面向“双碳”目标的智能建筑电气关键技术与应用展望

凌 启 程

(东南大学建筑设计研究院有限公司, 江苏 南京 210018)

0 引 言

中国积极推进绿色低碳发展,承诺力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。“双碳”目标的提出,意味着中国将成为世界上碳排放降幅最快的国家,也给各行各业带来了诸多的机遇与挑战。中国建筑节能协会能耗专委会发布的《中国建筑能耗研究报告(2020)》指出,2018年全国建筑全过程碳排放达49.3亿吨,占全国总碳排放量的51.3%,其中建筑运行碳排放占比21.9%。可见,建筑领域的智慧节能对实现“双碳”目标有着极为重要的作用和影响。

在“双碳”目标驱动下,由中国城市科学研究会牵头管理的《智慧办公建筑评价标准》于2021年5月正式发布。这是国内首个适用于规范智慧办公建筑建设、运营及评价的标准,重点关注办公建筑的目标、绿色、高效和用户体验,充分契合国家减排计划,通过智能建筑可持续发展助力碳达峰和碳中和目标。

建筑智能化是能源变革和科技进步下的必然趋势,同时也给建筑行业带来了诸多变化。特别是在建筑电气方面,由于电力是最易传输和分配的清洁二次能源,而建筑能源消耗中的电力消耗又占据重要比重,因此建筑电气系统的升级和革新在助力“双碳”目标中扮演着关键角色。

与此同时,由于电力能源的特殊性,建筑电气系统与智能电网紧密耦合,这使得智能电网的新技术和新发展深深影响到智能建筑电气系统的设计与运营。本文从“双碳”目标导向出发,结合智能电网关键技术发展的影响,讨论建筑智能化过程中电气关键技术及相关应用,对未来智能建筑电气发展提出展望。

1 屋顶光伏新能源发电

分布式屋顶光伏能够在对电力系统影响较小的场景下生产清洁电力,因此备受智能电网青睐[1]。为了保障国民电力需求和助力实现“双碳”目标,国家能源局于2021年6月印发了《国家能源局综合司关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》,并于同年9月公布了试点名单。这一举措推动了智能建筑向着屋顶光伏嵌入式的清洁、高效方向发展。

1.1 屋顶光伏新能源发电的特点

传统建筑体是能源消耗端,只消耗能源而不生产能源,节能方式只有单一的减少用能,对于建筑用户的友好性差。而屋顶光伏引入智能建筑后,建筑体具备能源生产能力,角色也由消费者转变为产消者。从此智能建筑以主动式的能源互动主体参与智能电网的大规模能源管理中,在更为高级和宏大的层次参与到全社会的能效提升中。

可再生作为屋顶光伏新能源发电的第一特性,是其能够同时被智能电网和智慧建筑接纳的关键原因。作为清洁能源,屋顶光伏能够为建筑体提供低碳的电力供应,也是未来“零碳建筑”解决方案的关键要素。此外,建筑屋顶光伏的布局,使得建筑的电力能源供应具备了独立运行微电网的可能,从而能够提升建筑电力系统的供电可靠性。

当然,光伏发电受到时段和天气等因素的影响,具有明显的间歇性和随机性,这种运行阶段的不确定性,需要在设计和建设的阶段即有考虑,才能保证新能源系统的可靠运行。

1.2 屋顶光伏新能源运用的要求

屋顶光伏与建筑系统紧密耦合,在能源利用中,需要从太阳能电池板的选择与排布、光伏发电监测和系统维护等方面考虑[2],综合考虑建筑系统的客观条件,在建设安装允许的情况下,最大化实现新能源的接入和利用。

1.2.1 太阳能电池板的选择与排布

太阳能电池板直接关系到光电系统对能源的转换效率,是整个光伏发电系统中的核心组件。目前常用的太阳能电池板有晶硅和非晶硅两种,在实际建设中,需要根据建筑电气系统的实际需求,选择合适的电池板组件,从而满足建筑电气系统在电压、电流以及功率等方面的要求。

单纯的光伏发电,一般采用最大功率点跟踪技术,使得电池板组件最大程度接受光照,从而获得最大能效输出。而建筑光伏系统的电池板排布和安装受制于建筑体的条件,更具有特殊性。不仅要考虑电池阵列及其倾斜角等问题,还要考虑建筑物遮挡对能量转化的影响。

1.2.2 光伏发电监测

目前,光伏上网电价受国家政策支持,且考虑新能源功率和电量对智能电网的支撑,一般需要对光伏发电进行有效监测。电气数据方面,多通过在逆变器中安装计量监测系统实现有效监测;环境因素控制方面,多通过各类传感器实时感知日照、温度等相关参数,为光伏发电系统提供数据分析基础。

1.2.3 光伏系统运行与维护

建筑光伏新能源系统的运行和维护是一项复杂的工作。运行过程中,应重点关注光伏发电出力的稳定性、光伏逆变器功率控制与输出的高效性、以及应对特殊恶劣天气下的安全性。维护工作中,应当注意及时清理太阳能电池板表面的灰尘,避免受光损失,此外对于雷雨、冰雹等极端天气,应有一定的预防保护措施。

1.3 屋顶光伏新能源对建筑电气的影响

结合屋顶光伏新能源发电的特点和安装运行的要求,可以看出其对建筑电气系统有巨大的影响。首先,电能供应不再单一依赖于馈线和配变,本地具备了能量生产能力,但光伏本身的电力生产具有显著的不确定性,这使得建筑电气的功率和容量计算难度升级,如何在经济节约和可靠供电之间建立平衡点是实现有效容量计算的关键。其次,并网的分布式光伏能源多通过逆变器,将光生伏打的直流电转换为交流电,逆变器作为电力电子装备,在光伏发电效率和并网控制方面起到决定性作用,将成为含有屋顶光伏建筑体的电气设计关键。最后,智能电网技术的发展,形成了交直流混合供配电的发展趋势,正好契合光伏发电的直流特性,通过减少能源转换的中间环节,智能建筑的能效必然得到提高、同时降低了中间环节的建设投资。

2 交直流混合供用电系统

随着直流负荷需求的发展,学界和工业界越来越多地把注意力放在了如何通过直流负荷的运用提升整体的用能效率。其实,建筑楼宇中的很多用电设备本身就是直流驱动的,例如照明光源,但由于电力网络一直以来都以交流的形式供电,因此大多配置了整流器以匹配电力供应的特点。考虑到屋顶光伏的直流供电属性和日益渴求的用能效率,直流供用电又逐渐得到重视,并被看做是未来智能楼宇的电力解决方案。但由于成本、用户习惯、电器更替周期等问题,建筑电气系统不可能在短期内进入全直流阶段,交直流混合供用电将是智能建筑必经的发展阶段。

2.1 直流用电负荷

虽然屋顶光伏的直流属性是驱动交直流混合供用电的动力之一,但其最根本的原因是直流负荷的蓬勃发展[3]。

2.1.1 数据机房

在大数据的信息时代,数据网络已经成为人类社会密不可分的一部分。对于智能建筑而言,特别是办公类建筑,一般包括外网、内网和物业网。而数据机房传统供电方式一般为直流48 V,对于大型机房则采用220 V以上的直流供电。数据机房负荷占比的日益提升,是直流负荷日益重要的关键因素。

2.1.2 电动汽车充电桩

对于新建的智能建筑而言,都会按规范配置相应的电动汽车充电桩,其中对直流“快充”桩的比例也有明确要求,至少10%。公共区域的直流“快充”桩具有功率需求大、使用频次多等特点,形成典型的直流负荷特征。

2.1.3 直流照明和空调

从建筑需求层面讲,LED的应用及快速发展是建筑直流技术应用的关键因素。随着LED效率的提升,能够很好地解决光源刺眼以及蓝光效应等问题,已经广泛应用于办公、商用、高大空间、泛光、景观、消防应急照明灯领域。

直流变频空调被认为是建筑节能和低碳的关键路径。相较于交流变频,直流变频空调器没有逆变环节且使用永磁电机,省去了交流电机的转子损耗,因而更加节能。

2.1.4 其他直流负荷

电脑、显示屏等广泛使用的电子电器,是直流驱动工作的,但机内的直流电压等级需求较多,一般用电力电子器件实现直流/直流变换和开关。大多数高层建筑使用的高速电梯一般是直流电梯,具有速度快(梯速在2 m/s以上)、运行平稳等特点。

2.2 智能建筑交直流混合供用电系统

结合上述直流负荷的发展,交直流混合供用电系统示意图如图1所示,其中实线线段表示能量流,虚线表示在未来新技术新设备发展充分场景下可能的能量流,箭头表示能量流的方向[4]。

从图1可以看出,智能建筑引入直流供用电系统后具备以下特征。

(1) 由传统的市电交流母线供电发展成为交流和直流双母线协同供电模式,两条母线的耦合点,包括交流/直流变换器和电动汽车充电站,可以认为是广义的能源路由器,是“双碳”目标下衍生出的能源互联网关键要素。

(2) 建筑电气系统具备了反向馈电的主动性,除了可能建设的自备电源、储能和车到网馈电电动汽车外,屋顶光伏发电本身就有可能向市电系统提供额外的功率,因此在电力进线处的能量计量等相关技术也需要相应提升。

3 智能建筑运行关键电气技术

3.1 智能电表及其量测技术

图1中,能量流的反向馈送直接对能量计算设备提出新要求。目前,智能电表新技术的发展,已经在双向计量的基础上,提出了5G通信、实时传输、大数据挖掘等适应快速发展需求的新功能。

3.2 建筑体能耗特性挖掘技术

理解建筑体能耗特性,是为其制定能源消耗策略、参与智能电网需求响应的前提条件。智能电表提供的量测大数据,在非侵入式负荷监测技术支撑下,可以实现各类负荷的精细化分解和认知,从而在不额外增加侵入式传感器的情况下,实现负荷特性分析。

3.3 建筑体能源消耗个性化定制

能耗特性认知有利于提高建筑运行者的能源意识和认知,更有利于其制定符合自身需求的用能策略,从而充分参与节能减排和需求响应,在正常用能的前提下,推动“双碳”目标的实现。

4 结 语

本文从智能建筑用能视角,探讨了未来建筑电气的关键技术和发展方向。首先,从屋顶光伏清洁能源引入,讨论了智能建筑电气技术的关键转变。其次,以交直流混合供用电系统为核心,详细阐述了直流用电的发展和潜力。最后,结合智能建筑运行这一长期的碳排放阶段,讨论了在屋顶光伏和交直流混合供用电基础上的新技术需求与发展。

在碳达峰和碳中和背景下,建筑电气必然向着更节能、更绿能、更智能的方向发展。总体能耗的降低、清洁能源的使用、基于大数据和分布式互动的用能自主决策将是大势所趋。而支撑这一趋势的分布式光伏发电技术、直流配电技术、智能电表量测技术以及相应的运行决策技术,也将在一段时间内成为建筑电气变革升级的焦点。