變電站建筑太陽能一體化研究

萬吉祥（四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，四川成都610041）

變電站建筑太陽能一體化研究

萬吉祥（四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，四川成都610041）

我國中西部有廣大的高原、山地等自然資源充沛的地區(qū)，隨著我國發(fā)電能源由傳統(tǒng)的化石、水等傳統(tǒng)二次能源向風(fēng)、太陽、潮汐等新一次能源的轉(zhuǎn)變，國家政策支持下的新型清潔環(huán)保的新能源發(fā)電方式更符合資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的發(fā)展理念。因此，與之相匹配的送變電工程也更多地向風(fēng)大光照強烈的地區(qū)集中。

1 引言

目前，國內(nèi)建筑能耗占社會總能耗的比較大，熱水、空調(diào)和采暖能耗占建筑能耗的65%左右，而綜合利用太陽能，實現(xiàn)太陽能建筑一體化及太陽能光熱光電綜合應(yīng)用一體化，可節(jié)約建筑能耗約50%。針對變電站建筑需求提供一體化解決方案。

從國家政策層面上看，提倡節(jié)能減排的發(fā)展模式，用科技創(chuàng)新逐漸代替低附加值的發(fā)展方式，大力發(fā)展綠色建筑；

從行業(yè)內(nèi)部要求上看，國家電網(wǎng)公司基建部在全國企業(yè)內(nèi)部推行兩型一化、全壽命周期的建設(shè)理念；并且在《國網(wǎng)基建部關(guān)于發(fā)布設(shè)計新技術(shù)推廣應(yīng)用實施目錄（2014年版第一批）的通知》中，就變電站太陽能技術(shù)的應(yīng)用提出了詳細的要求；

從地方行業(yè)標準上看，舉例如 《四川省綠色建筑評價標準》規(guī)范5.2.8條中表述：太陽能資源較豐富的二類及以上地區(qū)，選擇適宜的太陽能系統(tǒng)用于采暖、制冷、照明或熱水供應(yīng)。

因此，在日照條件充足的地區(qū)，有條件的地方實現(xiàn)變電站太陽能一體化設(shè)計施工，讓設(shè)計和施工兩者做到同步規(guī)劃、同步設(shè)計和同步施工。讓太陽能與建筑結(jié)合是讓太陽能利用與建筑設(shè)計有機地成為一個整體，讓已經(jīng)成熟的建筑太陽能利用技術(shù)及產(chǎn)品與建筑設(shè)計有機結(jié)合，成為低碳、節(jié)能、環(huán)保的綠色建筑。

2 變電站建筑的特點

常理來說，變電站分為兩種：主變壓器在室外的常規(guī)變電站和主變壓器在室內(nèi)的城區(qū)戶內(nèi)變電站。前者占地小且多為單層建筑，后者占地大多為多層建筑（有時還有地下層）。

由于國網(wǎng)正在推行無人值班的智能化變電站，最終的結(jié)果是變電站內(nèi)實現(xiàn)運行、管理和維護的無人化全過程。因此以往變電站內(nèi)有關(guān)辦公、住宿的功能用房全部取消，非生產(chǎn)部分僅保留公廁、資料室等供有人檢修、存儲的一般性功能用房。因此生產(chǎn)性廠房內(nèi)幾乎均為配電裝置室和二次設(shè)備間、蓄電池室等生產(chǎn)用房。

3 建筑太陽能利用的特點

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和實際使用情況看，建筑太陽能利用分為光轉(zhuǎn)熱和光轉(zhuǎn)電兩種利用方式，簡言之就是太陽能發(fā)熱和太陽能發(fā)電。

建筑太陽能發(fā)熱利用分被動式和主動式兩種。前者利用太陽東升西落、在南北回歸線緯度內(nèi)循環(huán)直射的自然條件，根據(jù)建筑所在地積極地采取設(shè)計措施來充分利用太陽日照本身的帶來的自然照明、自然加熱并利用受熱不均引起的不同部位的溫差引導(dǎo)氣流的組織而形成風(fēng)。例如：北半球建筑有日照采暖需求的房間布置在南側(cè)或偏南側(cè)，這樣保證一年四季均可以享受到日光浴。

主動式太陽能利用，主要方法是根據(jù)建筑使用功能，利用光轉(zhuǎn)熱、光轉(zhuǎn)電等設(shè)備，給這些房間輔助加以提供采暖或照明。光轉(zhuǎn)熱的話，常規(guī)在屋頂上與水平面呈45°角朝南向設(shè)置真空太陽能吸光管，利用真空管內(nèi)部的黑色吸熱材料持續(xù)吸熱，管內(nèi)的熱量通過支管-主管最終以熱能的形式儲存或釋放出來。為什么是儲存或釋放呢？這是根據(jù)搜集后的熱源使用方式的不同而區(qū)分的。由于太陽僅在白天才有，如果使用房間也僅僅需要白天時候取暖，那么采用風(fēng)機直接將匯到總管的熱量“吹”向使用房間，只需要加設(shè)溫度控制閥和風(fēng)速聯(lián)動裝置調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度即可；如果使用房間晝夜對室內(nèi)溫度均有加熱保暖的要求，那么之前即時性的風(fēng)暖裝置在晚上就無法使用，這時就須引入一個儲熱裝置，將白天集熱管內(nèi)聚集用不完的熱能儲存至水或油的介質(zhì)中，到夜晚再將其釋放至房間內(nèi)，達到晝夜均可以加熱的效果。

值得注意的是，建筑太陽能被動式或主動式利用，兩者并不相矛盾或沖突。前者更多體現(xiàn)在建筑設(shè)計方案，后者更多體現(xiàn)在建筑設(shè)備中。兩者相輔相成，提倡以前者為主，后者輔助，共同作用達到最終效果。

建筑太陽能發(fā)電，由于屋面光伏效應(yīng)較光熱相應(yīng)轉(zhuǎn)換效率較低，加之屋面面積有限，因此難以形成較強電勢的電能。加上光伏發(fā)電及時在日照強烈的白天，也易受云朵、短時天氣的變化而影響發(fā)電的穩(wěn)定性。因此須要加設(shè)一個儲電蓄電池，為建筑內(nèi)用電點提供穩(wěn)定可靠的直流電能。

就如之前說的，有限的光伏效應(yīng)加上功率較小的直流電源，導(dǎo)致其所服務(wù)的用電設(shè)備在建筑上只能是節(jié)能燈這樣的低功耗用電點。諸如空調(diào)、電機、電源插座等功率較大的電源還需要建筑配電單獨設(shè)計。其使用效果最多作為一種補充。

4 變電站建筑的太陽能利用特點

前兩部分已經(jīng)就建筑的太陽能利用和變電站建筑的特點分別進行了簡要的闡述。那么在變電站建筑中如何做到太陽能的有效合理利用呢？

（1）需要對變電站所在地進行評估，第一要素就是根據(jù)我國太能能分布區(qū)劃圖，判斷所在地是否屬于太陽光照強度Ⅱ類及以上地區(qū)。因為這一切的前提都是要求有好的日照條件，假若選擇日照不強烈的地區(qū)，雖然也可以帶來光熱或光電轉(zhuǎn)換，但效果必然打折。

（2）結(jié)合政策、當(dāng)?shù)貤l件因地制宜，有針對性地做到太陽能利用。通俗來說就是，在國家或地方鼓勵利用太陽能的地區(qū)，積極爭取相關(guān)政策或資金支持。在這根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚧蚴褂脳l件，配合暖通和電氣專業(yè)看是否需要加設(shè)太陽能裝置。例如，如果當(dāng)?shù)夭恍枰膳蛘咦冸娬緝?nèi)長期供有大量多余的自用電，那么使用光熱或光伏系統(tǒng)就是值得商榷的事情。

（3）如果確定加設(shè)太陽能裝置，那么在建筑前期的設(shè)計階段就要引入太陽能裝置的安裝和建筑立面及構(gòu)造的關(guān)系。例如太陽能板本身需要朝南并與水平呈45°角架設(shè)安裝，那么可以在建筑設(shè)計階段將屋面設(shè)計成坡屋面或者局部坡屋面，保證南向的屋面呈向陽的傾斜狀。如果收建筑占地面積不大等外部條件制約，屋面即使全部放置太陽能板也無法滿足室內(nèi)房間對熱能和電能的使用要求，可以考慮在建筑南向外墻上加設(shè)太陽能板。這種方式需要在建筑外墻的構(gòu)造上提前做好設(shè)計前期協(xié)調(diào)工作，建筑上保證外墻耐火極限和耐久性的相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)上滿足荷載安全使用要求，暖通電氣上滿足管道電線敷設(shè)要求：需要各專業(yè)積極配合，并結(jié)合建筑外立面美觀大方的原則做到同步設(shè)計。

（4）需要指出的是，變電站建筑為工業(yè)廠房，建筑內(nèi)的配電間安全等級十分重要 （如若故障停電導(dǎo)致電網(wǎng)大面積停電所帶來的衍生破壞十分嚴重），結(jié)合考慮今后的發(fā)展想象是少人至無人值守，因此對站內(nèi)建筑的設(shè)備使用的安全和可靠性提出較高的要求。

10kV及以上高壓配電間內(nèi)電氣柜對室內(nèi)溫濕度無較高要求，暖通加設(shè)的軸流排風(fēng)機即可滿足其對室內(nèi)散熱的要求，由于自身發(fā)熱，因此即使室外低溫環(huán)境對其無太大影響因此不考慮光暖轉(zhuǎn)化。二次設(shè)備間內(nèi)為低壓繼電保護電氣柜，其室內(nèi)對溫濕度有較高要求，夏天過熱或冬天過冷都需要空調(diào)或加熱器對其進行溫度控制。因此其室內(nèi)過熱或過冷均不可。這就可以采用光暖轉(zhuǎn)換裝置，對其室內(nèi)溫度進行人工控制。至于光伏發(fā)電，由于適用對象均為室內(nèi)節(jié)能燈，不受房間限制，均可以采用光伏裝置。

即使通過計算得出，某變電站采暖和室內(nèi)照明利用太陽能完全達到負荷要求，本著可靠安全的原則，我們還是要采用雙電源系統(tǒng)和兩套采暖方案。以防因極端氣候或太陽能裝置設(shè)備問題帶來的影響變電站正常投運的使用要求。因此在實際工程中需考慮到這一點。

5 總結(jié)與思考

在變電站建筑太陽能利用的研究中，如何在順應(yīng)國家大趨勢與政策導(dǎo)向的前提下，有理有禮有節(jié)地針對特定地區(qū)的特定變電站進行建筑太陽能設(shè)計顯得尤為重要。在天時地利人和的前提下，因地制宜進行變電站太陽能設(shè)計符合國家節(jié)能減排和行業(yè)綠色建筑發(fā)展的理念。

變電站建筑太陽能設(shè)計可以利用建筑形體的變化和外立面材料顏色的統(tǒng)一，力爭讓太陽能裝置與建筑外觀融為一體，體現(xiàn)建筑精細化設(shè)計并展現(xiàn)國家電網(wǎng)公司務(wù)實、高效的企業(yè)文化特點。

特別要指出的是，對變電站建筑太陽能設(shè)計還要考慮其經(jīng)濟性。我們不提倡花大價錢半不經(jīng)濟甚至虧本的買賣。以2015年計劃建設(shè)的四川阿壩紅原地區(qū)220kV常規(guī)變電站舉例，其單層主控通信樓建筑占地面積為550m2，僅做儲能式光熱系統(tǒng)總投資為55萬元，以上網(wǎng)電價0.55元/度的當(dāng)時條件，并考慮實用期間的運行維護成本，計算得出成本回收期約為7年。經(jīng)比對，具有一定經(jīng)濟效益，符合大量投產(chǎn)使用的要求。

［1］張 雄，張永娟.建筑節(jié)能技術(shù)與節(jié)能材料.化學(xué)工業(yè)出版社.

［2］楊金煥.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)（第二版）.電子工業(yè)出版社.

TM615

A

2095-2066（2016）28-0186-02

2016-9-20

萬吉祥（1984-），男，工程師，碩士研究生，主要從事變電工程設(shè)計工作。