低碳建筑應(yīng)用技術(shù)-基于某集團(tuán)新總部的用電指標(biāo)降低措施初步研究

“低碳建筑”應(yīng)用技術(shù)-基于某集團(tuán)新總部的用電指標(biāo)降低措施初步研究

[摘

要]本文將以某集團(tuán)新總部新建工程的電氣設(shè)計(jì)方案為研究對(duì)象，介紹一系列減碳設(shè)計(jì)措施在建筑電氣設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)用，通過實(shí)際案例對(duì)“低碳建筑”應(yīng)用技術(shù)在降低建筑用電指標(biāo)的效果加以分析討論，從而對(duì)多項(xiàng)措施實(shí)際產(chǎn)生的建筑減碳效果加以論證。[Keys]低碳；建筑；用電指標(biāo)降低。引言隨著科技發(fā)展和人類環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)二氧化碳的排放限制也愈加嚴(yán)苛。人們越來越清晰的認(rèn)識(shí)到，全球變暖所帶來的生存威脅不再遙遠(yuǎn)。我國作為負(fù)責(zé)任的大國，于2020年底提出“雙碳”目標(biāo)，即力爭2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。日前，上海市委、市政府印發(fā)了《上海市關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的實(shí)施意見》和《上海市碳達(dá)峰實(shí)施方案》，以確保上海按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。碳排放的主要途徑有工業(yè)、交通、建筑、居民生活等。二氧化碳的主要來源是煤炭、石油等化石燃料的燃燒產(chǎn)生，所以通過燃燒化石燃料取能的工業(yè)、汽車常常被認(rèn)為是碳排放的“罪魁禍?zhǔn)住?。但?shí)際上，建筑領(lǐng)域才是碳排放大戶?！吨袊ㄖ芎难芯繄?bào)告(2020)》顯示，2018年全國建筑全過程碳排放總量為49.3億噸，占全國碳排放比重的51.3%。據(jù)測算，我國每年建筑消耗的水泥、玻璃、鋼材分別占全球總消耗量的45%、42%和35%?？梢姡ㄖI(lǐng)域的減碳已成為我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)至為關(guān)鍵的一環(huán)。研究背景及意義上?！笆濉逼陂g，建筑運(yùn)行和施工產(chǎn)生的碳排放量居高不下，整體呈波動(dòng)態(tài)勢。電力消耗占比極大，公共建筑運(yùn)行耗能高。故而，“十四五”期間建筑領(lǐng)域減碳迫在眉睫。推行建設(shè)“低碳建筑”是實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期減碳的必要途徑?！暗吞冀ㄖ备拍畎瑑蓚€(gè)方面：一是低碳材料，即在建筑中采用能夠環(huán)保、節(jié)能的材料實(shí)現(xiàn)減碳；二是低碳技術(shù)，即通過科學(xué)、先進(jìn)的節(jié)能設(shè)計(jì)，或引入可再生能源系統(tǒng)、數(shù)字化管控等技術(shù)實(shí)現(xiàn)減碳。從新建建筑的設(shè)計(jì)視角看，“低碳建筑”應(yīng)用技術(shù)涉及專業(yè)眾多，其中電氣專業(yè)節(jié)能技術(shù)和措施占的比重較大。如何能在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用好“低碳建筑”技術(shù)，充分有效的降低建筑物的實(shí)際用電指標(biāo)，是本文將主要探討的問題?！暗吞冀ㄖ敝须姎庠O(shè)計(jì)領(lǐng)域所應(yīng)用的技術(shù)涵蓋多個(gè)系統(tǒng)，但最終的表達(dá)則通常都是通過建筑物的實(shí)際用電指標(biāo)的降低來呈現(xiàn)。在設(shè)計(jì)方案中采用了眾多的“低碳建筑”技術(shù)后，與之前的變壓器容量指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，可以明顯的看出建筑物減碳的理論效果。故本文將以某集團(tuán)新總部為研究對(duì)象，介紹一系列減碳設(shè)計(jì)措施，通過對(duì)配電系統(tǒng)優(yōu)化、引入智能照明和LED光源等解決方案，降低單位建筑面積用電指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)減碳目的。通過在建筑電氣設(shè)計(jì)中采用“低碳建筑”應(yīng)用技術(shù)來降低用電指標(biāo)，對(duì)助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益最大化有著重大意義，選擇合適的變壓器容量指標(biāo)能夠達(dá)到節(jié)能減排、減少固定資產(chǎn)投入、高效利用電氣系統(tǒng)和設(shè)備的目的。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)展現(xiàn)狀在變壓器節(jié)能領(lǐng)域，國外對(duì)變壓器容量指標(biāo)和能效指標(biāo)的研究較為前沿，國際電工委在2017年發(fā)布了能效檢測標(biāo)準(zhǔn)，其具體能效數(shù)據(jù)要求與2014年5月21日歐盟在官方公報(bào)上發(fā)布了ERP指令實(shí)施措施《關(guān)于小型、中型和大型電力變壓器的生態(tài)設(shè)計(jì)要求》一致。文件中規(guī)定了投放市場的頻率50Hz、容量在1kVA及以上、用于傳輸和分配電能的變壓器設(shè)備的生態(tài)設(shè)計(jì)要求，對(duì)不同容量不同種類的變壓器的最大負(fù)載損耗、最大空載損耗分階段給出了具體要求。智能照明設(shè)計(jì)方面，英國諾丁漢大學(xué)朱比麗校園建筑，采用了低能耗的采光策略，將人工照明與自然采光通過智能照明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種科學(xué)合理的平衡，以實(shí)現(xiàn)采光節(jié)能的目的。智能照明系統(tǒng)研發(fā)方面，邦奇、路創(chuàng)、金域、飛利浦、松下等公司均已在多年前就投入研發(fā)智能照明控制系統(tǒng)，并不斷進(jìn)行技術(shù)迭代，產(chǎn)品以及較為成熟，市場需求也在逐年增加。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀近年來國家對(duì)變壓器節(jié)能的要求在不斷提高，2020年發(fā)布的《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》GB50052-2020，與2013年舊版規(guī)范相比，整體提高了各電壓等級(jí)電力變壓器產(chǎn)品的空載損耗、負(fù)載損耗指標(biāo)限定值，廣泛指導(dǎo)工程項(xiàng)目采用更加節(jié)能的電力變壓器。智能照明領(lǐng)域，國內(nèi)智能照明市場在不斷發(fā)展，一方面，照明公司逐漸重視對(duì)智能照明市場的開發(fā)，歐普、雷士等公司近年來加大了智能照明領(lǐng)域的投入；另一方面，智能照明方案的優(yōu)點(diǎn)也得到越來越多的工程建設(shè)方的認(rèn)可。2021年美的樓宇科技TRUE大會(huì)低碳節(jié)能分論壇從宏觀政策到微觀技術(shù)措施，跨地域、跨方向?qū)μ贾泻捅尘跋碌牡吞贾腔劢ㄖ漠a(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)行了深入解讀。多名專家從暖通空調(diào)系統(tǒng)、樓宇自控系統(tǒng)、微電網(wǎng)以及數(shù)字化智慧建筑等多個(gè)維度展開了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的分析研究分享。同濟(jì)大學(xué)的譚洪衛(wèi)教授從建筑可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的角度對(duì)國家雙碳戰(zhàn)略進(jìn)行了解讀：“在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的過程中，須注意系統(tǒng)性、科學(xué)性，避免運(yùn)動(dòng)式減碳和沖鋒攀高峰。建筑領(lǐng)域的低碳實(shí)現(xiàn)路徑主要在于——低碳創(chuàng)能，源頭上實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的低碳化；被動(dòng)節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)降耗；主動(dòng)節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)提效；智能化運(yùn)維，這個(gè)也是從前不太重視的；以及建筑生活方式的改變?！敝袊ㄖ茖W(xué)研究院建筑環(huán)境與能源研究院高性能建筑研究中心吳劍林主任闡述了傳統(tǒng)建筑向低碳建筑實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型和能效提升的路徑，強(qiáng)調(diào)應(yīng)當(dāng)著重從建筑本身降低能源需求，積極推進(jìn)能源系統(tǒng)的電氣化、小型化、性能化、智能化和分布式供能?！暗吞冀ㄖ奔夹g(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)際上類似過去的節(jié)能設(shè)計(jì)和綠色建筑設(shè)計(jì)內(nèi)容。建筑電氣節(jié)能在很早以前就成為了國內(nèi)電氣設(shè)計(jì)必不可少的一個(gè)章節(jié)。智能照明控制系統(tǒng)、LED光源燈具、能耗監(jiān)控系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)近些年以大量應(yīng)用于新建大型公建、工業(yè)項(xiàng)目中。在“雙碳”目標(biāo)提出后，是否有必要加大投資以采用高效、節(jié)能型設(shè)備，而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳的長期效果，是國內(nèi)電氣設(shè)計(jì)行業(yè)一個(gè)值得探索的問題?！暗吞冀ㄖ睉?yīng)用技術(shù)在某集團(tuán)新總部設(shè)計(jì)方案上的應(yīng)用集團(tuán)新總部供配電方案簡介電源方案簡介該項(xiàng)目擬向供電部門申請?zhí)峁?路35kV獨(dú)立高壓電源供電，采用電纜埋地引入地下一層35kV用戶總變電所，再分成多個(gè)10kV分變電所進(jìn)行配電。主要用電負(fù)荷及負(fù)荷等級(jí)簡介該項(xiàng)目總部辦公樓屬于一類高層公共建筑，主要負(fù)荷包括：（1）一級(jí)負(fù)荷：消防用電(含消防控制室用電、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、消防泵、噴淋泵、消防電梯、防火卷簾、防排煙風(fēng)機(jī)、防火閥門等)。值班照明、警衛(wèi)照明、航空障礙用電、主要業(yè)務(wù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用電、安防系統(tǒng)用電、電子信息設(shè)備機(jī)房用電、客梯用電排污泵、生活水泵用電等。（2）二級(jí)負(fù)荷：主要通道及樓梯間照明用電、重要辦公室用電等。普通電力、照明等設(shè)備用電為三級(jí)負(fù)荷。負(fù)荷計(jì)算簡介該項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期，設(shè)計(jì)人員以單位面積指標(biāo)法對(duì)該建筑進(jìn)行電力負(fù)荷估算，作為引入減碳措施前的參照負(fù)荷。整個(gè)項(xiàng)目的總裝機(jī)容量為13700kVA，單位面積裝機(jī)指標(biāo)約80VA/㎡。配電方案中的“低碳建筑”設(shè)計(jì)及節(jié)能分析（1）變電站的節(jié)能選址方案該項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)人員將35kV變電站和10kV變電站布置于地下一層?xùn)|北角位置，一方面靠近外墻，有利于電源進(jìn)線；一方面根據(jù)負(fù)荷重心法推算出整個(gè)項(xiàng)目的負(fù)荷重心在此位置附近，將變電站布置在此處，盡可能的減少了倒送電、低壓遠(yuǎn)距離送電的情況，減少線路造成的電能損耗，提高配電方案的節(jié)能效果，降低工程造價(jià)。（2）選用高效率節(jié)能變壓器2021年6月1日，《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》GB20052-2020正式實(shí)施，與標(biāo)準(zhǔn)GB20052-2013相比，新標(biāo)準(zhǔn)各類變壓器損耗指標(biāo)下降約10~45%不等，已優(yōu)于歐盟、美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。該項(xiàng)目采用滿足3級(jí)能耗要求的SCBH15型非晶合金變壓器（容量為2000kVA的變壓器負(fù)載損耗約15kW），其空載損耗、短路損耗比常規(guī)干式變壓器要低很多。設(shè)計(jì)人員通過負(fù)荷計(jì)算、無功補(bǔ)償、合理選擇變壓器，將變壓器負(fù)載率控制在60%左右（此處為折算后的實(shí)際負(fù)載率），一定程度降低變壓器上的電能損耗，提高配電方案的節(jié)能程度。（3）無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)置與效果設(shè)置設(shè)置10kV電容器室，設(shè)置10kV無功功率補(bǔ)償裝置。變壓器低壓側(cè)(0.4kV)設(shè)置低壓無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置，以合理的集中補(bǔ)償形式使高壓側(cè)功率因數(shù)提高至0.95以上，從而有效提高配電方案的節(jié)能程度。根據(jù)公式：可以估算，假定功率因數(shù)由0.8提高至0.95，則整個(gè)工程能夠減少的變壓器負(fù)載損耗約為30kW，相關(guān)線路損耗也減少約29%。為提高無功的自動(dòng)補(bǔ)償效果，該項(xiàng)目選用25kvar的補(bǔ)償單元，以提高無功補(bǔ)償投切的平滑度，減小實(shí)際功率因素與理論值的誤差；選取高質(zhì)量的功率因數(shù)控制器，能夠通過優(yōu)化程序優(yōu)化投切步驟，快速、準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)功率因數(shù)。照明燈具選擇、控制及節(jié)能分析照明燈具選擇與一般控制該項(xiàng)目建筑物用途主要為總部辦公，燈具使用場所最主要的是辦公室、會(huì)議室、機(jī)房、地下車庫等等。（1）該項(xiàng)目各場所燈具配置以照明功率密度值按照《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50034-2013)目標(biāo)值為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。（2）燈具選擇:該項(xiàng)目原則上全部采用LED照明燈具。選用的LED燈具的色溫、顯色指數(shù)、R9、光色一致性、統(tǒng)一眩光值、藍(lán)光危害、色容差等需要滿足規(guī)范要求。地庫或無外窗空間根據(jù)需要選用導(dǎo)光管系統(tǒng)作為輔助采光設(shè)備。（3）照明一般控制該項(xiàng)目根據(jù)情況對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行分散與集中、手動(dòng)與自動(dòng)相結(jié)合的方式，自動(dòng)控制采用智能照明控制系統(tǒng)，詳見下節(jié)介紹。手動(dòng)控制原則：小空間單獨(dú)控制，大空間集中分組控制，重點(diǎn)照明單獨(dú)控制．多種功能要求的場所采取場景控制，天然采光的區(qū)域獨(dú)立控制。（4）LED燈具照明方案的節(jié)能分析：該項(xiàng)目照明設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范中規(guī)定的目標(biāo)值，對(duì)燈具效率提出了高要求，具有實(shí)際指導(dǎo)作用，在保證照度的前提下減少了總體照明用電量，節(jié)省了電能源。本工程大量采用LED光源燈具，較傳統(tǒng)熒光燈具方案節(jié)能優(yōu)勢明顯。經(jīng)估算，折算到變壓器，本項(xiàng)目燈具如全部采用熒光燈，所需照明用電負(fù)荷容量約為1150kVA；本工程采用LED燈具，估算下來所需照明用電負(fù)荷容量約為620kVA，比采用熒光燈減少照明用電負(fù)荷容量約530kVA。智能照明控制系統(tǒng)方案該項(xiàng)目照明系統(tǒng)采用手動(dòng)與自動(dòng)相結(jié)合的方式，其中自動(dòng)控制采用智能控制方式。具體設(shè)計(jì)方案如下：（1）對(duì)下列場所擬采用智能照明控制系統(tǒng)：室內(nèi)公共區(qū)域(如：大開間辦公區(qū)域、門廳、過道、衛(wèi)生間、地下車庫)、室外景觀、泛光照明、建筑外立面LED燈墻等。（2）控制策略辦公建筑照明具有明顯的時(shí)段性和季節(jié)性，根據(jù)天氣情況，其天然光照度差異較大，如陰雨天，室外天然光照度僅為幾十lx，而晴朗天氣，正午時(shí)分，室外天然光照度高達(dá)十幾萬lx。因此，在陰雨天，室內(nèi)需要足夠的照度和亮度以滿足職工工作需求；在晴朗天氣，室內(nèi)天然光照度已滿足職工工作要求，無需另外開啟照明燈具。而到夜間照度明顯降低時(shí)，需及時(shí)開啟照明燈具。另外，地下車庫照明需求會(huì)根據(jù)時(shí)段變化，地下車庫的使用有明顯峰谷現(xiàn)象，節(jié)假日使用率非常低；公共會(huì)議室常常出現(xiàn)臨時(shí)短會(huì)后，忘記關(guān)燈的情況，造成工作時(shí)間段內(nèi)的電能浪費(fèi)。（3）控制方案a.大開間辦公區(qū)域采用定時(shí)控制、人體感應(yīng)控制、光照感應(yīng)控制相結(jié)合的模式，且可以允許在核心筒附近直接關(guān)閉一側(cè)全部燈具。b.有天然采光的區(qū)域，采用隨天然光照度變化而自動(dòng)控制人工照明，并設(shè)置智能電動(dòng)窗簾，最大限度利用自然采光。c.公共會(huì)議室均設(shè)置人體感應(yīng)作為輔助控制，無人時(shí)及時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，減少工作時(shí)間的照明電能浪費(fèi)。d.門廳、過道、樓梯間采用定時(shí)控制、人體感應(yīng)控制、光照感應(yīng)控制相結(jié)合的模式，非工作時(shí)間采用定時(shí)自動(dòng)降低照度控制。e.地下車庫采用定時(shí)、人體感應(yīng)、分組自動(dòng)控制或調(diào)光控制。非工作時(shí)間可采用最低亮度的值班照明，上下班高峰期采用最高亮度的工作照明。f.辦公區(qū)域就地設(shè)置智能控制面板，通過ip尋址可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離燈具開閉。g.室外景觀、泛光照明、裝飾照明等采用定時(shí)控制。h.必要時(shí)根據(jù)業(yè)主需求，可以采用計(jì)算機(jī)智能控制。（4）系統(tǒng)功能a.系統(tǒng)軟件可實(shí)時(shí)故障反饋、數(shù)據(jù)采集報(bào)表、遠(yuǎn)程定位、時(shí)控等功能；b.系統(tǒng)可任意區(qū)域分組和控制各場景，各場景之間可隨時(shí)相互切換，控制方便；c.前端集中控器可人工手動(dòng)控制；d.生產(chǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光度感應(yīng)控制，根據(jù)后臺(tái)設(shè)置的照度要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光；e.系統(tǒng)可電腦后臺(tái)軟件及手機(jī)APP控制；f.預(yù)留后期智能控制接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展及升級(jí)。（5）照明節(jié)能分析：本工程采用智能照明控制，盡可能的減少無用的照明用電浪費(fèi)現(xiàn)象。按平均每天減少1小時(shí)無效照明電能浪費(fèi)計(jì)算，每天將節(jié)省近1000度電，每年節(jié)省電費(fèi)約20萬元。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)置新能源的推廣是降低碳排放的有力舉措，近年來上海政府逐漸加大對(duì)風(fēng)能、太陽能的利用，要求新建工程項(xiàng)目都要考慮新能源發(fā)電設(shè)施的設(shè)置。2022年發(fā)布的《上海市資源節(jié)約和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中提出“2022年起，新建黨政機(jī)關(guān)、學(xué)校、工業(yè)廠房等建筑屋頂安裝光伏的面積比例不低于50%，新建其他類型公共建筑屋頂安裝光伏的面積比例不低于30%”。本文列舉的某集團(tuán)總部辦公樓在設(shè)計(jì)時(shí)考慮布置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，在主樓、輔樓屋面設(shè)太陽能光伏陣列，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。（1）光伏發(fā)電量估算該項(xiàng)目可設(shè)置光伏系統(tǒng)的屋頂面積計(jì)算如下：主樓屋面面積：60x60=3600m2，按30%計(jì)，光伏發(fā)電量約為202kW；輔樓屋面面積：29x74=2146m2，按30%計(jì)，光伏發(fā)電量約為121kW。兩棟建筑光伏發(fā)電量不大，可采用低壓并網(wǎng)的方式接入電力系統(tǒng)，在10kV變電站內(nèi)增加專用接入低壓開關(guān)柜。（2）光伏裝置的設(shè)置該項(xiàng)目選用2234x1280mm的光伏組件（安裝容量為545W），共設(shè)約592塊光伏面板，在主樓、輔樓屋面均勻布置。鑒于屋面有風(fēng)機(jī)、水箱、空調(diào)室外機(jī)等高大設(shè)備設(shè)施，在陽光下會(huì)產(chǎn)生不斷變化的陰影，對(duì)光伏組件產(chǎn)生遮擋，影響發(fā)電質(zhì)量和設(shè)備壽命。設(shè)計(jì)人員對(duì)遮擋陰影位置進(jìn)行推算，在光伏陣列布置時(shí)盡量避開巨大遮擋物。當(dāng)無法完全避免時(shí)，將受影響相同的區(qū)域的組件接入同一組串，利用組串式逆變器的優(yōu)勢，緩解遮擋對(duì)電能質(zhì)量的影響，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠向電力系統(tǒng)回饋穩(wěn)定、持續(xù)的高質(zhì)量電能。（3）光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能消納經(jīng)估算，該項(xiàng)目照明設(shè)備容量約1000kW，汽車充電樁設(shè)備容量約375kW，說明照明、汽車充電樁可以完全消納光伏發(fā)電電能。特別可以引進(jìn)可以雙向充放電的充電樁，利用適當(dāng)?shù)慕灰啄Ｊ?，可以?shí)現(xiàn)將電動(dòng)汽車作為建筑的移動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備，減少資源浪費(fèi)，打造“光儲(chǔ)直柔”低碳建筑。精準(zhǔn)能耗監(jiān)控助力節(jié)能管控該總部大樓項(xiàng)目設(shè)置能耗監(jiān)測系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)。首先分類、分級(jí)設(shè)置用電、用熱自動(dòng)遠(yuǎn)傳計(jì)量系統(tǒng)，對(duì)電、氣、熱的全部建筑能耗進(jìn)行計(jì)量和上傳。再通過能源管理系統(tǒng)對(duì)建筑能耗監(jiān)測、分析、控制和管理，提出合理化