电气设计与应用

2011-09-18王东林董维华吴闻婧天津市建筑设计院机电研发中心天津300074

智能建筑电气技术 2011年3期

王东林/董维华/吴闻婧/孙玲（天津市建筑设计院机电研发中心，天津 300074）

1 概述

近年来，随着环境保护和节约能源的呼声越来越高，使得零能耗建筑日益受到关注。零能耗建筑指的是建筑的零能源消耗，它通过各种节能技术的应用和节能管理水平的提高，来增强人们的环保和节能意识。

零能耗建筑的面积通常不会太大，楼层不会太高，功能也不会太复杂，一般用于展示节能及环保等方面的技术和成果，不会具有很强的使用功能，如：生产或餐饮等功能。

零能耗建筑是指应用到现场和用可再生能源的能量来运作的建筑，使一年中现场产生能量的净额等于建筑所必须的能源净额[1]。由于一年里不同时间段，建筑物所需能量与通过现场光伏发电产生的能量二者并不一致，因此，零能耗建筑只有与电网交换能量才能达到净能量的平衡。

下面以中新天津生态城——公屋展示中心项目为例，探讨有关零能耗建筑的相关技术。本项目建筑面积3467m2，其中地上两层3013m2，地下一层454m2，建筑高度15m。建筑功能为：公屋展示、销售和房管部门办公及有关档案储存等。

本项目按照零能耗建筑进行设计，通过被动式技术使建筑物能耗达到最小，主动式技术实现设备的高效率运行，利用太阳能和地热能等可再生能源满足建筑能源的需求，达到现场零能耗的可持续性运转的示范作用。

为实现建筑零能耗采取了两方面的技术手段：供电方面采用由光伏发电、锂电池储能等组成的微网系统；用电方面采用由各种控制技术组成的合理调节设备用能的控制系统。

2 零能耗相关技术

对于零能耗建筑，首先要考虑保障其正常运转的能量来源，通常由太阳能光伏发电系统为其提供能源，而建筑物可以设置太阳能光伏电池板的区域非常有限，因此，选用电池板的首要问题就是确定建筑物的能耗。

2.1 建筑能耗分析

建筑能耗分两种，一种是广义建筑能耗，指的是从建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全过程能耗；另一种是狭义建筑能耗，指的是维持建筑功能所消耗的能量，包括照明、采暖、空调、电梯、热水供应、烹调、家用电器及办公设备等的能耗。零能耗建筑使用的是狭义建筑能耗。

建筑能耗分析并非简单的数值计算，它需要综合建筑物可能出现的各种复杂的用能情况。常采用IES软件对建筑物的能耗进行分析模拟，其中的建筑环境，是由室外气候条件、光照情况、室内各种热源的发热状况以及室内外通风状况所决定的。要满足建筑物的舒适及使用要求，就必须对建筑环境的变化进行相应的控制。由于建筑环境变化是由众多因素所决定，因此只有通过计算机模拟分析的方法才能有效地预测出建筑环境在有和没有控制时的能耗状况，才能较准确和全面地给出建筑物内相关设备的能耗。最后可以运用时间分类的方法对计算机、热水器等设备及各房间能耗进行分析校核，最终确定建筑物的能耗。本项目的建筑物年能耗见表1。

表1 建筑物能耗计算分析结果

以上的分析计算结果是在采用了主动节能与被动节能技术（如：建筑围护结构、地道风、天然光导光系统等）以后得到的。对比于新加坡一所学校的技术培训楼，其建筑面积4500 m2，按照“零能耗建筑”进行改造，总能耗仅为45.8kWh/ m2.a。由此可见其能耗是非常低的。

2.2 光伏发电系统的确定

以计算出的建筑物能耗作为选用光伏电池板的基本参数，根据当地太阳能资源情况和建筑物可安装电池板的面积确定光伏电池板的类型和相关参数。

（1）天津地区的太阳能资源情况

根据《天津市太阳能资源评估报告》，近30年来天津太阳总辐射特征，按照中国太阳能资源的区划标准属于ⅡC/X（5/7）h。总辐射为5977.6MJ/m2，可利用的太阳辐射为3880MJ/m2，占总辐射的65%；天数为199天，占全年的54.5%。

（2）本项目可以设置太阳能光伏电池板的区域有：建筑物的屋顶、立面和自行车棚等。

（3）安装区域首先考虑屋顶，其次是自行车棚，最后考虑建筑物立面。电池板按照转换效率最高的原则进行选择（见表2），其安装角度以总发电量最大为目标。

表2 相同安装面积下的光伏电池发电量比较表

采用HIT210W光伏电池板需要在该区域铺设1409块，总装机容量为295.89kWp，年发电量为299.24MWh/a。具体安装数据见表3。

表3 光伏电池安装参数

本项目的光伏发电量为299,240 kWh/a，而总能耗为252,716kWh/a。预留出不小于10%的不可预见量。对比于新加坡的技术培训楼，其光伏发电量为207,000 kWh/a，能耗为206100kWh/a。

在确定光伏发电系统时应注意：

（1）遮挡分析：周边建筑物对本建筑屋顶电池板的遮挡分析，建筑自身对电池板的遮挡分析，如：建筑物屋顶女儿墙、建筑物屋顶设备机房、突出屋面的设备等。

（2）光伏发电系统的分析：光伏组件参数、光伏方阵排列间距、光伏组件倾斜角度、光伏方阵模数、逆变器参数及配置情况、系统装机容量、预计年发电量等。

（3）利用PVSYST软件进行模拟分析计算：根据天津地区的经度和纬度，通过模拟分析比较，获取光伏组件利用效率最高的安装倾角和安装间距，并根据可用场地面积，设计合理的光伏组件方阵和逆变器，模拟计算出年光伏发电量。

（4）光伏发电系统的经济性分析：在可用场地面积和技术条件一定的前提下，以满足零能耗建筑的用能需求为目标进行投资的分析比较。从表4的比较结果可以看出，采用转换效率最高的光伏板其装机容量和发电量是最高的，同时投资也是最高的。

表4 光伏电池板的静态投资比较

2.3 微网及储能技术

由于光伏发电系统受外部环境气候影响较大，其发电量并不稳定，与建筑物的用能情况并非一一对应，因此，必须采用与外电网并网运行的方式，才能实现建筑物用能平衡。

本项目采用由光伏发电、锂电池储能及负荷构成的微网系统。

微网系统根据其规模的大小分为，低压微网系统、馈线级微网系统和变电站级微网系统。由于本项目是基于用户的接入模式接入到配电变压器的400V侧，因此采用低压微网系统。

2.3.1 低压微网系统

微网系统有并网和孤岛两种运行模式。本项目低压微网组建模式如图1所示。将所有光伏发电和重要负荷接入到400V交流母线M1，并配置一定规模储能装置，共同组成低压微网。通过微网联络开关实现与400V母线M2的连接。微网范围为图1中红色椭圆部分，具体要求如下：

（1）在光伏电池和负荷的出口处分别设置断路器（B1～ B6，必须具有过载保护），通过微网联络开关接入400V母线M2。

（2）微网所包括的断路器均由微网监控系统进行监控，并确保在断路器下级设备发生故障时动作，在上级发生故障时不动作。

（3）在外部电网故障时，关断电源逆变器和全部微网负荷，断开微网联络开关。随后微网监控系统控制储能放电，闭合重要负荷的回路，建立微网电压。微网电压建立后，根据微网运行需要，逐步投入剩余负荷，微网转入孤网模式。以储能为主控单元，以光伏发电为辅助控制单元，孤网运行。

（4）在微网内部设备发生故障或进行检修时，断开相应断路器。

2.3.2 锂电池储能

锂电池储能具有利用峰谷电价，调节用电的功能，但在微网中主要还是稳定系统的运行。储能功率在配置时不应小于重要负荷的用电量；同时还应满足在孤网运行时，电网电压、频率的控制需求；在并网运行时，储能发挥一定的功率控制作用；电池的容量按照光伏发电量与建筑物能耗差值最大的月份来确定。储能系统配置基于以下条件：

（1）光伏出力曲线；

（2）在孤网运行时，储能系统按30%初始容量计算，通过储能放电（满放）保证重要负荷持续工作2h；

（3）在并网运行时，储能系统按25%～85%容量进行控制，控制一天不超过一次充放电循环。

2.4 能耗控制

零能耗建筑正常运转不仅需要足够的可再生能源——光伏发电，同时，还需要通过主动节能的各种措施，合理调节设备用能需求，降低建筑物的总能耗。

2.4.1 智能照明控制系统

照明用电在建筑中占有一定的比重，照明是否控制得好对照明能耗影响较大。本项目采用KNX/DALI数字化照明技术。要求所有办公区域的荧光灯配置具有DALI数字通信接口的高频电子镇流器，LED灯配置具有DALI数字通信接口的变压器。每个镇流器、变压器都通过数字寻址通信。其主要控制功能：

（1）每个光源作为一个独立的通信对象，可以分别访问和控制；

（2）光源和镇流器状态信息可实时通过总线传至弱电机房的主机；

（3）荧光灯和LED调光可实现由1%～100%的亮度调节；

（4）设置集亮度感应、恒照度控制和人体感应于一体的吸顶式感应器；

（5）根据室外光线的变化，通过DALI总线对每个灯具进行断开或调光控制。

2.4.2 空调节能控制系统

暖通空调系统消耗的能量在建筑物内占有相当大的比重。空调设备包括：地源热泵、空调机组、新风机组、排风机、机房空调等。通过对空调设备的节能控制，可以提高空调设备的运行效率，降低运行能耗。其主要控制功能：

（1）直流无刷风机盘管采用联网控制系统，系统自带温度传感器。不仅可以利用现场的温控器实现对盘管的电动阀和风机的控制，也可从后台主机对盘管进行统一监控。

（2）根据室内温度传感器与后台设定的温度相比较，通过控制模块自动调节地板采暖系统分配器上电动阀的开闭，实现室内温度的调节。

（3）根据室内吸顶式感应器的信号，通过输出继电器调节风机盘管或采暖系统分配器上电动阀的开闭，实现人走设备停。

（4）空调季通过窗磁信号和输入模块实现对风机盘管的软开闭。房间无人时，延时断开室内的照明和风机盘管的供电；当规定的下班时间到时，在确定无人后延时断开室内所有供电回路，包括照明、插座、风机盘管等。

2.4.3 能耗分配控制策略

与建筑物一年的用能情况相比，光伏发电因受外部环境气候影响，发电量波动较大，对实现建筑的零能耗带来一定困难，因此，采用了一种建筑能耗指标预测和基于光伏发电的能源分配控制策略的方法来保证零能耗建筑一年用能的平衡。

首先通过模拟分析软件等方法，建立初始能耗指标体系；根据能耗与光伏发电动态特性曲线，以能耗监测系统为基础，建立能耗与光伏发电数据库，用实际建筑能耗指标，修正初始预测的能耗指标，形成能耗指标体系；以光伏发电实际数据为依据，修正光伏发电特性曲线；以能耗指标为依据，建立能耗预警机制，最终构建均衡的能源分配控制系统，实现建筑的“零能耗”。

3 零能耗建筑与绿色建筑

绿色建筑就是在建筑全寿命周期内，最大限度地节约资源、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，以及与自然和谐共生的建筑。绿色建筑的实施不仅需要生态环保的理念和相应的设计方法，还需要管理人员和业主具有较强的环保意识。这种多层次和多专业合作关系，需要在整个过程中确定明晰的评定和认证体系，以定量的方式检测建筑设计生态目标达到的效果，用一定的指标来衡量其所达到的预期环境性能。引导建筑向节能、环保、健康、舒适和高效的方向发展。世界许多国家、地区都制定了绿色建筑评价体系，如美国LEED、英国BREEAM、新加坡GREEN MARK、中国绿色建筑和中新生态城绿色建筑等等。

零能耗建筑强调的是建筑要超低能耗运转，更精细化的控制，100%的可再生能源的使用，确保一年中建筑现场产生的能量净额与建筑所必须的能源净额相等。因此，零能耗建筑与绿色建筑相比，既有相同点又有不同点，见表5。

表5 零能耗建筑与绿色建筑的电气比较

按照绿色建筑评价标准体系，零能耗建筑通常能达到最高等级。本项目按照美国LEED 白金奖、新加坡GREEN MARK 、国家绿色建筑认证三星级、中新生态城绿色建筑认证白金奖进行设计。基本上都满足要求，但在照明方面因认证标准不同而有所不同，GREEN MARK对照度标准、照明功率密度都有具体要求；LEED仅对不同区域的照明功率密度有严格限制；在国家绿建标准和中新生态城绿建标准中，对照度标准和照明功率密度也有要求，见表6。