綠色建筑復(fù)合新能源系統(tǒng)施工運行技術(shù)研究

張 揚 盧 驁 戴 力 王 震 陳樹秀

儲能技術(shù)能夠?qū)o法長期存儲的能量轉(zhuǎn)化為可存儲的能量，當能量需求較高時可以直接轉(zhuǎn)化成所需能量，確保能量穩(wěn)定供給[1]。目前，電能存儲技術(shù)主要包括光伏儲能技術(shù)、冰儲能技術(shù)和化學儲能技術(shù)，要根據(jù)儲能要求采用不同的儲能技術(shù)存儲電能。

新能源系統(tǒng)是綠色建筑施工過程中的關(guān)鍵能源系統(tǒng)，既能保證建筑工程質(zhì)量，又能夠節(jié)省材料，還能節(jié)約施工運行能耗，對環(huán)境保護具有重要作用[2]。在綠色建筑施工過程中，光伏發(fā)電容易受到氣候環(huán)境影響，導(dǎo)致新能源施工設(shè)備的功率出現(xiàn)大范圍波動，給新能源系統(tǒng)造成負面影響[3]。

綠色建筑儲能技術(shù)能存儲光伏發(fā)電的電能，有效避免新能源發(fā)電輸出功率產(chǎn)生波動。在光伏發(fā)電施工設(shè)備運行過程中，若因天氣影響無法發(fā)電則可用復(fù)合新能源系統(tǒng)供電，這樣能避免施工設(shè)備異常，確保綠色建筑施工有序進行[4]。為了維持新能源系統(tǒng)的施工穩(wěn)定，本文主要研究綠色建筑分布式光伏、冰儲能、化學儲能、復(fù)合新能源系統(tǒng)施工運行技術(shù)這一課題。

1 綠色建筑儲能技術(shù)

1.1 光伏儲能技術(shù)

光伏系統(tǒng)由許多裝置構(gòu)成，其核心原理是利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。該系統(tǒng)通過負載接收能量，通過控制器控制電池功率，進行能量轉(zhuǎn)化和存儲，保證裝置的用電環(huán)境[5]。光伏列陣是由一系列光伏電池串聯(lián)和并聯(lián)封裝而成，它能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為可直接使用的電能。蓄電池是光伏系統(tǒng)的儲能部分，作用是儲存太陽能轉(zhuǎn)化的電能，為負載及時供電。光伏儲能原理，如圖1 所示。

圖1 光伏儲能原理示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

變換器作用是將控制器輸出電壓變換成適合施工運行的電壓，主要有兩個變換過程，DC-DC 和DC-AC[6]。當太陽光照射在電池板上時，太陽輻射能被PN 結(jié)吸收產(chǎn)生電子，P 區(qū)域與N 區(qū)域之間形成電勢差，接入負載后產(chǎn)生電流形成電能，光伏電流計算公式為：

式中：In為電池轉(zhuǎn)化后的電流；Ip為電池故障電流；Id為流經(jīng)二極管的電流；Ir為并聯(lián)電阻的電流；Iu為逆向電流；ε為玻爾茲曼常數(shù)；Q為電荷；A為光伏電池輸出電流；V為光伏電池輸出電壓；T為光伏電池充放運轉(zhuǎn)周期；Rb為內(nèi)部串聯(lián)電阻值；Rs為內(nèi)部并聯(lián)電阻值。

在光照強度變化時，光伏儲能設(shè)備能夠快速收集振蕩能量并向蓄電池供電，有效避免了設(shè)備供電隱患，保證供電穩(wěn)定性。

1.2 冰儲能技術(shù)

冰儲能設(shè)備主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥組成，其原理是將蒸汽壓縮制冷形成冷循環(huán)[7]。在設(shè)備運行過程中，要根據(jù)制冷劑進入壓縮機的狀態(tài)增加或減少飽和蒸汽，根據(jù)制冷劑輸出壓縮機的狀態(tài)判斷飽和液體的汽化情況，壓縮機能量平衡公式為：

式中：為制冷劑質(zhì)量流量；h1為制冷劑進入壓縮機的狀態(tài)時的制冷焓值；h2為制冷劑輸出壓縮機狀態(tài)時的制冷焓值；M為壓縮機輸入功率；Qc為壓縮機損耗能量。

1.3 化學儲能技術(shù)

化學儲能反應(yīng)速度快，價格低廉，具有安全和環(huán)保的優(yōu)勢，在綠色建筑施工領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛?；瘜W儲能中存在多種熱化學反應(yīng)，如無機氫化物受熱能分解出CaO、H2O 和MgO 等物質(zhì)。Ca（OH）2和Mg（OH）2是 化學儲能應(yīng)用最多的無機氫化物，其中Ca（OH）2粉末的熱解溫度較高，適用于高溫儲能；Mg（OH）2粉末的熱解溫度相對較低，適用于較低溫儲能。

Ca（OH）2化學儲能體系的反應(yīng)式為：

Mg（OH）2化學儲能體系的反應(yīng)式為：

式（3）的儲能密度約為3 GJ/m3，反應(yīng)溫度約為500 ℃[8]。式（4）的儲能密度約為4 GJ/m3，反應(yīng)溫度為200 ～300 ℃。CaO 與H2O 發(fā)生反應(yīng)釋放的熱能，通過化學熱泵轉(zhuǎn)化為其他能量形式，為設(shè)備運行提供能量。

2 復(fù)合新能源施工運行技術(shù)

2.1 提取復(fù)合新能源系統(tǒng)施工運行的特征

在施工過程中應(yīng)用儲能技術(shù)，需要在新能源施工設(shè)備上安裝對應(yīng)的儲能設(shè)備[9]。本文按照光伏儲能、冰儲能和化學儲能接入電網(wǎng)的方式，提取復(fù)合新能源系統(tǒng)的施工運行特征，辨識復(fù)合新能源系統(tǒng)施工運行狀態(tài)。在新能源系統(tǒng)施工運行過程中，將新能源與一般負荷混合，接入分布式新能源后將新能源并入電網(wǎng)，如圖2 所示。圖2 中，虛線框內(nèi)為新能源系統(tǒng)，通過接入點接入電網(wǎng)后，與新能源儲能機組組成送端電網(wǎng)。接入點范圍只有新能源儲能設(shè)備，因此更容易辨識新能源系統(tǒng)的施工運行狀態(tài)。

圖2 復(fù)合新能源系統(tǒng)示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

在復(fù)合新能源施工運行過程中，新能源與一般負荷數(shù)據(jù)需要滿足式（5）至式（8）的關(guān)系。

新能源施工運行在系統(tǒng)顯示的母線側(cè)數(shù)據(jù)特征量表達式：

式中：xN為運行特征量在新能源系統(tǒng)中的含量；xg為運行特征量在一般負荷中的含量。

新能源系統(tǒng)施工運行數(shù)據(jù)的表達式為：

式中：kN為運行特征量在新能源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)比例系數(shù)。

一般負荷數(shù)據(jù)表達式：

式中：kg為運行特征量在一般負荷數(shù)據(jù)中的比例系數(shù)。

母線側(cè)數(shù)據(jù)表達式：

滿足以上關(guān)系后，根據(jù)設(shè)備施工運行中的諧波幅值變化均衡各設(shè)備負荷，保證新能源系統(tǒng)的整體運行效果。

2.2 控制綠色建筑新能源施工運行的能耗

綠色建筑的目的是節(jié)約建設(shè)資源和降低建設(shè)能耗，因此要利用光伏儲能、冰儲能和化學儲能等設(shè)備為建筑施工提供能源：利用光伏儲能設(shè)備供給電能；利用化學儲能設(shè)備供給熱能；利用冰儲能設(shè)備提供冷風。在施工過程中，采用光伏儲能設(shè)備臨時供電能控制用電能耗；采用化學儲能設(shè)備燃燒燃料能控制燃料能耗；采用冰儲能設(shè)備傳輸冷風能控制制冷能耗。

在能耗控制方面，分別設(shè)定生產(chǎn)、生活、辦公以及施工設(shè)備的用能控制指標，并嚴格控制噪聲和揚塵等污染，最大限度降低施工運行能耗。

3 實例分析

3.1 工程概況和應(yīng)用情況

為檢驗本文設(shè)計的施工運行技術(shù)是否具有實用效能，以某兒童醫(yī)院綠色建筑工程為例，分析各項施工運行技術(shù)的應(yīng)用。該兒童醫(yī)院綠色建筑工程的建筑用地約825460 m2，建筑面積約176245 m2，病房樓共20 層，建筑高度約90 m，其余建筑的建筑高度約25 m，施工場地標高為5.92 ～9.05 m。考慮到醫(yī)院的特殊性，將施工總體目標定為控制污水、噪聲、粉塵及有毒有害物的排放。

該工程利用新能源設(shè)備，合理分配施工設(shè)備的經(jīng)濟負荷。在前一時刻機組供能過程中，確定下一時刻機組供能的上限和下限，確保施工運行的經(jīng)濟負荷處于平衡狀態(tài)。儲能設(shè)備的使用以光伏儲能設(shè)備為主，冰儲能設(shè)備為輔，化學儲能設(shè)備作為補充。施工設(shè)備中光伏設(shè)備較多，因此光伏設(shè)備施工運行供能較大，當其供能降低時，增加冰儲能設(shè)備供能，以此保證工程的整體施工運行效果。復(fù)合新能源設(shè)備在施工運行過程中的供能情況，如圖3 所示。

圖3 復(fù)合新能源施工運行供能情況（來源：網(wǎng)絡(luò)）

3.2 應(yīng)用結(jié)果

在施工前隨機選取鋼材、混凝土、木材和模板等建筑施工材料，估算這些材料在使用復(fù)合新能源系統(tǒng)時的使用量。

施工完成后對比選取施工材料用量的實際值和預(yù)估值，差值越大說明節(jié)省費用越多，節(jié)能效果越佳。此外，通過對比發(fā)現(xiàn)，采用該施工運行技術(shù)，鋼材、混凝土、木材、模板等建筑施工材料用量減少，總計節(jié)省費用557640 元。施工材料用量和費用對比，如表1 所示。

表1 施工材料用量和費用對比

施工中，通過使用新能源設(shè)備，將施工噪聲控制在41 ～52 dB，白天和夜晚的施工噪聲均滿足噪聲標準。施工現(xiàn)場揚塵標準為1.5 m 內(nèi)目測無塵，實際揚塵控制達到1.0 m 目測無塵，揚塵控制效果較好。生活污水經(jīng)隔油池處理達到三級排放標準。除此之外，該項目有毒有害的物質(zhì)消納單位處理率達到100%，滿足綠色健康施工的要求。該項目污染控制結(jié)果，如表2 所示。

表2 污染控制結(jié)果

該項目的應(yīng)用結(jié)果說明采用本文設(shè)計的施工運行技術(shù)能夠保證施工的整體節(jié)能和環(huán)保效果。

4 結(jié)語

在大風和雷雨等不良環(huán)境下，無法使用光伏發(fā)電設(shè)備和風能發(fā)電設(shè)備，會延長施工工期，影響綠色建筑整體施工效果。本文針對新能源系統(tǒng)施工問題，設(shè)計了綠色建筑分布式光伏、冰儲能、化學儲能、復(fù)合新能源系統(tǒng)施工運行技術(shù)，保證復(fù)合新能源施工運行效果，為綠色建筑的有序施工提供保障。