绿色建筑电气节能设计与能源管理系统可行性研究及解决方案

李莉芳, 沈 飞

(1.青海省建筑勘察设计研究院股份有限公司, 青海 西宁 810001;2.安科瑞电气股份有限公司, 上海 201801)

0 引 言

自国家提出公共建筑节能改造以来,各省市相继采取相关措施,如建立能源管理系统、制定用能评价指标体系、制定各机关单位用能定额等,以响应国家关于公共建筑节能的号召。因此,加强节能降耗成为全社会共识,节约能源、提高能源利用效率成为社会可持续发展的重要因素,更是构建和谐社会的基础。

电能作为维持建筑运行的主要能源之一,对其进行合理地利用和管理,以达到节能降耗的效果,这是绿色建筑必须采取的措施。因此,研究绿色建筑电气节能与能源管理技术具有重要的现实意义[1-4]。

目前,建筑综合能源管理系统应用广泛,利用其对建筑能源进行综合分析与管理,对有效降低建筑能耗、提高绿色建筑环保水平具有指导意义。建筑电气节能关键技术主要包括可再生能源利用、供配电系统节能、电气照明节能、综合能源管理系统[1-2]。

1 可再生能源利用

可再生能源系统是指在一个区域内将太阳能、风能、水能、地热能、生物质能等能源进行综合利用和转换的技术集成系统。在可再生能源产业中,太阳能具有清洁、可再生等特点,被称为新能源。太阳能光伏发电在新能源领域最具有经济潜力,近年来发展迅速。

光伏发电监控系统提供相关解决方案,针对光伏发电每个环节电力参数检测的需要,安科瑞电气股份有限公司(简称安科瑞)推出了AGF系列光伏汇流采集装置、PZ系列直流检测仪表及APM系列电力质量分析仪,分别应用于汇流箱、直流柜及交流柜中,通过Acrel-2000 V8.0建筑光伏发电监控系统实现光伏电池、汇流箱、直流柜、逆变器、交流柜等运行参数和状态数据采集,进行监视、控制和调整,以提高发电系统的效率。

光伏监控系统架构如图1所示。

图1 光伏监控系统架构

建筑光伏发电系统终端产品如下。

(1)智能光伏汇流箱,主要功能是对光伏电池阵列的输入进行一级汇流,提供汇流防雷功能的同时,还监测光电池板运行状态,汇流后采集电流、电压、功率、防雷器状态、直流断路器状态,具有继电器接电输出等功能,可选风速、温度、辐照仪等传感器接口功能。

(2)光伏直流柜汇流采集装置,对多路汇流支路电流、母线电压进行监控,监视断路器、防雷器等状态,控制继电器输出,用于鼓风降温。配合外部霍尔传感器进行多路电流隔离测量,安全性高,实现功率及电能测量;可直接测量直流母排电压最高直流1 kV(省去电压霍尔传感器,仅限16外形);具有内部测温功能;标配RS-485接口。

建筑光伏发电系统主要功能如下。

(1)系统运行监视和控制。系统监控提供功能选择画面,并对光伏阵列现场环境进行实时监测与显示,如室外温度值、风速、风向、光照强度等。并且可分区域实时监测各光伏阵列的充电电压及电流、蓄电池电压及温度等信息,并对故障点进行异常显示与报警提示。

(2)逆变器用电趋势曲线分析。监控系统可绘制与显示逆变器电压-时间曲线、功率-时间曲线、直流侧输入电流实时曲线、交流侧逆变输出电流曲线等,并采集与显示各逆变器日发电量等电参量。

(3)历史数据管理。监控系统可针对光伏发电现场的各种事件进行记录,如通信采集异常、开关变位、操作记录等,时间记录支持按类型查询,并可对越限报警值进行更改设置。

(4)日发电趋势分析。系统提供实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面,反映出每天24 h内光伏发电量与该日日照强度、环境温度、风速等的波动情况。

光伏发电监控系统界面如图2所示。

图2 光伏发电监控系统界面

2 供配电系统节能

电能质量分析与治理系统为供配电系统节能提供解决方案,主要解决传统供配电系统中的无功补偿和谐波治理问题,使谐波指标满足国家标准,避免供电部门罚款或中断供电;提高电能功率因数,降低变压器损耗,达到节能的目的;减少谐波污染,降低谐波对自动控制装置、电能计量装置、继电保护装置的干扰,保证供配电系统安全稳定运行;避免谐波过电压和谐波过电流对电气设备的危害,延长设备使用寿命。

安科瑞为供配电系统节能提供的对应产品有有源电力滤波器、低压无功功率补偿装置、静止无功发生器、混合动态滤波补偿装置、混合动态消谐补偿装置、智慧型动态无功补偿装置、谐波保护器等。

(1)有源电力滤波器。通过三相变流器向系统注入补偿电流,实现滤除谐波的功能,保证最终流入电网电流是正弦波,适用于并联在含谐波负载的低压配电系统中,能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。

(2)低压无功功率补偿装置。集无功补偿、电网监测于一体,通过投切电容器组来补偿电网中的无功损耗,提高功率因数,降低线损,从而提高电网的负载能力和供电质量;能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等电量参数。该补偿装置并联在整个供电系统中,能根据电网中负载功率因数的变化控制电力电容器投切。

(3)静止无功发生器。该装置是用于补偿无功以及三相不平衡的新型电力电子装置,能对无功以及负序进行快速和联系的补偿,可克服传统的无功补偿器响应速度慢、补偿效果不能精确控制、容易与电网发生并联谐振和投切振荡等缺点。

(4)智慧型动态无功补偿装置。该补偿装置是一种用于补偿无功,实现无极补偿效果的新型电力电子装置,可以主动根据系统线性动态需求,自动调节有源及无源模块的输出配比。

(5)混合动态滤波补偿装置。主要用于补偿电网中的无功电流、谐波电流以及不平衡电流等,达到提高用电效率、节能以及改善电能质量的目标。该补偿装置突破传统无功补偿技术,在有效降低成本的同时实现谐波治理与无功补偿。

(6)混合动态消谐补偿装置。以并联方式接入配电系统,实时监测系统的电流分量,通过控制计算及逻辑变化,计算出系统所需的无功分量及谐波分量,然后通过三相全桥换流电路实时产生系统所需要的无功与谐波电流注入到配电系统中,在补偿无功的同时可兼治系统的谐波。

电能质量分析与治理系统适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的无功补偿、谐波抑制及综合治理等,可根据不同行业类型和负载类型的电能质量问题提供合适的设计解决方案,以达到改善供电质量和确保电力系统安全经济运行的目的。

电能质量在线监测与治理系统架构如图3所示。

图3 电能质量在线监测与治理系统架构

3 电气照明节能

大型公共建筑对照明设计要求较高,不仅要控制照明光源的发光时间、亮度,而且需要与其他系统来配合不同的应用场合做出相应的灯光场景。

智能照明系统采用与KNX兼容的Acrel-Bus总线组网方式,通过IP网关接入智能照明控制系统,实现定时控制、高峰全开、亮度调节等各种场景控制,使照明系统按照预先设定的各种模式工作,改善空间光色、立体感、色饱和度,营造舒适宜人的灯光效果。

智能照明系统架构如图4所示。

图4 智能照明系统架构

大型公共建筑项目中的路灯、庭院灯、草坪灯等室外景观照明部分均建议采用太阳能发电系统供电,同时室内电气照明中所有照明光源、电源附件均选用高效、节能型产品,做到既满足照明质量又节约能源。智能照明系统建筑剖面图如图5所示。

图5 智能照明系统建筑剖面图

采用Acrel-Bus智能照明控制系统既可实现照明灯具的远程集中控制,又可实现就近控制功能,其灵活多样的智能化控制及庞大的设备容量,特别适用于医院、学校、酒店及各类体育场所、机场、隧道等大型公建项目照明系统的智能化控制;丰富多元化的控制功能以满足任何个性化的需求,并达到节能效果。

(1)光照度监测,根据自然光照度变化,对照明区域进行照明控制和调节,满足照明和节能要求。

(2)公共区域、走廊、通道、门厅、电梯厅等设置红外或微波类人体感应器,并结合智能控制面板实现各种场景照明控制,尽可能减少灯具点亮时间。

(3)楼梯间照明采用人体感应探测控制方式。

(4)设备房、设备房走道采用分组就地控制方式。

(5)室外路灯、景观等照明采用光照度控制结合时控的集中控制方式。

(6)监控系统界面友好,实时显示各区照明工作状态。

(7)具有完善的用户权限管理功能,避免越权操作。

4 综合能源管理系统

Acrel cloud-5000综合能源管理系统适用于各行业的大型公共建筑,如政府办公建筑、工厂、教育建筑、医疗建筑、商业综合体等,可通过局域网、互联网或者4G网络采集不同区域多个建筑或单位的用能数据。

系统在电能数据采集的基础上增加对水、气、煤、油、热(冷)量数据以及光伏、风力、储能等新能源数据的集中采集与分析。通过对建筑能源消耗按照区域、部门、用电设备类型进行细分和统计,提供同比、环比分析比较和用能数据追溯,同时提供尖峰平谷各时段用能数据和报表,帮助用户梳理能源账单明细和制定能源绩效考核。

Acrel cloud-5000综合能源管理系统以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况,便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯,有效节约能源,为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

综合能源管理系统界面如图6所示。

图6 综合能源管理系统界面

5 解决方案在建筑电气节能方面的应用

我国建筑能耗在总能耗中占很大比重,建筑节能是当下急需解决的问题。在建筑能耗中,建筑电气能耗占80%以上,是建筑能耗的重要组成部分,因此解决建筑电气的节能问题刻不容缓[2]。

近年来,安科瑞为大型综合商业建筑用户端提供的建筑光伏发电监控系统、电能质量在线监测与治理系统、智能照明系统、综合能源管理系统等一系列解决方案。其充分利用大数据、物联网、多套系统协作等先进技术,对建筑能源消耗进行可视化管理,提高用能效率,为有效降低建筑能耗提供数据支撑,保证了建筑各系统的安全、稳定、高效运行。

6 结 语

可再生能源利用、供配电系统节能、电气照明节能、综合能源管理系统所构成的建筑电气节能技术是构建绿色建筑概念的关键。光伏监控系统、电能质量在线监测与治理系统、智能照明控制系统、综合能源管理系统解决方案能提高用能效率,为有效降低建筑能耗提供数据支撑。