凌 啟 程

(東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 江蘇 南京 210018)

0 引 言

中國(guó)積極推進(jìn)綠色低碳發(fā)展,承諾力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！半p碳”目標(biāo)的提出,意味著中國(guó)將成為世界上碳排放降幅最快的國(guó)家,也給各行各業(yè)帶來(lái)了諸多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗專委會(huì)發(fā)布的《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告(2020)》指出,2018年全國(guó)建筑全過(guò)程碳排放達(dá)49.3億噸,占全國(guó)總碳排放量的51.3%,其中建筑運(yùn)行碳排放占比21.9%?？梢?建筑領(lǐng)域的智慧節(jié)能對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著極為重要的作用和影響。

在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下,由中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)牽頭管理的《智慧辦公建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》于2021年5月正式發(fā)布。這是國(guó)內(nèi)首個(gè)適用于規(guī)范智慧辦公建筑建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)關(guān)注辦公建筑的目標(biāo)、綠色、高效和用戶體驗(yàn),充分契合國(guó)家減排計(jì)劃,通過(guò)智能建筑可持續(xù)發(fā)展助力碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)。

建筑智能化是能源變革和科技進(jìn)步下的必然趨勢(shì),同時(shí)也給建筑行業(yè)帶來(lái)了諸多變化。特別是在建筑電氣方面,由于電力是最易傳輸和分配的清潔二次能源,而建筑能源消耗中的電力消耗又占據(jù)重要比重,因此建筑電氣系統(tǒng)的升級(jí)和革新在助力“雙碳”目標(biāo)中扮演著關(guān)鍵角色。

與此同時(shí),由于電力能源的特殊性,建筑電氣系統(tǒng)與智能電網(wǎng)緊密耦合,這使得智能電網(wǎng)的新技術(shù)和新發(fā)展深深影響到智能建筑電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)。本文從“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向出發(fā),結(jié)合智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的影響,討論建筑智能化過(guò)程中電氣關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用,對(duì)未來(lái)智能建筑電氣發(fā)展提出展望。

1 屋頂光伏新能源發(fā)電

分布式屋頂光伏能夠在對(duì)電力系統(tǒng)影響較小的場(chǎng)景下生產(chǎn)清潔電力,因此備受智能電網(wǎng)青睞[1]。為了保障國(guó)民電力需求和助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),國(guó)家能源局于2021年6月印發(fā)了《國(guó)家能源局綜合司關(guān)于報(bào)送整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)方案的通知》,并于同年9月公布了試點(diǎn)名單。這一舉措推動(dòng)了智能建筑向著屋頂光伏嵌入式的清潔、高效方向發(fā)展。

1.1 屋頂光伏新能源發(fā)電的特點(diǎn)

傳統(tǒng)建筑體是能源消耗端,只消耗能源而不生產(chǎn)能源,節(jié)能方式只有單一的減少用能,對(duì)于建筑用戶的友好性差。而屋頂光伏引入智能建筑后,建筑體具備能源生產(chǎn)能力,角色也由消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)消者。從此智能建筑以主動(dòng)式的能源互動(dòng)主體參與智能電網(wǎng)的大規(guī)模能源管理中,在更為高級(jí)和宏大的層次參與到全社會(huì)的能效提升中。

可再生作為屋頂光伏新能源發(fā)電的第一特性,是其能夠同時(shí)被智能電網(wǎng)和智慧建筑接納的關(guān)鍵原因。作為清潔能源,屋頂光伏能夠?yàn)榻ㄖw提供低碳的電力供應(yīng),也是未來(lái)“零碳建筑”解決方案的關(guān)鍵要素。此外,建筑屋頂光伏的布局,使得建筑的電力能源供應(yīng)具備了獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)的可能,從而能夠提升建筑電力系統(tǒng)的供電可靠性。

當(dāng)然,光伏發(fā)電受到時(shí)段和天氣等因素的影響,具有明顯的間歇性和隨機(jī)性,這種運(yùn)行階段的不確定性,需要在設(shè)計(jì)和建設(shè)的階段即有考慮,才能保證新能源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1.2 屋頂光伏新能源運(yùn)用的要求

屋頂光伏與建筑系統(tǒng)緊密耦合,在能源利用中,需要從太陽(yáng)能電池板的選擇與排布、光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)維護(hù)等方面考慮[2],綜合考慮建筑系統(tǒng)的客觀條件,在建設(shè)安裝允許的情況下,最大化實(shí)現(xiàn)新能源的接入和利用。

1.2.1 太陽(yáng)能電池板的選擇與排布

太陽(yáng)能電池板直接關(guān)系到光電系統(tǒng)對(duì)能源的轉(zhuǎn)換效率,是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心組件。目前常用的太陽(yáng)能電池板有晶硅和非晶硅兩種,在實(shí)際建設(shè)中,需要根據(jù)建筑電氣系統(tǒng)的實(shí)際需求,選擇合適的電池板組件,從而滿足建筑電氣系統(tǒng)在電壓、電流以及功率等方面的要求。

單純的光伏發(fā)電,一般采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù),使得電池板組件最大程度接受光照,從而獲得最大能效輸出。而建筑光伏系統(tǒng)的電池板排布和安裝受制于建筑體的條件,更具有特殊性。不僅要考慮電池陣列及其傾斜角等問(wèn)題,還要考慮建筑物遮擋對(duì)能量轉(zhuǎn)化的影響。

1.2.2 光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)

目前,光伏上網(wǎng)電價(jià)受國(guó)家政策支持,且考慮新能源功率和電量對(duì)智能電網(wǎng)的支撐,一般需要對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。電氣數(shù)據(jù)方面,多通過(guò)在逆變器中安裝計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè);環(huán)境因素控制方面,多通過(guò)各類傳感器實(shí)時(shí)感知日照、溫度等相關(guān)參數(shù),為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

1.2.3 光伏系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)

建筑光伏新能源系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注光伏發(fā)電出力的穩(wěn)定性、光伏逆變器功率控制與輸出的高效性、以及應(yīng)對(duì)特殊惡劣天氣下的安全性。維護(hù)工作中,應(yīng)當(dāng)注意及時(shí)清理太陽(yáng)能電池板表面的灰塵,避免受光損失,此外對(duì)于雷雨、冰雹等極端天氣,應(yīng)有一定的預(yù)防保護(hù)措施。

1.3 屋頂光伏新能源對(duì)建筑電氣的影響

結(jié)合屋頂光伏新能源發(fā)電的特點(diǎn)和安裝運(yùn)行的要求,可以看出其對(duì)建筑電氣系統(tǒng)有巨大的影響。首先,電能供應(yīng)不再單一依賴于饋線和配變,本地具備了能量生產(chǎn)能力,但光伏本身的電力生產(chǎn)具有顯著的不確定性,這使得建筑電氣的功率和容量計(jì)算難度升級(jí),如何在經(jīng)濟(jì)節(jié)約和可靠供電之間建立平衡點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)有效容量計(jì)算的關(guān)鍵。其次,并網(wǎng)的分布式光伏能源多通過(guò)逆變器,將光生伏打的直流電轉(zhuǎn)換為交流電,逆變器作為電力電子裝備,在光伏發(fā)電效率和并網(wǎng)控制方面起到?jīng)Q定性作用,將成為含有屋頂光伏建筑體的電氣設(shè)計(jì)關(guān)鍵。最后,智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,形成了交直流混合供配電的發(fā)展趨勢(shì),正好契合光伏發(fā)電的直流特性,通過(guò)減少能源轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié),智能建筑的能效必然得到提高、同時(shí)降低了中間環(huán)節(jié)的建設(shè)投資。

2 交直流混合供用電系統(tǒng)

隨著直流負(fù)荷需求的發(fā)展,學(xué)界和工業(yè)界越來(lái)越多地把注意力放在了如何通過(guò)直流負(fù)荷的運(yùn)用提升整體的用能效率。其實(shí),建筑樓宇中的很多用電設(shè)備本身就是直流驅(qū)動(dòng)的,例如照明光源,但由于電力網(wǎng)絡(luò)一直以來(lái)都以交流的形式供電,因此大多配置了整流器以匹配電力供應(yīng)的特點(diǎn)?？紤]到屋頂光伏的直流供電屬性和日益渴求的用能效率,直流供用電又逐漸得到重視,并被看做是未來(lái)智能樓宇的電力解決方案。但由于成本、用戶習(xí)慣、電器更替周期等問(wèn)題,建筑電氣系統(tǒng)不可能在短期內(nèi)進(jìn)入全直流階段,交直流混合供用電將是智能建筑必經(jīng)的發(fā)展階段。

2.1 直流用電負(fù)荷

雖然屋頂光伏的直流屬性是驅(qū)動(dòng)交直流混合供用電的動(dòng)力之一,但其最根本的原因是直流負(fù)荷的蓬勃發(fā)展[3]。

2.1.1 數(shù)據(jù)機(jī)房

在大數(shù)據(jù)的信息時(shí)代,數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人類社會(huì)密不可分的一部分。對(duì)于智能建筑而言,特別是辦公類建筑,一般包括外網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)和物業(yè)網(wǎng)。而數(shù)據(jù)機(jī)房傳統(tǒng)供電方式一般為直流48 V,對(duì)于大型機(jī)房則采用220 V以上的直流供電。數(shù)據(jù)機(jī)房負(fù)荷占比的日益提升,是直流負(fù)荷日益重要的關(guān)鍵因素。

2.1.2 電動(dòng)汽車充電樁

對(duì)于新建的智能建筑而言,都會(huì)按規(guī)范配置相應(yīng)的電動(dòng)汽車充電樁,其中對(duì)直流“快充”樁的比例也有明確要求,至少10%。公共區(qū)域的直流“快充”樁具有功率需求大、使用頻次多等特點(diǎn),形成典型的直流負(fù)荷特征。

2.1.3 直流照明和空調(diào)

從建筑需求層面講,LED的應(yīng)用及快速發(fā)展是建筑直流技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。隨著LED效率的提升,能夠很好地解決光源刺眼以及藍(lán)光效應(yīng)等問(wèn)題,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于辦公、商用、高大空間、泛光、景觀、消防應(yīng)急照明燈領(lǐng)域。

直流變頻空調(diào)被認(rèn)為是建筑節(jié)能和低碳的關(guān)鍵路徑。相較于交流變頻,直流變頻空調(diào)器沒(méi)有逆變環(huán)節(jié)且使用永磁電機(jī),省去了交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗,因而更加節(jié)能。

2.1.4 其他直流負(fù)荷

電腦、顯示屏等廣泛使用的電子電器,是直流驅(qū)動(dòng)工作的,但機(jī)內(nèi)的直流電壓等級(jí)需求較多,一般用電力電子器件實(shí)現(xiàn)直流/直流變換和開關(guān)。大多數(shù)高層建筑使用的高速電梯一般是直流電梯,具有速度快(梯速在2 m/s以上)、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。

2.2 智能建筑交直流混合供用電系統(tǒng)

結(jié)合上述直流負(fù)荷的發(fā)展,交直流混合供用電系統(tǒng)示意圖如圖1所示,其中實(shí)線線段表示能量流,虛線表示在未來(lái)新技術(shù)新設(shè)備發(fā)展充分場(chǎng)景下可能的能量流,箭頭表示能量流的方向[4]。

從圖1可以看出,智能建筑引入直流供用電系統(tǒng)后具備以下特征。

(1) 由傳統(tǒng)的市電交流母線供電發(fā)展成為交流和直流雙母線協(xié)同供電模式,兩條母線的耦合點(diǎn),包括交流/直流變換器和電動(dòng)汽車充電站,可以認(rèn)為是廣義的能源路由器,是“雙碳”目標(biāo)下衍生出的能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵要素。

(2) 建筑電氣系統(tǒng)具備了反向饋電的主動(dòng)性,除了可能建設(shè)的自備電源、儲(chǔ)能和車到網(wǎng)饋電電動(dòng)汽車外,屋頂光伏發(fā)電本身就有可能向市電系統(tǒng)提供額外的功率,因此在電力進(jìn)線處的能量計(jì)量等相關(guān)技術(shù)也需要相應(yīng)提升。

3 智能建筑運(yùn)行關(guān)鍵電氣技術(shù)

3.1 智能電表及其量測(cè)技術(shù)

圖1中,能量流的反向饋送直接對(duì)能量計(jì)算設(shè)備提出新要求。目前,智能電表新技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)在雙向計(jì)量的基礎(chǔ)上,提出了5G通信、實(shí)時(shí)傳輸、大數(shù)據(jù)挖掘等適應(yīng)快速發(fā)展需求的新功能。

3.2 建筑體能耗特性挖掘技術(shù)

理解建筑體能耗特性,是為其制定能源消耗策略、參與智能電網(wǎng)需求響應(yīng)的前提條件。智能電表提供的量測(cè)大數(shù)據(jù),在非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)支撐下,可以實(shí)現(xiàn)各類負(fù)荷的精細(xì)化分解和認(rèn)知,從而在不額外增加侵入式傳感器的情況下,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷特性分析。

3.3 建筑體能源消耗個(gè)性化定制

能耗特性認(rèn)知有利于提高建筑運(yùn)行者的能源意識(shí)和認(rèn)知,更有利于其制定符合自身需求的用能策略,從而充分參與節(jié)能減排和需求響應(yīng),在正常用能的前提下,推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從智能建筑用能視角,探討了未來(lái)建筑電氣的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向。首先,從屋頂光伏清潔能源引入,討論了智能建筑電氣技術(shù)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。其次,以交直流混合供用電系統(tǒng)為核心,詳細(xì)闡述了直流用電的發(fā)展和潛力。最后,結(jié)合智能建筑運(yùn)行這一長(zhǎng)期的碳排放階段,討論了在屋頂光伏和交直流混合供用電基礎(chǔ)上的新技術(shù)需求與發(fā)展。

在碳達(dá)峰和碳中和背景下,建筑電氣必然向著更節(jié)能、更綠能、更智能的方向發(fā)展。總體能耗的降低、清潔能源的使用、基于大數(shù)據(jù)和分布式互動(dòng)的用能自主決策將是大勢(shì)所趨。而支撐這一趨勢(shì)的分布式光伏發(fā)電技術(shù)、直流配電技術(shù)、智能電表量測(cè)技術(shù)以及相應(yīng)的運(yùn)行決策技術(shù),也將在一段時(shí)間內(nèi)成為建筑電氣變革升級(jí)的焦點(diǎn)。