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新建供电所实施绿色建筑节能改造的探讨

2023-11-22黄建波

中国建筑装饰装修 2023年21期
关键词:电锅炉供电所电量

黄建波

随着社会的快速发展,一次能源(煤、石油、天然气等)在终端能源消耗中的占比越来越高,导致我国部分区域出现严重的大气污染[1]。《大气污染防治行动计划》明确了在2017 年实现京津冀地区PM2.5平均降低25%、长三角地区PM2.5平均降低20%、珠三角地区PM2.5平均降低15%的目标[2]。

因此,如何在节能减排的同时,持续优化节能减排的思路和方法,实现节能减排的最终目标,是当前迫切需要解决的重要问题。目前,建筑节能减排的主要途径为清洁替代和电能替代。这2 种替代方式是指用可再生的太阳能和风力等新的可再生能源取代传统的石油和天然气,同时用电力代替煤炭和石油等化石能源,从而实现以清洁能源为主的新发展模式[3]。本研究针对某新建供电所的能源使用状况,创建一个“清洁替代+电能替代”的示范基地。

1 供电所用能系统分析

1.1 供电所概况

该供电所占地面积约240 m2,建筑结构共4 层,地上3 层、地下1 层,建筑结构为砖混结构,防水等级为二级,抗震设防烈度为六度。现需要对供电所的节能系统进行改造,将供电所打造成节能建筑的示范单位。该供电所的电力供应系统按其应用范围可划分为电能供应系统、照明系统和生活系统等[4]。

1.2 电能供应系统现状

目前,供电所拥有约270m2的屋顶,但并未充分利用。此外,建筑为砖混结构,周围无遮挡,朝向良好,因此具备充分开发和利用太阳能的条件,可建设屋顶光伏电厂实现分布式供能[5]。

1.3 照明系统现状

供电所的营业大厅采用了传统的U 型节能灯管。服务窗口和计算机室采用常规三灯泡。同时,办公室、职工宿舍和职工活动中心使用普通日光灯泡。上述照明设备具有能耗高、效率低、散热性能差等特点,不利于保护环境[6]。

1.4 生活用能系统

供电所的厨房使用罐装液化气作为能源,经常突然断气,而且会造成能源成本高、热效率低、不环保及液化气泄漏等问题[7]。在供电所的楼顶安装一个太阳能热水器供工作人员洗澡,但实地检查发现太阳能热水器年代久远,供暖效率较低。此外,该供电所位于亚热带季风地区,四季如春。相关资料显示,该地区的年平均降雨天数约为110 d。因此,多雨天气是影响太阳能热水器使用效率的重要原因之一。

2 绿色建筑节能改造方案

2.1 电能供应系统

在供电所的楼顶设置一台太阳能光伏发电装置,以供自用,余电上网,以弥补供电所的供能不足。电能供应系统的工作机理:在阳光照射下,太阳电池阵列会产生直流电流,经逆变器转换为交流电流,再接入低电压网络中。

光伏面板是光伏发电装置的重要组成部分,也是其中最昂贵的组件,用于将太阳能转化为电力。光伏发电逆变器是光伏发电系统中最重要的组件,其主要作用是实现光伏发电中的孤岛保护、最大功率追踪,并将其逆向转换为日常生活中可用的电能。此外,还有其他辅助设备,如监控系统、防雷接地保护、电缆和支架等。

2.2 照明系统

根据供电所具体情况,用二极管LED 灯具取代原来的普通灯具,并在营业厅中建立一套由智能调光、智能插座、微波雷达感应及自适应光照度等模块组成办公室照明智能控制系统。

智能调光模块的工作原理:用户在触控面板上选择照明方式,然后通过触控面板向智能调光器发出命令。智能调光器接收到命令后,将其转换成0 ~10 V 的电压信号,并输出到驱动电源,由驱动电源根据接收到的电压信号控制LED 灯的亮度。智能插座的工作方式:使用者在触摸板上选择一种方式,然后触摸板向智能插座发送开关命令,智能插座根据接收到的命令对220 V 电源进行控制,从而操作大型家电。

微波雷达感应器的工作原理:当墙壁上的开关打开时,感应器会自动探测是否有人经过。当有人经过时,感应器导通,车内灯光就会变亮。否则,灯光会熄灭,运行原理如图1 所示。

图1 微波雷达感应器运行原理图(来源:网络)

可调式照明度传感器的工作原理:它可以将检测到的照明度转化为0 ~10 V 的电压信号。当外部照明度不同的时候,照明感应元件通过调整0 ~10 V 的电压信号,使LED 灯的亮度发生变化。当外部照明超过设定条件时,照明传感器会发出0 V 的信号,从而关闭LED 灯。

2.3 生活用能系统

为满足工作人员的日常用水需求,在供电站设置一台蓄热电锅炉。蓄热电锅炉利用电磁感应加热理论,充分地发挥夜间低谷电能的储存作用,在夜间将储热水箱中的水加热到60 ℃,白天通过恒压水泵将其输送到食堂和淋浴网中,以备不时之需。该方法能有效利用夜间电力供应的优势,实现“削峰填谷”的目标。

根据供电所厨房能耗情况,将原有的液化石油气烹饪设备更换为电动烹饪设备,以实现利用洁净能源的目标。电灶的工作原理:使用交流磁场直接影响锅底,使锅底迅速升温,从而加热食物。电灶的升温时间取决于线圈和机芯的尺寸,在此过程中不使用任何传热介质,也不会产生烟雾,因此热损耗非常小,可以有效减少能量消耗和费用[8]。

3 改造方案应用效果评估

3.1 电能供应系统改造效果

在供电所的顶部,计划安装一个12 kW 的太阳能电池板。整个太阳能电池板将采用380 V 低压并网方式与电网连接。具体的光伏系统装机容量如表1 所示。金湖区域的年均辐射总量 为5098 MJ/m2,即1416 kW·h/m2。该地区的光能利用率约为0.8。供电所屋顶光伏系统装机量如表1 所示。

表1 供电所屋顶光伏系统装机量

光伏系统发电量公式如下:

式中:Q1为光伏发电系统的总发电量;N为全年天数;P为光伏发电系统的总容量;H为太阳辐射量;η为发电效率。光伏电站年发电量与减排效果如表2 所示。此外,光伏系统还具有节水的优势,可以减少相应的污水和热水排放对水体的污染。由此可见,太阳能光伏发电系统在节能减排和改善环境方面具有显著的作用。

表2 光伏电站年发电量与减排效果

3.2 照明系统改造效果

本文以某供电所为例,介绍了一种照明系统改造方案,并介绍了该方案在供电所中的实际应用情况。改造的主要内容如下:第1,更换供电所大堂和商业窗口的智能化灯光控制器;第2,将楼梯和走廊内的灯光更换为自动微波感应吊灯,以达到人离开时灯光熄灭的目的;第3,商场内的20 个灯泡和中央区域的8 个灯泡组成一条回路,周围区域的12 个灯泡组成另一条回路;第4,对办公窗口的4 盏台灯进行单向控制,分别进行开关控制和调光控制;第5,将空调饮水器出口的智能出口替换为空调饮水器出口,并将其整合到该控制系统中。表3 和表4 是改进前和改进后的灯光效果。

表3 改造前的照明情况

表4 改造后的照明情况

照明系统节电量计算公式如下:

式中:Q2为全面节约的总电量;W1为节能改造前供电所的照明系统总功率;W2为节能改造后供电所的照明系统总功率;W3为营业厅智能控制节约功率;n为全年亮灯时间,该供电所2022 年的全年亮灯时间为2920 h。照明系统年节约电量与减排效果如表5 所示。

表5 照明系统年节约电量与减排效果

3.3 生活用能系统改造效果

3.3.1 储热式电锅炉

该供电所建设了一台容量为1.5 t、功率为50 kW 的储热型电锅炉。使用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)对电锅炉进行全程自动控制,以实现无人值班的目标。

在电力系统中,平均水温为15 ℃。如果需要使用60 ℃的热水,则所需的热能为:

式中:Q3为储热式电锅炉的热量;C为储热式电锅炉的比热容;m为质量;Δt为应用储热式电锅炉前后的温度差值。因此,计算后得到供电所需要的热量为283.5 MJ,进而得到年用电量为28743 kW/h。

从火电发电的角度来看,如果将高等级的电能转化为低等级的热量,将会造成巨大的能源浪费。然而,火电并不会随着用电负荷的改变而调整输出,导致未利用的“低谷”电力浪费。因此,充分利用“低谷”电力也是一种节约。蓄热型电炉年度使用的“谷电量”和“排放效益”如表6 所示。

表6 蓄热型电炉年度使用的谷电量和排放效益

3.3.2 厨房电气化改造

为实现厨房的安全可靠、低碳环保以及清洁卫生,计划在供电所厨房增设一台总功率为35 kW 的小炒炉(15 kW)+大锅组合灶(20 kW),以替代原有的液化石油气双头炒灶。

相关数据显示,供电所厨房每年工作时间约为180 h。此外,在进行普通抛锅烹饪时,电磁炉会自动降低运行功率,负荷率约为75%。因此,可以计算出每台电灶1 a 的电能替代量为:

式中:Q4为电能替代量;P为电灶的使用功率;h为全年电灶使用时间;ξ为电灶的负载率。电炊具电能替代电量与减排效果如表7 所示。

表7 电炊具电能替代电量与减排效果

4 结语

综上所述,本文秉持绿色能源可持续发展的原则,提出新建供电所的绿色节能建筑改造方案。根据文内相关数据可知,该方案能够全方位提升供电所的节能减排能力,具有良好的社会效益和经济效益。

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