变电站建筑太阳能一体化研究

万吉祥（四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都610041）

变电站建筑太阳能一体化研究

万吉祥（四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都610041）

我国中西部有广大的高原、山地等自然资源充沛的地区，随着我国发电能源由传统的化石、水等传统二次能源向风、太阳、潮汐等新一次能源的转变，国家政策支持下的新型清洁环保的新能源发电方式更符合资源节约型、环境友好型的发展理念。因此，与之相匹配的送变电工程也更多地向风大光照强烈的地区集中。

1 引言

目前，国内建筑能耗占社会总能耗的比较大，热水、空调和采暖能耗占建筑能耗的65%左右，而综合利用太阳能，实现太阳能建筑一体化及太阳能光热光电综合应用一体化，可节约建筑能耗约50%。针对变电站建筑需求提供一体化解决方案。

从国家政策层面上看，提倡节能减排的发展模式，用科技创新逐渐代替低附加值的发展方式，大力发展绿色建筑；

从行业内部要求上看，国家电网公司基建部在全国企业内部推行两型一化、全寿命周期的建设理念；并且在《国网基建部关于发布设计新技术推广应用实施目录（2014年版第一批）的通知》中，就变电站太阳能技术的应用提出了详细的要求；

从地方行业标准上看，举例如 《四川省绿色建筑评价标准》规范5.2.8条中表述：太阳能资源较丰富的二类及以上地区，选择适宜的太阳能系统用于采暖、制冷、照明或热水供应。

因此，在日照条件充足的地区，有条件的地方实现变电站太阳能一体化设计施工，让设计和施工两者做到同步规划、同步设计和同步施工。让太阳能与建筑结合是让太阳能利用与建筑设计有机地成为一个整体，让已经成熟的建筑太阳能利用技术及产品与建筑设计有机结合，成为低碳、节能、环保的绿色建筑。

2 变电站建筑的特点

常理来说，变电站分为两种：主变压器在室外的常规变电站和主变压器在室内的城区户内变电站。前者占地小且多为单层建筑，后者占地大多为多层建筑（有时还有地下层）。

由于国网正在推行无人值班的智能化变电站，最终的结果是变电站内实现运行、管理和维护的无人化全过程。因此以往变电站内有关办公、住宿的功能用房全部取消，非生产部分仅保留公厕、资料室等供有人检修、存储的一般性功能用房。因此生产性厂房内几乎均为配电装置室和二次设备间、蓄电池室等生产用房。

3 建筑太阳能利用的特点

根据现有技术和实际使用情况看，建筑太阳能利用分为光转热和光转电两种利用方式，简言之就是太阳能发热和太阳能发电。

建筑太阳能发热利用分被动式和主动式两种。前者利用太阳东升西落、在南北回归线纬度内循环直射的自然条件，根据建筑所在地积极地采取设计措施来充分利用太阳日照本身的带来的自然照明、自然加热并利用受热不均引起的不同部位的温差引导气流的组织而形成风。例如：北半球建筑有日照采暖需求的房间布置在南侧或偏南侧，这样保证一年四季均可以享受到日光浴。

主动式太阳能利用，主要方法是根据建筑使用功能，利用光转热、光转电等设备，给这些房间辅助加以提供采暖或照明。光转热的话，常规在屋顶上与水平面呈45°角朝南向设置真空太阳能吸光管，利用真空管内部的黑色吸热材料持续吸热，管内的热量通过支管-主管最终以热能的形式储存或释放出来。为什么是储存或释放呢？这是根据搜集后的热源使用方式的不同而区分的。由于太阳仅在白天才有，如果使用房间也仅仅需要白天时候取暖，那么采用风机直接将汇到总管的热量“吹”向使用房间，只需要加设温度控制阀和风速联动装置调节室内温度即可；如果使用房间昼夜对室内温度均有加热保暖的要求，那么之前即时性的风暖装置在晚上就无法使用，这时就须引入一个储热装置，将白天集热管内聚集用不完的热能储存至水或油的介质中，到夜晚再将其释放至房间内，达到昼夜均可以加热的效果。

值得注意的是，建筑太阳能被动式或主动式利用，两者并不相矛盾或冲突。前者更多体现在建筑设计方案，后者更多体现在建筑设备中。两者相辅相成，提倡以前者为主，后者辅助，共同作用达到最终效果。

建筑太阳能发电，由于屋面光伏效应较光热相应转换效率较低，加之屋面面积有限，因此难以形成较强电势的电能。加上光伏发电及时在日照强烈的白天，也易受云朵、短时天气的变化而影响发电的稳定性。因此须要加设一个储电蓄电池，为建筑内用电点提供稳定可靠的直流电能。

就如之前说的，有限的光伏效应加上功率较小的直流电源，导致其所服务的用电设备在建筑上只能是节能灯这样的低功耗用电点。诸如空调、电机、电源插座等功率较大的电源还需要建筑配电单独设计。其使用效果最多作为一种补充。

4 变电站建筑的太阳能利用特点

前两部分已经就建筑的太阳能利用和变电站建筑的特点分别进行了简要的阐述。那么在变电站建筑中如何做到太阳能的有效合理利用呢？

（1）需要对变电站所在地进行评估，第一要素就是根据我国太能能分布区划图，判断所在地是否属于太阳光照强度Ⅱ类及以上地区。因为这一切的前提都是要求有好的日照条件，假若选择日照不强烈的地区，虽然也可以带来光热或光电转换，但效果必然打折。

（2）结合政策、当地条件因地制宜，有针对性地做到太阳能利用。通俗来说就是，在国家或地方鼓励利用太阳能的地区，积极争取相关政策或资金支持。在这根据当地气候或使用条件，配合暖通和电气专业看是否需要加设太阳能装置。例如，如果当地不需要采暖或者变电站内长期供有大量多余的自用电，那么使用光热或光伏系统就是值得商榷的事情。

（3）如果确定加设太阳能装置，那么在建筑前期的设计阶段就要引入太阳能装置的安装和建筑立面及构造的关系。例如太阳能板本身需要朝南并与水平呈45°角架设安装，那么可以在建筑设计阶段将屋面设计成坡屋面或者局部坡屋面，保证南向的屋面呈向阳的倾斜状。如果收建筑占地面积不大等外部条件制约，屋面即使全部放置太阳能板也无法满足室内房间对热能和电能的使用要求，可以考虑在建筑南向外墙上加设太阳能板。这种方式需要在建筑外墙的构造上提前做好设计前期协调工作，建筑上保证外墙耐火极限和耐久性的相关规范要求，结构上满足荷载安全使用要求，暖通电气上满足管道电线敷设要求：需要各专业积极配合，并结合建筑外立面美观大方的原则做到同步设计。

（4）需要指出的是，变电站建筑为工业厂房，建筑内的配电间安全等级十分重要 （如若故障停电导致电网大面积停电所带来的衍生破坏十分严重），结合考虑今后的发展想象是少人至无人值守，因此对站内建筑的设备使用的安全和可靠性提出较高的要求。

10kV及以上高压配电间内电气柜对室内温湿度无较高要求，暖通加设的轴流排风机即可满足其对室内散热的要求，由于自身发热，因此即使室外低温环境对其无太大影响因此不考虑光暖转化。二次设备间内为低压继电保护电气柜，其室内对温湿度有较高要求，夏天过热或冬天过冷都需要空调或加热器对其进行温度控制。因此其室内过热或过冷均不可。这就可以采用光暖转换装置，对其室内温度进行人工控制。至于光伏发电，由于适用对象均为室内节能灯，不受房间限制，均可以采用光伏装置。

即使通过计算得出，某变电站采暖和室内照明利用太阳能完全达到负荷要求，本着可靠安全的原则，我们还是要采用双电源系统和两套采暖方案。以防因极端气候或太阳能装置设备问题带来的影响变电站正常投运的使用要求。因此在实际工程中需考虑到这一点。

5 总结与思考

在变电站建筑太阳能利用的研究中，如何在顺应国家大趋势与政策导向的前提下，有理有礼有节地针对特定地区的特定变电站进行建筑太阳能设计显得尤为重要。在天时地利人和的前提下，因地制宜进行变电站太阳能设计符合国家节能减排和行业绿色建筑发展的理念。

变电站建筑太阳能设计可以利用建筑形体的变化和外立面材料颜色的统一，力争让太阳能装置与建筑外观融为一体，体现建筑精细化设计并展现国家电网公司务实、高效的企业文化特点。

特别要指出的是，对变电站建筑太阳能设计还要考虑其经济性。我们不提倡花大价钱半不经济甚至亏本的买卖。以2015年计划建设的四川阿坝红原地区220kV常规变电站举例，其单层主控通信楼建筑占地面积为550m2，仅做储能式光热系统总投资为55万元，以上网电价0.55元/度的当时条件，并考虑实用期间的运行维护成本，计算得出成本回收期约为7年。经比对，具有一定经济效益，符合大量投产使用的要求。

［1］张 雄，张永娟.建筑节能技术与节能材料.化学工业出版社.

［2］杨金焕.太阳能光伏发电应用技术（第二版）.电子工业出版社.

TM615

A

2095-2066（2016）28-0186-02

2016-9-20

万吉祥（1984-），男，工程师，硕士研究生，主要从事变电工程设计工作。