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建筑电气节能减排措施和光伏新能源的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-05-09  来源:中国建筑电气网  作者:朱甫泉 朱永强
1 前言
 
“世界可持续发展工商理事会”发布报告称,目前全世界建筑物能源消耗占全社会能源消耗总量的40%,是工业能耗的1.5倍。要实现“全球气候目标”,建筑物能耗是最为关键的因素,这份名为《行业转型:建筑物能源效率》的报告认为:至2050年,使建筑物的能源使用量减少60%是实现“全球气候目标”的关键。通过大规模运用节能技术,到2050年建筑物可节约的能源总量相当于全球运输业目前所使用的能源总量。报告以巴西、中国、欧洲、印度、日本和美国为研究对象,指出这六个地区的GDP占全球总量的约50%,消耗了全球近三分之二的主要能源。将既有建筑改造成高能效建筑,报告中的六个地区一年共需4000亿美元。
 
节能和减排,两项约束性指标已成为衡量经济社会发展的重要条件。以下的几种优化设计,在不增加设计、施工人员工作量的同时,有效的节省材料,减少工程量并提高了工程项目的安全可靠性,例如利用高层建筑自身钢筋网做防雷接地装置、需要系数法的负荷计算调整以及高效光源、节能灯具及附件的推广运用等。这仅仅是建筑电气一个专业进行节能减排改造的很小一部分,所以建筑物节能减排、降耗低碳改造的潜力是很大的。
 
2 建筑电气节能减排优化设计点滴
 
(1)利用建筑物结构钢筋网建立更安全的防雷接地系统
 
1)高层建筑占地面积不大,一般为钢筋混凝土框架结构或钢结构,将屋面、各层结构板、墙体、柱、梁板和基础的钢筋网通过焊接或绑扎,形成众多闭合的电气通路(即法拉第笼),可确保人身安全,避免接地故障引起的电器设备损坏和火灾。即使建筑物顶部遭雷击,其内、外连通结构的垂直导体电位也很小,不会超过允许的接触电压范围。
 
2)高层建筑内电气系统繁多,如配电、动力、照明、电子信息系统等,采用联合接地可使接地系统涉及到建筑物各个角落,系统更统一,不仅省去了多个接地系统不易管理、维护的麻烦,还可以满足接地系统低电阻值的要求。
 
联合接地系统的优点归纳起来有以下几点:
 
①充分利用自然接地体,如水暖管、中低压铠装电缆的铠装和基础钢筋等。人在建筑物中,其站立处距基础钢筋L≤5m,则可与建筑物构成“等电位面”,此时R(接地电阻)≤0.5Ω,至建筑物外电压衰减曲线为“漏斗型”,衰减缓慢,所以不必再在室外设置均压环和独立人工接地体,节省了大量的金属材料和施工工程量,并且基础钢筋是与建筑物同寿命的。
 
②封闭的基础钢筋网是环形自然接地体,散流面积大,各个部分均可承担接地作用,提高了接地可靠性,其电阻值较其它接地方式更小,并且各处阻值基本相同。
 
③与配电系统结合,可快速切断电源、消除间接电击和接触电压,便于泄放接地故障电流。
 
高层建筑联合接地的优势更为突出,表现在以下几个方面:
 
①接地电阻值更小,由于高层建筑基础和地面梁板钢筋甚多并连接成为电气通路,即便在土壤电阻率较高的地区,也可保证接地电阻R≤1Ω,经过大量工程验证,一般高层建筑的联合接地电阻值均达不到0.3Ω.
 
②联合接地可为建筑物内各电气系统及电子设备提供基准电位,可消除系统接地由阻抗电磁耦合产生的干扰,也可避免电磁场和地电位差(ΔU)对各信息网络产生干扰。一些系统需要更可靠的基准电位,如信息系统(低电压、小电流),那么在设计中可利用基础钢筋焊接成封闭的环形接地体,也可在基础钢筋上再敷设一条40×4mm的热镀锌扁钢作为专用封闭的环形接地体。
 
③当建筑遭受雷击时,由钢筋网构成的法拉第笼,不仅能保证建筑物内人和电器设备的安全,还能保证各个系统设备的运行安全。
 
④高层建筑的屋面、墙体、柱、楼板、地面和基础配置的钢筋甚多,形成总截面很大的电气通路,故障电流或雷电流都不可能使其熔断,热稳定性极强。
 
3)高层建筑联合接地的设置原则
高层建筑物内各系统的接地应按下列原则连接后,再与基础钢筋连接。
①保护接地与配电动力的系统接地两者连接。
②信息系统接地、电气设备接地、计算机机柜接地、计算机线路滤波器接地等连接;
③计算机信号接地、医疗设备接地、通信(电子设备)接地等连接;
④防雷装置接地必须单独与基础钢筋焊接接地;
⑤联合接地与建筑物内等电位联结时,可导电金属固件连接要求R≤0.5Ω。
 
4)完善等电位联结
 
高层建筑物内除各系统接地外,还应将PE、PEN干线、总水管、煤气管(应征得煤气公司同意)、暖气管、空调管道等金属管道及可导电金属部件等进行总等电位联结。
 
①人会经常接触的外露可导电部分应进行等电位联结,如楼梯的金属扶手、电梯的金属门框、铝合金框、玻璃幕墙、卫生间所有金属部件(如金属挂衣钩、金属卷纸盒)、吊顶内各种金属管道、吊杆、电缆桥架的金属可导电部分,以及包括过墙处金属桥架底面断开部分的跨接等。
 
②高层建筑每个楼层应做等电位面,每层面积较大时,至少每个防火分区应设一个等电位接地端子板,每个端子板与墙或柱内钢筋至少保证两处牢固连接,且与楼层地面钢筋网连成地面等电位面。特殊区域如机房、消防中心等也应设置等电位面。
 
③保证屋面接闪器接地的可靠连接。
 
5)防雷与接地小结
 
利用混凝土内钢筋网建立的联合接地及等电位联结体系,在确保人身和设备安全的同时,也可防止接地故障引发的火灾。在一些盐碱土质地区,如采用直接敷设的人工接地装置,过几年就会锈蚀损坏,使建筑物失去接地保护。因接地体深埋于地下,人们对损坏情况不了解,直到出现故障才会意识到,因此更危险。利用基础内钢筋网做接地体,使用年限与建筑物相同,还节约了大量的钢材,是低碳经济的可行之路。
 
(2)民用需要系数法负荷计算的问题及解决措施
 
1)需要系数法负荷计算偏大的由来
 
民用建筑施工图设计阶段负荷计算的需要系数法,因计算简便故而被广泛采用。负荷计算是否合理,直接影响到变压器、母线、电缆和中低压电气设备的选择。需要系数法负荷计算涉及概率论、统计学等多门学科,因此在工程项目中调整系数是比较难掌握的。国内现行的需要系数引自国外资料,与我国的实际情况有所偏差。需要系数已在我国沿用了数十年,从未进行过调整和修改,原国家各部委的系数数据也不尽相同,现有的一些系数数据表格也明确标注了“供参考数值偏大”。需要系数分做低限值和上限值,设计中一般都取上限值而忽略了下限值,选中间值的基本没有,这是负荷计算数据偏大的又一个原因。
 
2)需要系数法负荷计算缺少参差分布系数(Kcf)
 
在确定降压站、配变电所的变压器、主母线、电缆干线及中、低配电设备时,除需要系数(Kx)、同期使用系数(KΣ)之外,还应考虑最大负荷的参差分布系数(Kcf)。下面就负荷计算中的系数作其本介绍。
 
需要系数Kx、同期系数KΣ、参差分布系数Kcf的定义: 
 
需要系数Kx:由于一台配电箱(柜),一条配电干线,一台配电变压器的低压侧接有许多不同类型、不同工作制的用电设备,因此在负荷计算时,应将各种类型的用电设备乘以小于1的系数。这个系数就称为用电设备的需要系数。
 
在实践中,多台设备基本上不会同时工作,即便是同时工作,也不会同时工作在额定负荷下,因此Kx的值不是一成不变的。
 
同期系数KΣ反映的是:由同一电源点供(配)电的各个下级配电所或回路之间用电的参差性和出现最大负荷的不同时性特征。KΣ分为有功负荷同期系数KΣP和无功负荷同期系数KΣQ,一般KΣP≤KΣQ.
 
参差分布系数Kcf是确定配变电所和主母线用电参差最大负荷的分布系数。Kcf的取值范围一般为0.8~0.9,一般来说,民用建筑的面积及用电负荷越大、用电点分布越广、自动化和智能化程度越高、选用节电产品越多,则应取系数的下限值,相反就要选用上限值。
 
需要系数法负荷计算取值过大,使选择的各种电气设备和装置、主开关、应急电源(如柴油发电机、UPS、EPS等)容量就要相应增大,主母线、电缆截面相应增大,造成有色金属的浪费,不仅不符合节能减排的国策,还增加了投资。当然,系数的调整要与项目特点、规模和发展规划相配合,要与项目实际用电情况和发展裕量相得益彰。
 
3)典型案例
 
案例1:某银行中心支行高层金融大厦(集中空调),在设计阶段,经需要系数法负荷计算,选用了6台1000kVA的铜芯环氧树脂全浇铸干式变压器(附带风冷和温度控制器)。自97年投入运行以来实际只投入4台变压器,另2台处于拉闸冷备状态。近期,该大厦经节能减排改造,包括照明系统(光源、灯具和附件的更换,灯光智能控制)、风机盘管楼控模块自动控制、电热水器控制、电梯增设能量回馈装置等,使得全年节电约56万度,节约电费近42万元。根据节能降耗改造后实际数据的采集和计算复核、反馈,验证了参差分布系数存在的合理性。
 
案例2:某建筑设计研究院18层业务楼,面积12000m2,1987年竣工时经需要系数法负荷计算,设置了两台400kVA铜芯全浇铸干式变压器,一台工作一台冷备,之后小区又兴建了两幢高层住宅楼(184户)、4幢多层住宅楼和地下车库,均由该业务楼配变电室供电,业务大楼改造后增加了空调系统,直至2004年才将两台400kVA变压器更换为两台630kVA变压器,仍然一工作,一冷备。由此可见,现行的民用建筑需要系数法负荷计算结果确实偏大很多,与当今土木工程节能减排降耗不符。希望主管部门组织专人考察和调研,取得科学合理的系数尽早推广使用,避免造成不必要的浪费。
 
(3)LED新型光源的应用
 
近几年,不少省市由于气候原因引起电力匮乏而拉闸限电,很多工厂被迫减产、停产。我国照明用电量占总用电量的约12%,因而对照明系统的节能改造迫在眉睫,对缓解我国能源供应,保障能源供给安全具有重要的战略意义。以11W高效节能荧光灯取代60W白炽灯为例,亮度提高20%,节电80%,若全国采用12亿只光源,一年可节电约800亿度,相当于三峡水电站一年所发的电量。据测算,节约1亿度电就相当于节约了4.04万吨标准煤,可减少CO2排放量10.64万吨,SO2排放量0.09万吨。我国实施绿色照明工程以来,高效节能光源和装置占有率不断提高,国内销量迅猛增涨,获得“中国节能产品”认证的厂商多达600多家。
 
光源的发展经历了热辐射光源、气体放电光源、节能气体放电光源和LED半导体光源四个阶段,节能的电光源已成为当今世界照明的主流。LED属冷光源,产生热量少,辐射集中在可见光范围内,产生的电磁辐射微乎其微,由于使用直流5V电源,故不会产生50Hz交流频闪和蜂鸣。白光LED半导体固体照明光,自20世纪90年代中期问世以来,在建筑照明领域迅速发展,是21世纪最具有发展前景的光源,具有低电压、低能耗、高光效、高可靠性、长寿命、免维护、体积小等优点。LED光源可制成不同形状的各种建筑灯具,因用其制造的灯具多将LED封闭在树脂中,故坚固耐用、抗振动和撞击。白光LED光源已成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一代表性产品,也是照明领域的又一次革命,将成绿色环保、高效节能、低碳照明系统的新生力量,对改善人类生存环境,提高生活质量做出重大贡献,必将和节能变压器、节能电动机、永磁式交流接触器、永磁式真空断路器、变频器等高节能产品载入我国建筑电气节能的史册。
 
(4)智能照明系统的节能措施
 
1)建筑照明首先应充分利用自然光。大开间的场所,照明灯具应顺着窗户平行敷设并且分区控制,并根据现成情况,还应适当增加控制开关。
2)建筑物公共场所的照明宜采取集中遥控的管理方式,并配备自动调光装置。
3)照明系统可采用定时、调光、光电控制和声光控制开关,以进一步节能,但节能的同时还应在应急状态下强行点亮。
4)智能照明控制系统
 
随着智能建筑的兴起和普及,也带动了智能照明技术的发展,得益于计算机技术、网络技术及现场总线技术的成熟,智能照明控制系统具有数字化分布式的特点和良好的兼容性,同时它还是一种有效的节能管理方式,控制系统可按时间和环境的要求,对照明灯具进行预设和管理,不仅节约了电能,而且延长了光源寿命。
 
3 太阳能光伏建筑一体化是土木工程今后的发展方向
 
进入21世纪的人类社会正面临着能源短缺和生态环境严重污染的局面。逐步改变能源消费结构,大力发展可再生能源,走可持续发展的道路,已成为世界各国十分关注的重大问题。太阳能是理想的洁净能源,不仅零碳,还取之不尽用之不竭。随着能源危机的进一步加剧,新型绿色能源开发和利用再次引起了世界的关注,随着科学技术发展,太阳能转化成光能的效率大幅提升,发展光伏发电的大好时机已经到来。
 
光伏建筑一体化是应用太阳能发电的一种新概念,简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑结合方式的不同,光伏建筑一体化可分为两大类:一类是光伏方阵与建筑的结合,这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上,建筑物作为光伏方阵载体,起支撑作用。另一类是光伏方阵与建筑的集成,这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现,光伏方阵成为建筑不可分割的一部分,如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间,并节省电站输配电网的投资,是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式,因而倍受关注。
 
大尺度的彩色光伏模块可替代室外装饰材料,也可作为建筑物玻璃幕墙,从而降低建筑物的整体造价。户用光伏发电系统的独立光发电站,除保证建筑物自身用电外,还可实现向配电网供电,以缓解高峰电力需求。安装在屋顶和墙面上的光伏阵列直接吸收阳光热量,降低屋顶和墙面温度,也可改善室内环境。
 
鉴于光伏建筑的众多优点,国际能源署(IEA)已将光伏建筑一体化作为光伏推广应用的主要目标和任务,美国、日本等许多国家制订了屋顶光伏计划。近几年,我国光伏建筑一体化系统也取得弥足发展,“九五”期间深圳、北京分别成功建成17kWp、7kWp光伏发电屋顶并实现了并网发电。华能湖南湘祁水电站主厂房100.8kWp太阳能光伏发电系统及京东方8代线厂房3000kWp光伏发电项目等都在紧锣密鼓的筹备中。20世纪90年代,新疆地区曾在铁路系统的车站、偏远的电信基站等采用了光伏发电系统,达坂城市区的路灯也采用了光伏发电与城市电网互补的运行方式,但由于造价过高,在以后的民用建筑中很少被采用。光电转化效率低和成本高是制约光伏建筑一体化发展的主要原因,但随着科学技术的发展,这两种不利因素基本上已被解决,而现在急需转变的是大多数人对光伏发电的一些陈旧观点。
 
因为关于太阳能发电、光伏建筑一体化的书籍和可参考资料很少,很多建筑师对光伏建筑一体化的概念不清(认为是发电专业和建筑电气专业的事情),甚至闻所未闻,因而心存芥蒂。目前,国家和行业相关部门还没有正式出台关于光伏建筑一体化的相关设计规范、规程、标准和安装图集,这也使设计师没有设计依据可遵循。所以,光伏建筑一体化的推动应从加强对各级政府、企事业单位和建筑领域等宣传力度做起,国家还应对光伏建筑给予一定的激励政策,这对保证国家能源安全和供给也是同等重要的。
 
太阳能光伏发电设计的基本原则:
 
(1)可参照执行的电气设计施工规范有《10kV及以下配电所设计规范》(GB50053-1994)、《低压配电设计规范》(GB50041-2009)、《民用建筑电气设计规范》(JGJ16-2008)、《建筑电气工程施工质量验收规范》(GB50303-2002)等。
 
(2)设计中应注意的相关问题
 
a.凡带电部分均应绝缘不允许裸露,室外使用的线缆应为户外型;
b.光伏组件应在方阵附近设有保护开关,具有短路、过流保护和过电压保护功能;
c.组件安装时使用的绝缘导体应采用2.5mm2及以上的铜芯导体,并遵守连线和穿线规格;
d.室内外电气安装应执行《建筑电气工程施工图施工质量验收规范》(GB50303-2002);
e.导线应使用端子排连接,连接端子处应有适当的应力释放功能;
f.光伏发电系统直流侧不接地,交流侧必须接地,可使用固定框架作为接地线,并与建筑物接地网连结。
 
(3)居住建筑太阳能发电工程的指导思想
 
目前,居住建筑的光伏发电系统均由生产公司生产制造、安装、调试、验收和维护。太阳能光伏发电系统的整体设备应包括太阳能光伏阵列、直流汇流箱、逆变器、监控系统、交流配电等。建筑、结构、设备、电气专业设计师应共同确定并解决光伏发电系统设备在屋顶、墙面上安装的最佳位置,利用空间通风降温,考虑支撑柱与屋面下墙体柱的连接、系统配电和管道敷设具体位置、接地支架设计等问题,还须对安装屋面装载物抗风、抗雨雪能力,排水管合理布置以及屋面防渗水、屋面倾斜度或坡度(获得最佳的日照和工作效率)等诸多问题综合统筹。光伏发电系统还应设置SPD、漏电保护等保护,电池板的放置处应尽量避开建筑物、构筑物阴影。
 
侧墙安装的光伏电池板框架也应做等电位联结,防侧击雷危害,配电系统同样应设置SPD、漏电保护并且接地。屋顶、侧墙安装的光电池框架和其它装置均应预埋铁件,不得使用射钉固定。
 
4 结束语
 
充分利用自然接地体做建筑物的防雷与接地系统,需要系数法负荷计算的参差分布系统的引用,绿色照明和智能照明控制系统的应用都是实现建筑物节能、减排、低碳、环保、绿色的有效措施,值得设计师学习和推广,而太阳能光伏建筑一体化也将成为人类居住建筑的又一发展趋势。
 
参考文献
1 王厚余.《低压电器装置的设计安装和检验》.中国电力出版社,2003年,页码:188~191页.中国航空工业规划设计研究院
2 翟秀静等.《新能源技术》.化学工业出版社,2010年2月页码:15~16页
 
 
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