黃建波

隨著社會的快速發(fā)展，一次能源（煤、石油、天然氣等）在終端能源消耗中的占比越來越高，導(dǎo)致我國部分區(qū)域出現(xiàn)嚴重的大氣污染[1]?！洞髿馕廴痉乐涡袆佑媱潯访鞔_了在2017 年實現(xiàn)京津冀地區(qū)PM2.5平均降低25%、長三角地區(qū)PM2.5平均降低20%、珠三角地區(qū)PM2.5平均降低15%的目標[2]。

因此，如何在節(jié)能減排的同時，持續(xù)優(yōu)化節(jié)能減排的思路和方法，實現(xiàn)節(jié)能減排的最終目標，是當前迫切需要解決的重要問題。目前，建筑節(jié)能減排的主要途徑為清潔替代和電能替代。這2 種替代方式是指用可再生的太陽能和風(fēng)力等新的可再生能源取代傳統(tǒng)的石油和天然氣，同時用電力代替煤炭和石油等化石能源，從而實現(xiàn)以清潔能源為主的新發(fā)展模式[3]。本研究針對某新建供電所的能源使用狀況，創(chuàng)建一個“清潔替代+電能替代”的示范基地。

1 供電所用能系統(tǒng)分析

1.1 供電所概況

該供電所占地面積約240 m2，建筑結(jié)構(gòu)共4 層，地上3 層、地下1 層，建筑結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，防水等級為二級，抗震設(shè)防烈度為六度?，F(xiàn)需要對供電所的節(jié)能系統(tǒng)進行改造，將供電所打造成節(jié)能建筑的示范單位。該供電所的電力供應(yīng)系統(tǒng)按其應(yīng)用范圍可劃分為電能供應(yīng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和生活系統(tǒng)等[4]。

1.2 電能供應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，供電所擁有約270m2的屋頂，但并未充分利用。此外，建筑為磚混結(jié)構(gòu)，周圍無遮擋，朝向良好，因此具備充分開發(fā)和利用太陽能的條件，可建設(shè)屋頂光伏電廠實現(xiàn)分布式供能[5]。

1.3 照明系統(tǒng)現(xiàn)狀

供電所的營業(yè)大廳采用了傳統(tǒng)的U 型節(jié)能燈管。服務(wù)窗口和計算機室采用常規(guī)三燈泡。同時，辦公室、職工宿舍和職工活動中心使用普通日光燈泡。上述照明設(shè)備具有能耗高、效率低、散熱性能差等特點，不利于保護環(huán)境[6]。

1.4 生活用能系統(tǒng)

供電所的廚房使用罐裝液化氣作為能源，經(jīng)常突然斷氣，而且會造成能源成本高、熱效率低、不環(huán)保及液化氣泄漏等問題[7]。在供電所的樓頂安裝一個太陽能熱水器供工作人員洗澡，但實地檢查發(fā)現(xiàn)太陽能熱水器年代久遠，供暖效率較低。此外，該供電所位于亞熱帶季風(fēng)地區(qū)，四季如春。相關(guān)資料顯示，該地區(qū)的年平均降雨天數(shù)約為110 d。因此，多雨天氣是影響太陽能熱水器使用效率的重要原因之一。

2 綠色建筑節(jié)能改造方案

2.1 電能供應(yīng)系統(tǒng)

在供電所的樓頂設(shè)置一臺太陽能光伏發(fā)電裝置，以供自用，余電上網(wǎng)，以彌補供電所的供能不足。電能供應(yīng)系統(tǒng)的工作機理：在陽光照射下，太陽電池陣列會產(chǎn)生直流電流，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電流，再接入低電壓網(wǎng)絡(luò)中。

光伏面板是光伏發(fā)電裝置的重要組成部分，也是其中最昂貴的組件，用于將太陽能轉(zhuǎn)化為電力。光伏發(fā)電逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的組件，其主要作用是實現(xiàn)光伏發(fā)電中的孤島保護、最大功率追蹤，并將其逆向轉(zhuǎn)換為日常生活中可用的電能。此外，還有其他輔助設(shè)備，如監(jiān)控系統(tǒng)、防雷接地保護、電纜和支架等。

2.2 照明系統(tǒng)

根據(jù)供電所具體情況，用二極管LED 燈具取代原來的普通燈具，并在營業(yè)廳中建立一套由智能調(diào)光、智能插座、微波雷達感應(yīng)及自適應(yīng)光照度等模塊組成辦公室照明智能控制系統(tǒng)。

智能調(diào)光模塊的工作原理：用戶在觸控面板上選擇照明方式，然后通過觸控面板向智能調(diào)光器發(fā)出命令。智能調(diào)光器接收到命令后，將其轉(zhuǎn)換成0 ～10 V 的電壓信號，并輸出到驅(qū)動電源，由驅(qū)動電源根據(jù)接收到的電壓信號控制LED 燈的亮度。智能插座的工作方式：使用者在觸摸板上選擇一種方式，然后觸摸板向智能插座發(fā)送開關(guān)命令，智能插座根據(jù)接收到的命令對220 V 電源進行控制，從而操作大型家電。

微波雷達感應(yīng)器的工作原理：當墻壁上的開關(guān)打開時，感應(yīng)器會自動探測是否有人經(jīng)過。當有人經(jīng)過時，感應(yīng)器導(dǎo)通，車內(nèi)燈光就會變亮。否則，燈光會熄滅，運行原理如圖1 所示。

圖1 微波雷達感應(yīng)器運行原理圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

可調(diào)式照明度傳感器的工作原理：它可以將檢測到的照明度轉(zhuǎn)化為0 ～10 V 的電壓信號。當外部照明度不同的時候，照明感應(yīng)元件通過調(diào)整0 ～10 V 的電壓信號，使LED 燈的亮度發(fā)生變化。當外部照明超過設(shè)定條件時，照明傳感器會發(fā)出0 V 的信號，從而關(guān)閉LED 燈。

2.3 生活用能系統(tǒng)

為滿足工作人員的日常用水需求，在供電站設(shè)置一臺蓄熱電鍋爐。蓄熱電鍋爐利用電磁感應(yīng)加熱理論，充分地發(fā)揮夜間低谷電能的儲存作用，在夜間將儲熱水箱中的水加熱到60 ℃，白天通過恒壓水泵將其輸送到食堂和淋浴網(wǎng)中，以備不時之需。該方法能有效利用夜間電力供應(yīng)的優(yōu)勢，實現(xiàn)“削峰填谷”的目標。

根據(jù)供電所廚房能耗情況，將原有的液化石油氣烹飪設(shè)備更換為電動烹飪設(shè)備，以實現(xiàn)利用潔凈能源的目標。電灶的工作原理：使用交流磁場直接影響鍋底，使鍋底迅速升溫，從而加熱食物。電灶的升溫時間取決于線圈和機芯的尺寸，在此過程中不使用任何傳熱介質(zhì)，也不會產(chǎn)生煙霧，因此熱損耗非常小，可以有效減少能量消耗和費用[8]。

3 改造方案應(yīng)用效果評估

3.1 電能供應(yīng)系統(tǒng)改造效果

在供電所的頂部，計劃安裝一個12 kW 的太陽能電池板。整個太陽能電池板將采用380 V 低壓并網(wǎng)方式與電網(wǎng)連接。具體的光伏系統(tǒng)裝機容量如表1 所示。金湖區(qū)域的年均輻射總量 為5098 MJ/m2，即1416 kW·h/m2。該地區(qū)的光能利用率約為0.8。供電所屋頂光伏系統(tǒng)裝機量如表1 所示。

表1 供電所屋頂光伏系統(tǒng)裝機量

光伏系統(tǒng)發(fā)電量公式如下：

式中：Q1為光伏發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電量；N為全年天數(shù)；P為光伏發(fā)電系統(tǒng)的總?cè)萘?；H為太陽輻射量；η為發(fā)電效率。光伏電站年發(fā)電量與減排效果如表2 所示。此外，光伏系統(tǒng)還具有節(jié)水的優(yōu)勢，可以減少相應(yīng)的污水和熱水排放對水體的污染。由此可見，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在節(jié)能減排和改善環(huán)境方面具有顯著的作用。

表2 光伏電站年發(fā)電量與減排效果

3.2 照明系統(tǒng)改造效果

本文以某供電所為例，介紹了一種照明系統(tǒng)改造方案，并介紹了該方案在供電所中的實際應(yīng)用情況。改造的主要內(nèi)容如下：第1，更換供電所大堂和商業(yè)窗口的智能化燈光控制器；第2，將樓梯和走廊內(nèi)的燈光更換為自動微波感應(yīng)吊燈，以達到人離開時燈光熄滅的目的；第3，商場內(nèi)的20 個燈泡和中央?yún)^(qū)域的8 個燈泡組成一條回路，周圍區(qū)域的12 個燈泡組成另一條回路；第4，對辦公窗口的4 盞臺燈進行單向控制，分別進行開關(guān)控制和調(diào)光控制；第5，將空調(diào)飲水器出口的智能出口替換為空調(diào)飲水器出口，并將其整合到該控制系統(tǒng)中。表3 和表4 是改進前和改進后的燈光效果。

表3 改造前的照明情況

表4 改造后的照明情況

照明系統(tǒng)節(jié)電量計算公式如下：

式中：Q2為全面節(jié)約的總電量；W1為節(jié)能改造前供電所的照明系統(tǒng)總功率；W2為節(jié)能改造后供電所的照明系統(tǒng)總功率；W3為營業(yè)廳智能控制節(jié)約功率；n為全年亮燈時間，該供電所2022 年的全年亮燈時間為2920 h。照明系統(tǒng)年節(jié)約電量與減排效果如表5 所示。

表5 照明系統(tǒng)年節(jié)約電量與減排效果

3.3 生活用能系統(tǒng)改造效果

3.3.1 儲熱式電鍋爐

該供電所建設(shè)了一臺容量為1.5 t、功率為50 kW 的儲熱型電鍋爐。使用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）對電鍋爐進行全程自動控制，以實現(xiàn)無人值班的目標。

在電力系統(tǒng)中，平均水溫為15 ℃。如果需要使用60 ℃的熱水，則所需的熱能為：

式中：Q3為儲熱式電鍋爐的熱量；C為儲熱式電鍋爐的比熱容；m為質(zhì)量；Δt為應(yīng)用儲熱式電鍋爐前后的溫度差值。因此，計算后得到供電所需要的熱量為283.5 MJ，進而得到年用電量為28743 kW/h。

從火電發(fā)電的角度來看，如果將高等級的電能轉(zhuǎn)化為低等級的熱量，將會造成巨大的能源浪費。然而，火電并不會隨著用電負荷的改變而調(diào)整輸出，導(dǎo)致未利用的“低谷”電力浪費。因此，充分利用“低谷”電力也是一種節(jié)約。蓄熱型電爐年度使用的“谷電量”和“排放效益”如表6 所示。

表6 蓄熱型電爐年度使用的谷電量和排放效益

3.3.2 廚房電氣化改造

為實現(xiàn)廚房的安全可靠、低碳環(huán)保以及清潔衛(wèi)生，計劃在供電所廚房增設(shè)一臺總功率為35 kW 的小炒爐（15 kW）+大鍋組合灶（20 kW），以替代原有的液化石油氣雙頭炒灶。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，供電所廚房每年工作時間約為180 h。此外，在進行普通拋鍋烹飪時，電磁爐會自動降低運行功率，負荷率約為75%。因此，可以計算出每臺電灶1 a 的電能替代量為：

式中：Q4為電能替代量；P為電灶的使用功率；h為全年電灶使用時間；ξ為電灶的負載率。電炊具電能替代電量與減排效果如表7 所示。

表7 電炊具電能替代電量與減排效果

4 結(jié)語

綜上所述，本文秉持綠色能源可持續(xù)發(fā)展的原則，提出新建供電所的綠色節(jié)能建筑改造方案。根據(jù)文內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，該方案能夠全方位提升供電所的節(jié)能減排能力，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。