新能源技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用研究

【摘要】文章對(duì)電力工程與綠色建筑的結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行了研究，介紹了電力工程的定義、范圍和綠色建筑的定義、原則，分析了太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等新能源技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。研究探討了新能源在綠色建筑中的實(shí)際應(yīng)用情況以及電力系統(tǒng)優(yōu)化與智能管理的關(guān)鍵措施，并對(duì)節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。研究強(qiáng)調(diào)了通過新能源技術(shù)與綠色建筑的有機(jī)結(jié)合，不僅能有效提升能源利用效率，還能減少建筑物對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】電力工程；綠色建筑；可持續(xù)發(fā)展；新能源生態(tài)

【中圖分類號(hào)】TU74 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）09-0073-03

0 引言

隨著氣候變化以及能源危機(jī)等問題的日益嚴(yán)重，全球范圍內(nèi)都在加大可再生能源開發(fā)利用的力度。電力工程與綠色建筑的結(jié)合已成為能源領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

1 電力工程與綠色建筑概述

1.1 電力工程的定義和范圍

電力工程是一門涉及電能生產(chǎn)、輸送、分配與利用的綜合學(xué)科，它覆蓋著從發(fā)電廠至用戶終端等電力系統(tǒng)的全過程。傳統(tǒng)的電力工程以化石燃料發(fā)電為主，大型水電站以燃燒煤、石油、天然氣或者水力資源發(fā)電。這些發(fā)電方式在給社會(huì)提供大量穩(wěn)定電力供應(yīng)的同時(shí)，也帶來環(huán)境污染和資源消耗等問題。隨著世界范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的日益重視，電力工程開始向新能源領(lǐng)域擴(kuò)展，其中包括太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能和海洋能等多種清潔能源的開發(fā)利用。太陽能發(fā)電是通過光伏電池板直接把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，風(fēng)能是通過風(fēng)力渦輪機(jī)把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，地?zé)崮苁抢玫責(zé)豳Y源發(fā)電取暖[1]。另外，電力工程還包括輸電以及配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以保證電能安全高效地由發(fā)電廠輸送到各類用戶。智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提高了電力系統(tǒng)可靠性與靈活性，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能管理來優(yōu)化電力資源配置。電力工程也涉及電能質(zhì)量管理、電力系統(tǒng)維護(hù)等內(nèi)容，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定與高效。

1.2 綠色建筑的定義和原則

綠色建筑是指在設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)行等各環(huán)節(jié)綜合考慮資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)及用戶健康等多方面因素，以建筑全生命周期可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)而提出的建筑理念。它被界定為通過合理利用土地、節(jié)約能源、節(jié)約水資源及材料，來減輕建筑和運(yùn)行中的環(huán)境負(fù)荷，同時(shí)營造一個(gè)健康舒適的生活與工作環(huán)境。綠色建筑這一原理涉及節(jié)能設(shè)計(jì)、可再生能源的利用、智能管理系統(tǒng)等等諸多方面。在節(jié)能設(shè)計(jì)方面，綠色建筑利用高效保溫隔熱材料與先進(jìn)遮陽技術(shù)將能源消耗降至最低，通過優(yōu)化建筑的朝向與造型來改善自然采光與通風(fēng)效率。在可再生能源的利用上，綠色建筑廣泛采用太陽能光伏系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)以及地?zé)崮芟到y(tǒng)，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴并降低碳排放[2]。通過引進(jìn)智能管理系統(tǒng)，綠色建筑得以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制實(shí)現(xiàn)更高效地利用能源，從而提升資源的使用效率。根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，綠色建筑在節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量五個(gè)方面均需達(dá)到特定指標(biāo)，如表1所示。

2 新能源技術(shù)的應(yīng)用

2.1 太陽能發(fā)電

太陽能發(fā)電是一種將太陽光中的能量通過光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能的可再生能源技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能電池板、逆變器、控制器、電池。太陽能電池板作為核心部件，通過半導(dǎo)體材料（如硅）吸收光子并釋放電子，從而產(chǎn)生電流。在實(shí)際應(yīng)用中，太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率被視為核心指標(biāo)。目前市場上常見的單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率可以超過20%，而高效單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率甚至可以達(dá)到24%或以上。太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有無污染、無噪聲、運(yùn)行維護(hù)成本低和可實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電等優(yōu)勢(shì)，通常將太陽能電池板設(shè)置于建筑物屋頂或者閑置地面向當(dāng)?shù)毓╇?。中國在太陽能發(fā)電領(lǐng)域成績斐然，到2022年末光伏裝機(jī)容量已突破390 GW，約為世界總量的1/3。隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)?；a(chǎn)的發(fā)展，光伏發(fā)電的成本持續(xù)下降，光伏發(fā)電全球競爭力明顯增強(qiáng)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電就是借助風(fēng)力把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，主要通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括葉輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、塔架及發(fā)電機(jī)等。風(fēng)輪的葉片在風(fēng)力的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。風(fēng)速是影響風(fēng)力發(fā)電效率的關(guān)鍵因素，通常需要風(fēng)速超過3 m/s才能啟動(dòng)發(fā)電，最佳的風(fēng)速范圍是10～25 m/s。在實(shí)踐中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量大到數(shù)百千瓦，小到幾兆瓦，而海上風(fēng)電技術(shù)最近幾年發(fā)展迅速，其單機(jī)容量可達(dá)8 MW乃至更高。在風(fēng)能發(fā)電方面，中國已取得令人矚目的成果。到2023年末，中國的風(fēng)電裝機(jī)容量已超越350 GW，這一數(shù)字約占全球總裝機(jī)容量的1/4，在全球風(fēng)電發(fā)展中占據(jù)先驅(qū)地位。風(fēng)力發(fā)電具有無污染、資源豐富和可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；玫膬?yōu)勢(shì)，特別是在內(nèi)蒙古、甘肅和新疆等風(fēng)力資源豐富的區(qū)域。相較于其他能源，風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境影響更小，還能夠通過分布式風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行局部供電以降低電力傳輸損耗。隨著科技進(jìn)步與成本降低，風(fēng)力發(fā)電作為世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，其發(fā)展前景日益擴(kuò)大。

3 電力工程與綠色建筑的結(jié)合應(yīng)用

3.1 新能源在綠色建筑中的應(yīng)用

新能源在綠色建筑中的應(yīng)用廣泛且深遠(yuǎn)，主要體現(xiàn)在對(duì)太陽能、風(fēng)能和地?zé)崮艿榷喾N技術(shù)的集成與利用。太陽能光伏系統(tǒng)是最常見的應(yīng)用形式，通過在建筑物的屋頂或外墻安裝光伏板，將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能，如式（1）所示。

" " P = E .A .η " " " " （1）

式中：P 為輸出功率；E 為太陽輻照度；A為光伏板面積；η為光伏板轉(zhuǎn)換效率。

在光伏系統(tǒng)中，單晶硅光伏板的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%以上，安裝10 ㎡的光伏板在日均4 h有效輻照下可產(chǎn)生約8 kW的電力。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則可以在建筑物的空地或高層屋頂安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，利用風(fēng)能發(fā)電，適合風(fēng)速較高的地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電的功率如式（2）所示。

" " "P = 0.5 .ρ .A .V 3 .Cp " （2）

式中：ρ為空氣密度；A為葉片掃掠面積；V 3為風(fēng)速；Cp為功率系數(shù)。

地?zé)崮芾檬橇硪环N重要形式，通過地源熱泵系統(tǒng)利用地下淺層地?zé)豳Y源提供采暖、制冷和熱水供應(yīng)，該系統(tǒng)通過熱泵機(jī)組將地?zé)崮苻D(zhuǎn)換為可用能量，如式（3）所示。

" " " Q = K .A .ΔT " " （3）

式中：Q為熱量；K為傳熱系數(shù)；A為換熱面積；ΔT為溫差。

通過這些新能源技術(shù)的綜合應(yīng)用，綠色建筑能夠大幅度降低對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，減少碳排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。中國在這一領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)走在了世界前列，體現(xiàn)出推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的堅(jiān)定決心。

3.2 提升電力系統(tǒng)優(yōu)化與智能管理

電力系統(tǒng)優(yōu)化及智能管理對(duì)現(xiàn)代綠色建筑至關(guān)重要，通過借助先進(jìn)技術(shù)及智能化手段，可促進(jìn)提高能源利用效率、降低浪費(fèi)及可持續(xù)發(fā)展。智能電網(wǎng)以電力系統(tǒng)優(yōu)化為中心，以實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析為手段，使電力供應(yīng)與需求達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，電力傳輸與配置達(dá)到最優(yōu)，降低輸電損耗。將智能電表及傳感器安裝于用戶端，實(shí)時(shí)采集用電數(shù)據(jù)，有利于用戶改善用電習(xí)慣、減少電費(fèi)開支，也能向電網(wǎng)提供精準(zhǔn)的用電要求信息、方便科學(xué)調(diào)度[3]。能量管理系統(tǒng)（EMS）作為重要組件，通過全面分析建筑內(nèi)外的能源使用狀況，來優(yōu)化照明、暖通空調(diào)、供水等子系統(tǒng)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)整體能源效率的提升[4]。EMS能夠無縫集成可再生能源系統(tǒng)和儲(chǔ)能設(shè)備，統(tǒng)籌利用太陽能和風(fēng)能等清潔能源并降低對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴。

3.3 節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用

綠色建筑的節(jié)能減排技術(shù)非常關(guān)鍵，以各種創(chuàng)新的方式提高能效、降低能源消耗并減少排放。高效電氣設(shè)備，例如LED照明、節(jié)能空調(diào)和高效電機(jī)，能有效地降低電力消耗。與傳統(tǒng)的白熾燈相比，LED照明能節(jié)省大約75%的能源，并且具有更長的使用壽命。智能照明系統(tǒng)通過傳感器與控制器的配合，實(shí)現(xiàn)燈光亮度隨自然光強(qiáng)度與人的活動(dòng)而自動(dòng)調(diào)整，進(jìn)一步提升能效。暖通空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗的主要部分，通過應(yīng)用變頻技術(shù)，根據(jù)室內(nèi)溫度變化來自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)以節(jié)省電力。地源熱泵利用地下恒溫資源來實(shí)現(xiàn)制冷與供暖，能效是傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的幾倍。建筑外墻及屋頂保溫隔熱材料可以有效降低熱量損失，在夏天維持室內(nèi)清涼，在冬天避免熱量外泄，降低了空調(diào)、取暖等能源消耗。例如兩層或者三層中空玻璃窗的隔熱、隔音效果好，利用中間空氣層屏蔽熱傳導(dǎo)。將光伏系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)集成運(yùn)用于建筑，既提供了清潔能源又可自給自足能源，降低對(duì)市政電網(wǎng)的依賴。雨水收集及中水回用系統(tǒng)對(duì)屋面雨水與生活污水進(jìn)行處理[5]，滿足了景觀灌溉和廁所沖洗等非飲用水的需求，節(jié)約大量的自來水資源。智能能源管理系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和優(yōu)化調(diào)度建筑中的能源設(shè)備，避免了能源浪費(fèi)，最大限度地提高整體能效。

4 結(jié)語

電力工程與綠色建筑的結(jié)合不僅是技術(shù)進(jìn)步的象征，更是對(duì)可持續(xù)發(fā)展理念的積極踐行。綠色建筑通過整合太陽能、風(fēng)能等新能源技術(shù)，以及智能電網(wǎng)、節(jié)能設(shè)備與智能管理系統(tǒng)，顯著降低能源的消耗與碳排放，為人類帶來更環(huán)保、更有效的生活和工作環(huán)境。今后，在科技不斷進(jìn)步、全球合作不斷深入的背景下，新能源生態(tài)系統(tǒng)會(huì)得到進(jìn)一步改善，從而對(duì)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)作出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡介]安永亮（1970—），男，廣東深圳人，本科，工程師，研究方向：電力工程電氣。