可再生能源及其监管系统

赵 慧, 宋 蒙

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安 710061)



可再生能源及其监管系统

赵 慧, 宋 蒙

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安 710061)

可再生能源监管是建筑智能化技术的拓展应用。结合GB 50314—2015《智能建筑设计标准》、《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》,研究了智能建筑中可再生能源的应用及其监管的内容、要求,分析了监测与管理在可再生能源利用的重要性,表明采取完善的监测和管理措施,可使各类可再生能源资源得到合理配置,提高资源的利用效率和效益,且能推进可再生能源工业的现代化进程。

智能建筑; 可再生能源; 能源监测; 能源管理

0 引 言

智能建筑向着绿色、生态方向发展,建筑、结构、设备均有了相应的变化,建筑设备中增加了能耗采集、可再生能源的利用设施和系统后,建筑智能化的内容也随之扩展,如各类机电能耗监控管理、可再生能源监控管理等。在扩展后的智能建筑组成中,能耗监管系统和可再生能源监管系统都隶属于建筑设备管理系统[1]。

1 建筑中可再生能源的应用

1.1 太阳能

目前,太阳能在建筑中的利用方式主要为太阳能光电利用技术、太阳能光热利用技术。从我国的实际情况和居民的经济能力看,太阳能光电技术成本过高,尚未能在建筑中大规模推广应用。太阳能光热利用技术是利用太阳能来满足建筑中热水、采暖、空调的需要,实现建筑节能的有效方法。

(1) 太阳能光电利用技术(光伏发电)最常见的应用为太阳能电池,但目前用于商业生产的太阳能电池效率只有13%～15%,而在实验室制成的太阳能电池效率仅为23%～24%。太阳能光伏电池制造成本虽逐年下降,但仍处于较高的水平,相应的发电成本与常规能源尚不具备可比性。目前,国内投入使用的太阳能光伏电池约为 6 万kW,在建筑中的应用尚处于示范与探索阶段。

从发展趋势来看,今后光伏建筑技术的应用重点将以开发高效率、低成本新型光伏电池为主,以并网屋顶系统和大型并网系统为主攻方向。20世纪 90 年代以来,许多国家对光伏并网系统很重视,美国开展了100万套屋顶光伏计划,德国推出了如10万套屋顶计划等。与国外相比,我国光伏建筑技术在应用上处于起步阶段,如 2007年首个小区屋顶太阳能发电系统在浙江慈溪市投用。该光伏电站每年发电 3～4 万kWh,电站所发的电能全部用于地下车库照明,在国内首次实现了居民住宅小区屋顶太阳能光伏并网发电系统的应用。

(2) 太阳光热利用技术主要用于热水、太阳房、太阳灶、采暖与空调、制冷等领域,其中技术最成熟、产业化发展最快的是家用太阳能热水器系统。

1.2 地热能

地热能分布相对比较分散,开采难度大,受资源条件限制。近年来,利用地表浅层地热的地源热泵技术得到了长足的发展。浅层地热包括土壤、地表水和地下水等蕴含的低品位热能,可认为是更为广泛意义上的地热资源。因地源热泵技术受地热资源条件的限制较小,因此在建筑中的应用最多。

地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性,通过消耗电能,在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方,在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中,达到降温或制冷的目的,同时还可供应生活用水。地源热泵系统包括三种不同的系统:利用土壤作为冷热源的土壤源热泵,又称为地下耦合热泵系统或地下热交换器热泵系统;利用地下水作为冷热源的地下水热泵系统;利用地表水作为冷热源的地表水热泵系统[2]。

2 可再生能源监管系统

2.1 系统结构

可再生能源监管系统应由可再生能源监测系统和可再生能源管理系统组成,如图1所示。

图1 可再生能源监管系统结构示意

2.2 可再生能源监测系统

根据《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》,可再生能源建筑数据监测系统主要通过安装数据计量和采集装置,对可再生能源建筑应用示范项目、太阳能光电建筑应用示范项目和可再生能源建筑应用示范城市/县的建设项目的运行情况进行实时监测和动态分析。按照类别，可分为太阳能热水系统、太阳能供热采暖系统、太阳能供热制冷系统、太阳能光伏系统、地源热泵系统和复合系统。

数据采集指标包括基本信息数据和监测指标数据两类。不同的可再生能源系统对应不同的监测指标。监测指标数据如表1所示。

表1 监测指标数据

可再生能源监测系统可基本设计如下:

(1)太阳能热水系统和太阳能供热采暖系统。

① 室外温度,在太阳能热水系统/太阳能供热采暖系统附近设计1个室外温度传感器(需有防辐射罩),当有多个系统时选择典型的系统。

② 太阳能总辐射,平行于太阳能集热器设1个太阳能总辐射传感器,当系统的多个采光面或倾角(倾角之差大于10°)设计有太阳能集热器时,则平行于每个采光面或者倾角的太阳能集热器均需设计1个太阳能总辐射传感器。

③ 集热系统进出口温度,在集热系统的进出管路上各设计1个水温度传感器。

④ 集热系统循环流量,在集热系统的进水管或出水管路上设计1个水流量传感器。

⑤ 辅助热源,当系统采用电热锅炉、电加热器、空气源热泵机组等作为辅助热源时,在系统(集中供热水箱或分户供热水箱)辅助热源的配电输入端布置电能表,数量根据系统辅助热源的配电系统情况确定。

(2)太阳能光伏系统。

① 水平、斜面太阳能辐射量,平行于太阳能集热器设1个太阳能总辐射传感器,当系统的多个采光面或倾角(倾角之差大于10°)设计有太阳能集热器时,则平行于每个采光面或者倾角的太阳能集热器均需设计1个太阳能总辐射传感器,接收水平太阳能辐射量。在太阳能集热器旁边固定设置1个太阳能总辐射传感器,接收斜面太阳能辐射量。

② 室外温度,在太阳能光伏系统附近设计1个室外温度传感器(需有防辐射罩),当有多个系统时,选择典型的系统。

③ 光伏组件背板表面温度,在太阳能光伏组件上设计1个温度传感器。

④ 发电量,在市电网进户端安装1个电量变送器,监测由市电网送来的电量;在市电网进户端安装1个电量变送器,监测由市电网输出的电量。

⑤ 电流、电压,在太阳能光伏系统上连接1个电压表和1个电流表。

(3) 地源热泵系统。

① 室外温度,在太阳能热水系统/太阳能供热制冷系统附近设计1个室外温度传感器(需有防辐射罩),当有多个地源热泵机房时,选择典型的机房。

② 系统热源侧、系统用户侧进出水温度,在地源热泵的热源侧和用户侧总进出水管各设计1个水温度传感器。

③ 系统热源侧、系统用户侧循环水流量,在系统热源侧和用户侧的进出管路上各设计1个循环水流量传感器。

④ 系统耗电量,在地源热泵系统的配电系统设计有独立的配电回路时,在总配电回路输入端设计1个普通电能表。当地源热泵系统的配电回路分散设计时,需要根据配电系统的实际情况确定普通电能表的数量。

⑤ 机组热源侧、机组用户侧进出水温度,在机组用户侧的进出管路上各设计1个水温度传感器。

⑥ 机组热源侧、机组用户侧循环水流量,在机组用户侧的进水管或出水管路上设计1个循环水流量传感器。

⑦ 机组输入功率,在所监测的地源热泵机组配电输入端设计1个功率传感器或普通电表。

⑧ 机组耗电量,在所监测的地源热泵机组配电输入端布置电能表,电能表的数量根据机组的配电系统情况确定。

⑨ 水泵耗电量,在所监测的地源热泵水泵配电输入端布置电能表,数量根据水泵的配电系统情况确定。

数据采集方式包括人工采集方式和自动采集方式。人工采集的数据为示范项目的基本信息以及需要人工定期填写的监测数据。自动采集的数据为监测指标,由自动计量装置实时采集监测数据,通过自动传输方式实时传输至数据中心。

2.3 可再生能源管理系统

把智能建筑中可再生能源采集到的数据进行监测、数据处理后,就需要将数据传入主控制器中进行处理、分析、判断。根据Frost & Sullivan公司的研究报告,使用能源分析软件可以减少高达15%的能源损耗,而使用能源分析报表可以确定能源使用的高峰期。对于分时计价的系统,通过能源分析软件,可以将能源负载移至非高峰期(低谷),实现消峰填谷,可以节省能源费用。能源数据判断机制是能源使用是否符合标准,从而给予快捷、直观的评价与施效,最后反馈至系统。

可再生能源管理系统主要由以下模块组成。

(1) 能源档案模块。在每次的新能源数据采集和处理后,定期进行数据的存储和管理,并对各个设备的异常状态进行标注,不仅能对能源的使用有直观的了解,更能对未来能源的使用进行趋势显示,对新能源的使用和管理提供可靠数据。

(2) 能源分析模块。数据采集完成后传入主控制器,需要对可再生能源的使用进行分析,然后进行图像或表格绘制,了解能源负载使用的高峰期、能源的使用率等,从而转移能源负载使用时间,实现消峰填谷的现象。

为了能够满足各种用户的需要,能源分析模块需要将采集的数据进行自动的表格绘制。为了更加清晰、直观,还应绘制出与其他能源消耗对比的图像[3]。

(3) 能源反馈模块。当使用可再生能源时,使用智能化技术来确保能源的使用安全。在太阳能热水/采暖供热系统中,如果监测系统检测到集热器的出水温度过低,则集热器会转动角度跟随太阳方向,以便实现集热器采集到更多太阳光。系统会将温度反馈至主控制中心,当达到户主设定集热器采集温度时,集热器停止转动,从而实现能源反馈。太阳能供热制冷系统,需要监视太阳能上水泵、热水循环泵和热媒水循环泵的运行状态及水温,水泵发生故障时报警;水泵中的水到达上限或下限时,及时进行进水或排水;当水温过高或过低时,及时从进水口进冷水或热水,从而实现系统的稳定运行。

(4) 能源成本模块。根据能量表的数据和费率情况,用户较容易地分析能源费用,确定设施能耗的基准,计算出效率,再进行调整,测算能源减少策略对成本的影响,更好地管理预算和精确预测未来成本。

在成本管理中应有账单校对,即比较计算值与实际发票金额,检查帐单的问题。用户也可以手动输入发票上的数据建立历史基线;成本分析,即在一个站点或多个站点中,子能量表或多个主能量表影响总能耗成本;成本排列,即以确定最经济的能源,基于室外空气温度和面积将数据程式化。预算报告,即用户可以输入预算或使用历史数据所产生的数据,然后根据实际发生的费用作出预测报告，提前采取预防措施。假设分析,即预测未来成本用户以不同的消耗模式和不同程度的需求作为变量,采用不同的策略分析节能;费率的比较,即分析可替代的费率和能源在实施前,确定有效的能源使用策略。

可再生能源监管系统能够为实现低碳经济下的绿色环保建筑提供有效支撑,确保了新能源使用的可持续发展。

3 结 语

本文主要介绍了可再生能源在智能建筑中的应用及其监管系统,表明采取完善的监测和管理措施,不仅可以使各类可再生能源得到合理配置,提高资源的利用效率和效益,而且能够推进可再生能源工业的现代化进程,实现各类可再生能源对传统能源的合理替代,保证经济、社会、环境的可持续发展。

近年来,为了使新能源得到充分的开发和利用,可再生能源监管系统已成为使用新能源最为重要的一部分。因此,发展可再生能源,建立可再生能源监管系统,成为今后能源领域的重点。

[1] 王娜,沈国民.智能建筑概论[M].北京:中国建筑工业出版社,2010

[2] 王娜,李界家.智能节能技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[3] 智能建筑设计标准:GB 50314—2015[S].

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Renewable Energy and Its Monitoring and Management System

ZHAO Hui,SONG Meng

(School of Electronic & Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

Renewable energy regulation is the development and application of intelligent building technology.Combining by GB 50314—2015 and the “Technical Guideline for Data Monitoring System of Renewable Energy Building Application Demonstration Project”,this paper researched the application of renewable energy in intelligent building and the contents and requirements of its supervision,and analyzed the importance of monitoring and management in the utilization of renewable energy.The results show that the perfect monitoring and management measures makes all kinds of renewable energy resources have reasonable configurations which improves the use efficiency and benefits of renewable energy,and promotes the industry modernization of renewable energy.

intelligent building; renewable energy; energy monitoring; energy management

TU 201.5

B

1674-8417(2016)10-0021-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.007

2016-10-08

宋 蒙(1993—),女,研究方向为建筑智能化。