绿色能源在建筑电气系统节能中的应用

侯 婕, 曲洋辰

(1.中国航空规划设计研究总院有限公司,北京 100120;2.华润电力京津冀新能源有限公司,天津 300000)

0 引 言

随着全球经济的迅猛增长,人们对能源的需求不断上升,但能源消耗也在不断增加[1]。据统计,当前国内能源消耗量已经占到全球能源总消耗量的约20%[2]。与此同时,建筑行业的能耗也在逐年增加。建筑领域的能源消耗约占社会总能源能耗的10%,而随着国内城市化进程的加快,建筑能耗还将进一步上升[3-5]。因此,在全球积极倡导绿色可持续发展的背景下,建筑节能成为当前社会关注的热点问题之一。

随着可持续发展战略的不断深入,绿色节能理念逐渐被人们所重视[6]。目前国内对于能源资源的需求也在不断增加,能源资源正在逐步枯竭[7]。对于建筑而言,其所消耗的能源资源主要包括电力、热能和天然气等,因此应当加强对于建筑节能方面重视力度,积极采取有效措施降低能耗对环境造成的影响[8-10]。建筑电气系统作为建筑节能中必不可少的组成部分之一,其在节能方面能够发挥出不可代替的作用[11]。对于建筑电气系统而言,一般的节能减排策略虽然有效,但是随着需求的不断扩大,逐渐不能满足现阶段的低能耗运行需求[12]。当前,人们对于建筑电气系统节能要求不断提高,而要想在满足人们用能需求下实现建筑节能目标,就必须对其进行优化,提升建筑电气系统与绿色能源利用效率[13-15]。本文研究绿色能源在建筑电气系统节能中的应用,以期为建筑电气系统的节能减排提供一定的技术支持。

1 绿色能源在建筑电气系统节能中的应用

1.1 建筑光伏组件安装

建筑电气系统主要包括以下几个方面:照明系统主要由光源和灯具组成,同时也包括一些配套的控制设备;空调系统主要由空调主机、送风设备等组成,同时也包括相关的辅助设备;供暖系统和制冷系统主要由供冷设备和冷源装置组成,同时也包含其他一些辅助设备,如电梯、水泵等。

现阶段,建筑节能不仅要保证能耗的降低,还要考虑管理效率和使用体验。绿色能源利用与建筑电气系统的整合还需要考虑能源需求层次的变化和关注的核心。能源需求层次及核心如图1所示。

图1 能源需求层次及核心

从能源需求和关注核心出发,利用太阳能对建筑电气系统进行优化。其中光伏组件是利用光电效应将太阳能转化为电能的设备,广泛应用于建筑电气系统中。其安装方式有:① 将光伏组件安装在建筑物的屋顶上,将其与电气系统相连接,形成光伏发电系统。② 将光伏器件融入建筑物的设计中,实现光伏建筑一体化。考虑到建筑的美观性和实用性,采用第一种整合方式。在设计光伏组件时,需要计算出光伏组件串并联个数,光伏阵列的间距以及光伏阵列的安装方式。

光伏组件串联个数由以下公式确定:

(1)

(2)

式中:N——光伏组件串的串联数;

Udrmax——逆变器允许的最大直流输入电压;

Uoc——开路电压;

t——组件工作的极限低温;

φu——组件开路电压的温度系数;

Umpptmin——逆变器电压最小值;

Umpptmax——逆变器电压的最大值;

Upm——组件的工作电压;

t′——降温速率;

φ′u——温升系数。

在建筑电气系统接入方面,先确定并网接入点的合理位置,再确定光伏系统的并网方式。光伏阵列的间距和安装需要考虑建筑的实际情况,确定屋顶、外墙或遮阳位置,才能进行具体的布置,从而保证系统节能降耗效果。

1.2 电气照明设备节能

在建筑电气系统中,照明部分相对独立,它通常由两个主要部分构成:① 通过控制电路进行工作的照明控制器;② 通过自然光源对建筑进行照明的照明灯具。针对这两个主要部分,根据其功能和特点进行节能改造,从而提高整个照明系统的节能效果。

在大型综合型建筑的建筑电气系统中,根据其功能特点将其划分为两大类:① 用于室内空间照明的光源系统;② 用于室外环境照明的光源系统。在对光源系统进行节能改造时,根据室内空间和室外环境的不同特点对其进行分类,从而有针对性地选择合适的光源系统。如室内空间环境以办公为主,则可以将荧光灯、LED灯等光源系统作为首选方案,通过调整 LED灯的发光强度来满足室内照明的需求;如果室内空间以休闲娱乐为主,则可以将荧光灯作为首选方案。通过对这两种光源系统进行整合,可以有效降低整个照明系统的能耗。同时,针对不同区域、不同时间段的光照情况进行合理调整,尽可能延长照明灯的使用寿命,降低其运行成本。

此外,在对照明灯具进行节能改造时,还需要注意以下几点:① 根据不同功能区域的特点和要求对其进行分类。例如,在商业综合体中,可以根据其功能特点将其分为公共区域、商业区域、办公区和休闲娱乐区四大区域。② 对不同区域内照明灯具的数量和种类进行确定。③ 根据不同功能区域内的光源特性进行分类。④ 在进行光源改造时还需注意与建筑景观相结合,这样才能够更好地实现建筑物节能降耗的重要目标。除了对照明系统整合优化以外,还需要对空调系统等其他电气设备进行节能改造设计。

1.3 建筑电气设备节能

建筑电气系统中能耗较高的项目还有空调系统,空调系统一般具有冷、热、除湿3种功能,其中制冷功能主要是通过蒸发和冷凝过程来实现;制热功能可以通过空气源热泵或地源热泵或电加热来实现;除湿功能主要是通过空调除湿机来实现。在具体节能策略方面,优先选择高效节能的冷水机,同时针对不同季节对其进行合理调整;在除湿功能方面,优先选择空调除湿机,同时针对不同季节对其参数进行合理调整。

为了节约电能,通过提高功率因数来提高其他电气设备的能源利用效率。具体做法包括以下几个方面。

(1) 在建筑项目中,采用三相输电线路,以便降低线路损耗。其功率损耗计算公式为

(3)

式中:ΔE——线路的功率损耗;

I——线电流;

U——线电压;

P——有功功率;

R——输电线路导线每相电阻;

γ——输送负荷的功率因数。

由式(3)可以看出,线路损耗与功率因数成反比,提高功率因数能够有效降低损耗。

(2) 在建筑电气项目中使用变压器低压侧集中补偿、高压侧集中补偿、低压分组补偿等无功补偿装置。这些措施可以改善电力系统的功率因数,减少无功功率的流动,提高能源利用效率。无功补偿装置设计如图2所示。

图2 无功补偿装置设计

(3) 减少变压器铜损或降低电压损失,根据以往对建筑电气系统的研究可知,变压器的铜损与负载电流有正比关系,想要提高功率因数,可以通过减少负载电流,促使变压器铜损降低来达到目的。降低电压损失的目的也是在于减少负载电流,但是需要注意的是,需要降低相同距离电缆线路上的电压。

2 试验研究

2.1 试验准备

通过上述过程,完成了绿色能源在建筑电气系统节能中的应用研究。为了验证设计的内容实用性,展开试验研究,结合实际的建筑项目运行情况,对提出的新的电气系统节能效果进行分析对比。

以某大型建筑作为试验对象,利用提出策略与基于需求响应的建筑电气系统和碳中和策略下的建筑电气系统进行对比,从节能效果和经济效益两个方面验证建筑电气系统的综合应用能力。为保证试验的公平公正,试验使用统一的数据。试验案例全年单位面积耗电量统计数据如表1所示。

表1 试验案例全年单位面积耗电量统计数据

表1中选择的项目都是与建筑电气系统相关的内容,同时也是一般大型建筑中必不可少的设备,试验数据为以往建筑工程中的历史数据,将上述数据输入到计算机仿真软件中,利用计算机软件模拟出不同条件下建筑耗电情况,在仿真模拟结束后,统计出各组试验结果进行综合分析。

2.2 节能效果试验分析

在节能效果试验分析中,使用计算机软件模拟各个不同策略下的建筑电气系统的运行情况,分别统计出表1中显示的各个项目的单位耗电情况和总耗电量,根据整合前后的耗电量分析节能效果。不同策略下建筑电气系统的节能效果如图3所示。

图3 不同策略下建筑电气系统的节能效果

分析以上研究结果可知,各组试验结果与表1数据相比均有所下降,说明3种策略均具有一定的节能效果,但是各组节能水平各不相同。基于需求响应的建筑电气系统各个项目的能耗与表1中数据十分接近,节能效果一般。碳中和策略下的建筑电气系统试验结果中,部分项目能耗较低,与表1中数据相比节能效果较明显,但是依然有一些项目的节能效果不理想。提出策略下的建筑电气系统能耗低,并且与表1中显示的耗电量相比,每个项目的耗电量下降都很明显,说明绿色能源在建筑电气系统节能中的应用后,建筑电气系统能耗达到了理想的节能水平,有效提高了绿色能源利用效率。

2.3 经济效益试验分析

在经济效益试验分析中,默认建筑电气系统的变压器、电缆长度等参数统一不变,不影响试验结果,设置系统最大运行时间为960 h,利用计算机统计各个策略下的建筑电气系统中照明所消耗的单位费用。由于不同建筑照明系统消耗不同,在试验前确定没有任何策略支持,确定正常运行情况下照明所消耗的单位费用对比结果并计算节约比。不同策略下建筑电气系统的经济效益试验结果如图4所示。

图4 不同策略下建筑电气系统的经济效益试验结果

通过图4试验结果可以看出,在原始费用一致的情况,各组节能后费用均有所降低,经过简单计算可知,基于需求响应的建筑电气系统的平均节约比约为13%,碳中和策略下的建筑电气系统的平均节约比约为16%,提出策略下的建筑电气系统的平均节约比约为39%,由此可以确定,提出策略能够提升建筑电气系统的经济效益。结合各组的节能效果综合分析可知,绿色能源在建筑电气系统节能中应用后,建筑电气系统能耗低和效益高,实用性强。

3 结 语

绿色能源在建筑电气系统节能中的应用,可以有效提高建筑物的用能效率和能源利用率,有效降低建筑物运行过程中的能耗,是实现绿色节能的重要途径。

建筑电气系统的节能设计还有更大的进步空间。在后续优化和研究过程中,还应该注重将绿色节能理念融入建筑电气系统的各个阶段之中,包括设计阶段、施工阶段和运行阶段。在设计阶段,综合考虑绿色节能理念、建筑电气系统节能改造技术方案以及节能效果等因素;在施工阶段,根据具体工程实际情况,对绿色节能理念进行合理运用;在运行阶段,积极探索智能控制技术的应用策略,进一步提高建筑物的用能效率。以便从多个方面提升建筑电气系统的节能降耗效果。