绿色建筑复合新能源系统施工运行技术研究

张 扬 卢 骜 戴 力 王 震 陈树秀

储能技术能够将无法长期存储的能量转化为可存储的能量，当能量需求较高时可以直接转化成所需能量，确保能量稳定供给[1]。目前，电能存储技术主要包括光伏储能技术、冰储能技术和化学储能技术，要根据储能要求采用不同的储能技术存储电能。

新能源系统是绿色建筑施工过程中的关键能源系统，既能保证建筑工程质量，又能够节省材料，还能节约施工运行能耗，对环境保护具有重要作用[2]。在绿色建筑施工过程中，光伏发电容易受到气候环境影响，导致新能源施工设备的功率出现大范围波动，给新能源系统造成负面影响[3]。

绿色建筑储能技术能存储光伏发电的电能，有效避免新能源发电输出功率产生波动。在光伏发电施工设备运行过程中，若因天气影响无法发电则可用复合新能源系统供电，这样能避免施工设备异常，确保绿色建筑施工有序进行[4]。为了维持新能源系统的施工稳定，本文主要研究绿色建筑分布式光伏、冰储能、化学储能、复合新能源系统施工运行技术这一课题。

1 绿色建筑储能技术

1.1 光伏储能技术

光伏系统由许多装置构成，其核心原理是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能。该系统通过负载接收能量，通过控制器控制电池功率，进行能量转化和存储，保证装置的用电环境[5]。光伏列阵是由一系列光伏电池串联和并联封装而成，它能够将太阳能转化为可直接使用的电能。蓄电池是光伏系统的储能部分，作用是储存太阳能转化的电能，为负载及时供电。光伏储能原理，如图1 所示。

图1 光伏储能原理示意图（来源：网络）

变换器作用是将控制器输出电压变换成适合施工运行的电压，主要有两个变换过程，DC-DC 和DC-AC[6]。当太阳光照射在电池板上时，太阳辐射能被PN 结吸收产生电子，P 区域与N 区域之间形成电势差，接入负载后产生电流形成电能，光伏电流计算公式为：

式中：In为电池转化后的电流；Ip为电池故障电流；Id为流经二极管的电流；Ir为并联电阻的电流；Iu为逆向电流；ε为玻尔兹曼常数；Q为电荷；A为光伏电池输出电流；V为光伏电池输出电压；T为光伏电池充放运转周期；Rb为内部串联电阻值；Rs为内部并联电阻值。

在光照强度变化时，光伏储能设备能够快速收集振荡能量并向蓄电池供电，有效避免了设备供电隐患，保证供电稳定性。

1.2 冰储能技术

冰储能设备主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀组成，其原理是将蒸汽压缩制冷形成冷循环[7]。在设备运行过程中，要根据制冷剂进入压缩机的状态增加或减少饱和蒸汽，根据制冷剂输出压缩机的状态判断饱和液体的汽化情况，压缩机能量平衡公式为：

式中：为制冷剂质量流量；h1为制冷剂进入压缩机的状态时的制冷焓值；h2为制冷剂输出压缩机状态时的制冷焓值；M为压缩机输入功率；Qc为压缩机损耗能量。

1.3 化学储能技术

化学储能反应速度快，价格低廉，具有安全和环保的优势，在绿色建筑施工领域应用较为广泛。化学储能中存在多种热化学反应，如无机氢化物受热能分解出CaO、H2O 和MgO 等物质。Ca（OH）2和Mg（OH）2是 化学储能应用最多的无机氢化物，其中Ca（OH）2粉末的热解温度较高，适用于高温储能；Mg（OH）2粉末的热解温度相对较低，适用于较低温储能。

Ca（OH）2化学储能体系的反应式为：

Mg（OH）2化学储能体系的反应式为：

式（3）的储能密度约为3 GJ/m3，反应温度约为500 ℃[8]。式（4）的储能密度约为4 GJ/m3，反应温度为200 ～300 ℃。CaO 与H2O 发生反应释放的热能，通过化学热泵转化为其他能量形式，为设备运行提供能量。

2 复合新能源施工运行技术

2.1 提取复合新能源系统施工运行的特征

在施工过程中应用储能技术，需要在新能源施工设备上安装对应的储能设备[9]。本文按照光伏储能、冰储能和化学储能接入电网的方式，提取复合新能源系统的施工运行特征，辨识复合新能源系统施工运行状态。在新能源系统施工运行过程中，将新能源与一般负荷混合，接入分布式新能源后将新能源并入电网，如图2 所示。图2 中，虚线框内为新能源系统，通过接入点接入电网后，与新能源储能机组组成送端电网。接入点范围只有新能源储能设备，因此更容易辨识新能源系统的施工运行状态。

图2 复合新能源系统示意图（来源：网络）

在复合新能源施工运行过程中，新能源与一般负荷数据需要满足式（5）至式（8）的关系。

新能源施工运行在系统显示的母线侧数据特征量表达式：

式中：xN为运行特征量在新能源系统中的含量；xg为运行特征量在一般负荷中的含量。

新能源系统施工运行数据的表达式为：

式中：kN为运行特征量在新能源系统中的数据比例系数。

一般负荷数据表达式：

式中：kg为运行特征量在一般负荷数据中的比例系数。

母线侧数据表达式：

满足以上关系后，根据设备施工运行中的谐波幅值变化均衡各设备负荷，保证新能源系统的整体运行效果。

2.2 控制绿色建筑新能源施工运行的能耗

绿色建筑的目的是节约建设资源和降低建设能耗，因此要利用光伏储能、冰储能和化学储能等设备为建筑施工提供能源：利用光伏储能设备供给电能；利用化学储能设备供给热能；利用冰储能设备提供冷风。在施工过程中，采用光伏储能设备临时供电能控制用电能耗；采用化学储能设备燃烧燃料能控制燃料能耗；采用冰储能设备传输冷风能控制制冷能耗。

在能耗控制方面，分别设定生产、生活、办公以及施工设备的用能控制指标，并严格控制噪声和扬尘等污染，最大限度降低施工运行能耗。

3 实例分析

3.1 工程概况和应用情况

为检验本文设计的施工运行技术是否具有实用效能，以某儿童医院绿色建筑工程为例，分析各项施工运行技术的应用。该儿童医院绿色建筑工程的建筑用地约825460 m2，建筑面积约176245 m2，病房楼共20 层，建筑高度约90 m，其余建筑的建筑高度约25 m，施工场地标高为5.92 ～9.05 m。考虑到医院的特殊性，将施工总体目标定为控制污水、噪声、粉尘及有毒有害物的排放。

该工程利用新能源设备，合理分配施工设备的经济负荷。在前一时刻机组供能过程中，确定下一时刻机组供能的上限和下限，确保施工运行的经济负荷处于平衡状态。储能设备的使用以光伏储能设备为主，冰储能设备为辅，化学储能设备作为补充。施工设备中光伏设备较多，因此光伏设备施工运行供能较大，当其供能降低时，增加冰储能设备供能，以此保证工程的整体施工运行效果。复合新能源设备在施工运行过程中的供能情况，如图3 所示。

图3 复合新能源施工运行供能情况（来源：网络）

3.2 应用结果

在施工前随机选取钢材、混凝土、木材和模板等建筑施工材料，估算这些材料在使用复合新能源系统时的使用量。

施工完成后对比选取施工材料用量的实际值和预估值，差值越大说明节省费用越多，节能效果越佳。此外，通过对比发现，采用该施工运行技术，钢材、混凝土、木材、模板等建筑施工材料用量减少，总计节省费用557640 元。施工材料用量和费用对比，如表1 所示。

表1 施工材料用量和费用对比

施工中，通过使用新能源设备，将施工噪声控制在41 ～52 dB，白天和夜晚的施工噪声均满足噪声标准。施工现场扬尘标准为1.5 m 内目测无尘，实际扬尘控制达到1.0 m 目测无尘，扬尘控制效果较好。生活污水经隔油池处理达到三级排放标准。除此之外，该项目有毒有害的物质消纳单位处理率达到100%，满足绿色健康施工的要求。该项目污染控制结果，如表2 所示。

表2 污染控制结果

该项目的应用结果说明采用本文设计的施工运行技术能够保证施工的整体节能和环保效果。

4 结语

在大风和雷雨等不良环境下，无法使用光伏发电设备和风能发电设备，会延长施工工期，影响绿色建筑整体施工效果。本文针对新能源系统施工问题，设计了绿色建筑分布式光伏、冰储能、化学储能、复合新能源系统施工运行技术，保证复合新能源施工运行效果，为绿色建筑的有序施工提供保障。