淺談低碳高校校園的電氣應(yīng)用

張 英, 陳義清

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

0 引 言

構(gòu)建綠色低碳能源戰(zhàn)略是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略,是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推動能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和的重要舉措。經(jīng)過近些年的發(fā)展,建筑領(lǐng)域已經(jīng)從最初的建筑節(jié)能、減少能耗發(fā)展到注重建筑能效提升、綠色可持續(xù)發(fā)展的低碳建筑方向過渡。低碳能源技術(shù)的采用,不完全以降低能耗為發(fā)展目標(biāo),其目的主要是通過可再生能源技術(shù)的運用,降低溫室氣體排放,從而減少對氣候變化的影響。因此,行之有效的低碳能源技術(shù)的運用策略可助力推進(jìn)低碳建筑的完成,同時也是踐行“雙碳”目標(biāo)、實現(xiàn)國家經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要推動力[1]。

目前,我國高校校園普遍存在能源浪費、能源利用偏低等問題。作為國家節(jié)能戰(zhàn)略的重要組成部分,高校節(jié)能減排、合理利用新能源應(yīng)起到示范性作用。

1 低碳能源技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

建筑設(shè)計中實現(xiàn)低碳建筑的途徑有:被動式技術(shù)、能效提升技術(shù)、電氣能效提升技術(shù)、可再生能源利用等[2-3]。

(1) 被動式技術(shù)主要是傳統(tǒng)的建筑節(jié)能技術(shù),如維護(hù)結(jié)構(gòu)的提升、優(yōu)良的自然通風(fēng)采光、各種遮陽技術(shù)的應(yīng)用等。通過這些建筑主體被動式技術(shù)的應(yīng)用以達(dá)到提升建筑性能、節(jié)約能源的目的。

(2) 能效提升技術(shù)包括空調(diào)冷熱源、冷熱源輸配系統(tǒng)、空調(diào)末端能效提升等技術(shù)。

(3) 電氣能效提升技術(shù)包含供配電系統(tǒng)的合理規(guī)劃、照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計、電氣節(jié)能產(chǎn)品的選用、節(jié)能高效的動力控制系統(tǒng)。

(4) 可再生能源利用包括風(fēng)能、太陽能光伏、太陽能光熱、空氣源熱泵、地源熱泵、地?zé)崮堋δ艿取?/p>

在構(gòu)建低碳校園過程中需對傳統(tǒng)設(shè)計的電氣能效技術(shù)進(jìn)行提升,同時還需結(jié)合國家發(fā)展方向?qū)稍偕茉闯浞趾侠砝?。本文主要對低碳校園的電氣應(yīng)用進(jìn)行分析。

2 電氣能效提升策略

2.1 合理規(guī)劃供配電系統(tǒng)

(1) 合理設(shè)置變電所或配電間位置。變電所或配電間應(yīng)盡量靠近負(fù)荷中心,科學(xué)合理地規(guī)劃供電線路,這樣可減少供電距離,以達(dá)到降低線路損耗,減少電纜投資成本。T/SHGBC 006—2022《民用建筑電氣綠色設(shè)計與應(yīng)用規(guī)范》提出了使用負(fù)荷重心法和系統(tǒng)最小能量矩法來確定變電所位置的方法,在常規(guī)的民用建筑中推薦采用負(fù)荷重心法。

(2) 應(yīng)充分調(diào)研建筑的使用特點、習(xí)慣等,構(gòu)建合理的供配電方案。目前,常規(guī)的大學(xué)校園學(xué)生宿舍、食堂以組團(tuán)化呈現(xiàn)。根據(jù)調(diào)研,學(xué)生宿舍、食堂與教學(xué)實驗樓等用電峰值時間基本不同,因此在構(gòu)建供電方案時,可將宿舍與食堂,宿舍與教學(xué)樓等統(tǒng)籌考慮變壓器設(shè)置,此時的同時系數(shù)可采用0.5～0.8,以降低變壓器的裝機(jī)容量[4]。

(3) 科學(xué)合理地配置無功補(bǔ)償裝置。目前普遍的無功補(bǔ)償方式包含集中補(bǔ)償、分散與就地補(bǔ)償?shù)?。變電所低壓?cè)集中設(shè)置補(bǔ)償裝置,相對變電所位置的設(shè)備采用分散與就地補(bǔ)償方式。

2.2 照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計是電氣設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié),可優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容非常多,本文暫以光源和控制系統(tǒng)進(jìn)行論證。目前市面上主流的燈具廠家均已生產(chǎn)LED燈具為主,傳統(tǒng)的節(jié)能燈、熒光燈均處于陸續(xù)淘汰的邊緣。經(jīng)過近些年的發(fā)展,LED燈具已經(jīng)非常成熟,LED燈具在節(jié)能、使用壽命、保護(hù)環(huán)境等方面均有優(yōu)勢。在滿足光環(huán)境要求的前提下,應(yīng)盡量選擇LED光源。公共區(qū)域(如走道、門廳)設(shè)計時,應(yīng)對照明回路進(jìn)行合理的回路控制,以便采用智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)、定時等控制。公共教室可結(jié)合智慧教室合理地控制燈的開啟,以免造成不必要的能源浪費。樓梯間普通照明可結(jié)合人體紅外感應(yīng)措施,做到人到燈亮,人走燈滅。車庫等照明采用高低功率轉(zhuǎn)換的雷達(dá)感應(yīng)節(jié)能控制。

2.3 電氣節(jié)能產(chǎn)品的選用

GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》對電機(jī)、接觸器、變壓器等電氣產(chǎn)品的能效水平做出不低于三級的要求。GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》對三相變壓器能效限定值、能效等級均做出約定。在目前的設(shè)計中,選用SCB-NX2干式變壓器,采用D/Y11組別的接線方式。

2.4 高效控制的動力控制系統(tǒng)

電梯、扶梯應(yīng)根據(jù)客流分析、服務(wù)對象、建筑性質(zhì)等采用群控策略、變頻調(diào)速、能量反饋等節(jié)能措施,扶梯、人行梯等還可以采用人體感應(yīng)裝置、變頻調(diào)速等策略控制扶梯起停和空載運行速度。對空調(diào)及供暖系統(tǒng)而言,變頻調(diào)節(jié)是一個重要的手段,再輔以BAS系統(tǒng)對工作狀態(tài)進(jìn)行檢測與控制,從而實現(xiàn)系統(tǒng)能效的提升。機(jī)械通風(fēng)的車庫配置CO濃度探測器來控制通風(fēng)量。

3 可再生能源應(yīng)用策略

3.1 太陽能光伏

太陽能發(fā)電包含了光電發(fā)電和光熱發(fā)電兩種形式,本文主要指光伏發(fā)電,是利用光伏特性,在光照下產(chǎn)生直流電,通過匯流排(箱)匯流至直流配電柜中,然后通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流,再進(jìn)入升壓變壓器,將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種新技術(shù)。光伏系統(tǒng)的組建形式如表1所示。根據(jù)組建形式有集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、小型光伏發(fā)電系統(tǒng)3種類型。大部分高校內(nèi)可利用屋面面積較多,且新校區(qū)大多處于新區(qū),光照充分,基本可達(dá)到中等規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

表1 光伏系統(tǒng)的組建形式

根據(jù)不同的應(yīng)用場景,光伏發(fā)電系統(tǒng)又可分為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)、光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)、光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)、并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)和光儲微網(wǎng)系統(tǒng)。幾種光伏系統(tǒng)的比較如表2所示。由于國家對學(xué)校用電價格的政策照顧,目前學(xué)校大多采用光伏并網(wǎng)系統(tǒng),少量項目因帶有實驗性質(zhì)也存在光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)。

表2 幾種光伏系統(tǒng)的比較

3.2 儲能應(yīng)用

能量的來源有太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、核能、熱能、機(jī)械能、化學(xué)能和電磁能8大類。根據(jù)轉(zhuǎn)換形式有機(jī)械儲能、電磁儲能和化學(xué)儲能;由于機(jī)械儲能、電磁儲能在高校中應(yīng)用較少,本文僅羅列電化學(xué)儲能的優(yōu)缺點。電化學(xué)儲能的比較如表3所示。

表3 電化學(xué)儲能的比較

3.3 光儲直柔

光儲直柔(PEDF)是指光伏(Photovaltaic)、儲能(Energy storage)、直流配電(Direct current)、柔性交互(Flexibility)4項技術(shù)的簡稱,目前主要指建筑領(lǐng)域的光伏應(yīng)用一種形式。光儲直柔典型應(yīng)用場景如圖1所示。光儲直柔配電示意圖如圖2所示。

圖1 光儲直柔典型應(yīng)用場景

圖2 光儲直柔配電示意圖

國內(nèi)有些大型設(shè)計院已有專業(yè)研究人員對低壓直流系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和分析做了很多研究。與傳統(tǒng)的光伏發(fā)電相比,光儲直柔明顯具備以下優(yōu)勢[5-8]。

(1) 直流配電助力打造綠色建筑。直流配電是今后建筑的發(fā)展方向,通過屋頂或幕墻光伏可助力建筑實現(xiàn)最大程度的能源自給。

(2) 能效提升。由于減少了AC/DC的轉(zhuǎn)換,且直流供電回路線路損耗小,提升能源的利用率。

(3) 綜合成本的降低。能源就地消納,降低變壓器擴(kuò)容成本,降低了用電成本。

(4) 用電智能化。通過數(shù)字接口,對用電的可觀、可測、可控制,實現(xiàn)建筑樓宇精準(zhǔn)化管理、智能化節(jié)電運營,助力樓宇智能化發(fā)展。

(5) 樓宇自我調(diào)節(jié)和柔性響應(yīng)。減少了電網(wǎng)調(diào)度的難度,實現(xiàn)電源側(cè)和用戶側(cè)的可控、可測、可調(diào),實現(xiàn)源網(wǎng)互動的新型電力系統(tǒng)。

(6) 電能質(zhì)量和供電可靠性的提升。直流微電網(wǎng)無諧波閃變及三相不平衡,是實現(xiàn)電能質(zhì)量和供電可靠性的重要保證。

(7) 用電更安全。調(diào)整系統(tǒng)接地方式,使人體觸電電流控制在安全水平內(nèi),徹底消除觸電風(fēng)險。

4 某校園低碳設(shè)計方案

本項目為南方省會城市某新建大學(xué),校園總建筑面積約為70萬m2。項目規(guī)劃設(shè)計時以深入踐行綠色發(fā)展理念為導(dǎo)向,以零碳智慧校園為契機(jī),推進(jìn)全校綜合智能能源建設(shè),加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,實現(xiàn)“低碳”校園試點建設(shè)。建成以電能為中心、“集中+分布式”供應(yīng)相結(jié)合、涵蓋“電、冷、熱、熱水”多種能源綜合協(xié)調(diào)供應(yīng)的能源互聯(lián)網(wǎng),充分發(fā)揮各能源生產(chǎn)系統(tǒng)的互聯(lián)耦合作用,實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多種能源優(yōu)勢互補(bǔ)、互聯(lián)互享、協(xié)調(diào)供給及綜合梯級利用,優(yōu)化區(qū)域內(nèi)能源布局,促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)向清潔低碳模式轉(zhuǎn)變。

本項目低碳設(shè)計主要采用綠色電力(分布式光伏+儲能)、技術(shù)節(jié)能(地下水源熱泵系統(tǒng)、全熱回收技術(shù)等)、管理節(jié)能等3種途徑實現(xiàn)。篇幅所限,本文主要介紹重點綠色電力,電氣能效提升方面暫不做介紹。

4.1 分布式光伏

本項目太陽能輻射年總量平均值為4 905.4 MJ/m2,為太陽能資源豐富區(qū)域。充分利用建筑屋頂,同時結(jié)合玻璃幕墻、車棚、路燈等光伏產(chǎn)品。經(jīng)測算,本項目可開發(fā)屋頂光伏面積的容量為7 MW,匡算總投資為3 500萬元,年平均發(fā)電量為800萬kWh,25年累計發(fā)電量約為20 000 kWh,減少二氧化碳排放166 528.96 t。主要形式有固定支架光伏(屋頂設(shè)置)、光伏車棚(BIPV)、光伏采光天窗(采光中庭)。固定支架光伏技術(shù)最為成熟,成本相對較低,在本項目中應(yīng)用最為廣泛,在主要建筑的屋頂均設(shè)置支架。BIPV采用特殊的屋頂光伏材料,主要設(shè)置于室外停車雨棚。部分中庭結(jié)合采光天窗設(shè)置光伏天窗。校園各單體光伏裝機(jī)估算表如表4所示。

表4 校園各單體光伏裝機(jī)估算表

4.2 儲能

在校開關(guān)站旁安裝約4 MWh的鉛酸儲能電池,獨立設(shè)置建筑物,利用用電低谷(如夜間)時將富裕電量充入電池,在用電峰值反饋給電力系統(tǒng),通過谷充峰放的模式獲取峰谷差價。經(jīng)測算,采用儲能峰谷差價年收入可超過50萬元。

4.3 光儲直柔

在綜合考慮了成本和項目運營等情況,本項目最終未能實現(xiàn)光儲直柔技術(shù)的落地。

5 存在問題

太陽能光伏是目前國家雙碳目標(biāo)的重要發(fā)展方向,《上海市資源節(jié)約和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》的通知中明確提到“2022年起,新建黨政機(jī)關(guān)、學(xué)校、工業(yè)廠房等建筑屋頂安裝光伏的面積比例不低于50%,新建其他類型公共建筑屋頂安裝光伏的面積比例不低于30%”。但也不可避免地存在著如下問題:(1) 標(biāo)準(zhǔn)體系還不夠健全,如儲能技術(shù)、光儲直柔等均需要國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的進(jìn)一步支撐。(2) 部分技術(shù)尚處于摸索階段,如光儲直柔,建成的案例也大都屬于示范性項目,且規(guī)模小,落地性項目偏少。(3) 直流產(chǎn)業(yè)鏈不完善,如直流-直流變換器沒有量產(chǎn),家用設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)等直流終端設(shè)備市面上可選產(chǎn)品較少,限制了低碳技術(shù)的發(fā)展。(4)配套激勵措施不足,光儲直柔等新技術(shù)目前推廣困難,有待國家政策的激勵。

6 結(jié) 語

設(shè)計院作為早期介入方,對項目的整體推進(jìn)有著不可忽視的影響。大型校園占地面積大、容積率低、可利用屋面豐富、產(chǎn)生的投資收益高等特點,應(yīng)大力推進(jìn)低碳能源技術(shù)應(yīng)用,尤其是太陽能光伏技術(shù),助力國家實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略。