零能耗建筑的電氣設計與應用

王東林/董維華/吳聞婧/孫 玲（天津市建筑設計院機電研發(fā)中心，天津 300074）

1 概述

近年來，隨著環(huán)境保護和節(jié)約能源的呼聲越來越高，使得零能耗建筑日益受到關注。零能耗建筑指的是建筑的零能源消耗，它通過各種節(jié)能技術的應用和節(jié)能管理水平的提高，來增強人們的環(huán)保和節(jié)能意識。

零能耗建筑的面積通常不會太大，樓層不會太高，功能也不會太復雜，一般用于展示節(jié)能及環(huán)保等方面的技術和成果，不會具有很強的使用功能，如：生產(chǎn)或餐飲等功能。

零能耗建筑是指應用到現(xiàn)場和用可再生能源的能量來運作的建筑，使一年中現(xiàn)場產(chǎn)生能量的凈額等于建筑所必須的能源凈額[1]。由于一年里不同時間段，建筑物所需能量與通過現(xiàn)場光伏發(fā)電產(chǎn)生的能量二者并不一致，因此，零能耗建筑只有與電網(wǎng)交換能量才能達到凈能量的平衡。

下面以中新天津生態(tài)城——公屋展示中心項目為例，探討有關零能耗建筑的相關技術。本項目建筑面積3467m2，其中地上兩層3013m2，地下一層454m2，建筑高度15m。建筑功能為：公屋展示、銷售和房管部門辦公及有關檔案儲存等。

本項目按照零能耗建筑進行設計，通過被動式技術使建筑物能耗達到最小，主動式技術實現(xiàn)設備的高效率運行，利用太陽能和地熱能等可再生能源滿足建筑能源的需求，達到現(xiàn)場零能耗的可持續(xù)性運轉的示范作用。

為實現(xiàn)建筑零能耗采取了兩方面的技術手段：供電方面采用由光伏發(fā)電、鋰電池儲能等組成的微網(wǎng)系統(tǒng)；用電方面采用由各種控制技術組成的合理調節(jié)設備用能的控制系統(tǒng)。

2 零能耗相關技術

對于零能耗建筑，首先要考慮保障其正常運轉的能量來源，通常由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為其提供能源，而建筑物可以設置太陽能光伏電池板的區(qū)域非常有限，因此，選用電池板的首要問題就是確定建筑物的能耗。

2.1 建筑能耗分析

建筑能耗分兩種，一種是廣義建筑能耗，指的是從建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全過程能耗；另一種是狹義建筑能耗，指的是維持建筑功能所消耗的能量，包括照明、采暖、空調、電梯、熱水供應、烹調、家用電器及辦公設備等的能耗。零能耗建筑使用的是狹義建筑能耗。

建筑能耗分析并非簡單的數(shù)值計算，它需要綜合建筑物可能出現(xiàn)的各種復雜的用能情況。常采用IES軟件對建筑物的能耗進行分析模擬，其中的建筑環(huán)境，是由室外氣候條件、光照情況、室內各種熱源的發(fā)熱狀況以及室內外通風狀況所決定的。要滿足建筑物的舒適及使用要求，就必須對建筑環(huán)境的變化進行相應的控制。由于建筑環(huán)境變化是由眾多因素所決定，因此只有通過計算機模擬分析的方法才能有效地預測出建筑環(huán)境在有和沒有控制時的能耗狀況，才能較準確和全面地給出建筑物內相關設備的能耗。最后可以運用時間分類的方法對計算機、熱水器等設備及各房間能耗進行分析校核，最終確定建筑物的能耗。本項目的建筑物年能耗見表1。

表1 建筑物能耗計算分析結果

以上的分析計算結果是在采用了主動節(jié)能與被動節(jié)能技術（如：建筑圍護結構、地道風、天然光導光系統(tǒng)等）以后得到的。對比于新加坡一所學校的技術培訓樓，其建筑面積4500 m2，按照“零能耗建筑”進行改造，總能耗僅為45.8kWh/ m2.a。由此可見其能耗是非常低的。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的確定

以計算出的建筑物能耗作為選用光伏電池板的基本參數(shù)，根據(jù)當?shù)靥柲苜Y源情況和建筑物可安裝電池板的面積確定光伏電池板的類型和相關參數(shù)。

（1）天津地區(qū)的太陽能資源情況

根據(jù)《天津市太陽能資源評估報告》，近30年來天津太陽總輻射特征，按照中國太陽能資源的區(qū)劃標準屬于ⅡC/X（5/7）h。總輻射為5977.6MJ/m2，可利用的太陽輻射為3880MJ/m2，占總輻射的65%；天數(shù)為199天，占全年的54.5%。

（2）本項目可以設置太陽能光伏電池板的區(qū)域有：建筑物的屋頂、立面和自行車棚等。

（3）安裝區(qū)域首先考慮屋頂，其次是自行車棚，最后考慮建筑物立面。電池板按照轉換效率最高的原則進行選擇（見表2），其安裝角度以總發(fā)電量最大為目標。

表2 相同安裝面積下的光伏電池發(fā)電量比較表

采用HIT210W光伏電池板需要在該區(qū)域鋪設1409塊，總裝機容量為295.89kWp，年發(fā)電量為299.24MWh/a。具體安裝數(shù)據(jù)見表3。

表3 光伏電池安裝參數(shù)

本項目的光伏發(fā)電量為299,240 kWh/a，而總能耗為252,716kWh/a。預留出不小于10%的不可預見量。對比于新加坡的技術培訓樓，其光伏發(fā)電量為207,000 kWh/a，能耗為206100kWh/a。

在確定光伏發(fā)電系統(tǒng)時應注意：

（1）遮擋分析：周邊建筑物對本建筑屋頂電池板的遮擋分析，建筑自身對電池板的遮擋分析，如：建筑物屋頂女兒墻、建筑物屋頂設備機房、突出屋面的設備等。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析：光伏組件參數(shù)、光伏方陣排列間距、光伏組件傾斜角度、光伏方陣模數(shù)、逆變器參數(shù)及配置情況、系統(tǒng)裝機容量、預計年發(fā)電量等。

（3）利用PVSYST軟件進行模擬分析計算：根據(jù)天津地區(qū)的經(jīng)度和緯度，通過模擬分析比較，獲取光伏組件利用效率最高的安裝傾角和安裝間距，并根據(jù)可用場地面積，設計合理的光伏組件方陣和逆變器，模擬計算出年光伏發(fā)電量。

（4）光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析：在可用場地面積和技術條件一定的前提下，以滿足零能耗建筑的用能需求為目標進行投資的分析比較。從表4的比較結果可以看出，采用轉換效率最高的光伏板其裝機容量和發(fā)電量是最高的，同時投資也是最高的。

表4 光伏電池板的靜態(tài)投資比較

2.3 微網(wǎng)及儲能技術

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受外部環(huán)境氣候影響較大，其發(fā)電量并不穩(wěn)定，與建筑物的用能情況并非一一對應，因此，必須采用與外電網(wǎng)并網(wǎng)運行的方式，才能實現(xiàn)建筑物用能平衡。

本項目采用由光伏發(fā)電、鋰電池儲能及負荷構成的微網(wǎng)系統(tǒng)。

微網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)其規(guī)模的大小分為，低壓微網(wǎng)系統(tǒng)、饋線級微網(wǎng)系統(tǒng)和變電站級微網(wǎng)系統(tǒng)。由于本項目是基于用戶的接入模式接入到配電變壓器的400V側，因此采用低壓微網(wǎng)系統(tǒng)。

2.3.1 低壓微網(wǎng)系統(tǒng)

微網(wǎng)系統(tǒng)有并網(wǎng)和孤島兩種運行模式。本項目低壓微網(wǎng)組建模式如圖1所示。將所有光伏發(fā)電和重要負荷接入到400V交流母線M1，并配置一定規(guī)模儲能裝置，共同組成低壓微網(wǎng)。通過微網(wǎng)聯(lián)絡開關實現(xiàn)與400V母線M2的連接。微網(wǎng)范圍為圖1中紅色橢圓部分，具體要求如下：

（1）在光伏電池和負荷的出口處分別設置斷路器（B1～ B6，必須具有過載保護），通過微網(wǎng)聯(lián)絡開關接入400V母線M2。

（2）微網(wǎng)所包括的斷路器均由微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)控，并確保在斷路器下級設備發(fā)生故障時動作，在上級發(fā)生故障時不動作。

（3）在外部電網(wǎng)故障時，關斷電源逆變器和全部微網(wǎng)負荷，斷開微網(wǎng)聯(lián)絡開關。隨后微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)控制儲能放電，閉合重要負荷的回路，建立微網(wǎng)電壓。微網(wǎng)電壓建立后，根據(jù)微網(wǎng)運行需要，逐步投入剩余負荷，微網(wǎng)轉入孤網(wǎng)模式。以儲能為主控單元，以光伏發(fā)電為輔助控制單元，孤網(wǎng)運行。

（4）在微網(wǎng)內部設備發(fā)生故障或進行檢修時，斷開相應斷路器。

2.3.2 鋰電池儲能

鋰電池儲能具有利用峰谷電價，調節(jié)用電的功能，但在微網(wǎng)中主要還是穩(wěn)定系統(tǒng)的運行。儲能功率在配置時不應小于重要負荷的用電量；同時還應滿足在孤網(wǎng)運行時，電網(wǎng)電壓、頻率的控制需求；在并網(wǎng)運行時，儲能發(fā)揮一定的功率控制作用；電池的容量按照光伏發(fā)電量與建筑物能耗差值最大的月份來確定。儲能系統(tǒng)配置基于以下條件：

（1）光伏出力曲線；

（2）在孤網(wǎng)運行時，儲能系統(tǒng)按30%初始容量計算，通過儲能放電（滿放）保證重要負荷持續(xù)工作2h；

（3）在并網(wǎng)運行時，儲能系統(tǒng)按25%～85%容量進行控制，控制一天不超過一次充放電循環(huán)。

2.4 能耗控制

零能耗建筑正常運轉不僅需要足夠的可再生能源——光伏發(fā)電，同時，還需要通過主動節(jié)能的各種措施，合理調節(jié)設備用能需求，降低建筑物的總能耗。

2.4.1 智能照明控制系統(tǒng)

照明用電在建筑中占有一定的比重，照明是否控制得好對照明能耗影響較大。本項目采用KNX/DALI數(shù)字化照明技術。要求所有辦公區(qū)域的熒光燈配置具有DALI數(shù)字通信接口的高頻電子鎮(zhèn)流器，LED燈配置具有DALI數(shù)字通信接口的變壓器。每個鎮(zhèn)流器、變壓器都通過數(shù)字尋址通信。其主要控制功能：

（1）每個光源作為一個獨立的通信對象，可以分別訪問和控制；

（2）光源和鎮(zhèn)流器狀態(tài)信息可實時通過總線傳至弱電機房的主機；

（3）熒光燈和LED調光可實現(xiàn)由1%～100%的亮度調節(jié)；

（4）設置集亮度感應、恒照度控制和人體感應于一體的吸頂式感應器；

（5）根據(jù)室外光線的變化，通過DALI總線對每個燈具進行斷開或調光控制。

2.4.2 空調節(jié)能控制系統(tǒng)

暖通空調系統(tǒng)消耗的能量在建筑物內占有相當大的比重?？照{設備包括：地源熱泵、空調機組、新風機組、排風機、機房空調等。通過對空調設備的節(jié)能控制，可以提高空調設備的運行效率，降低運行能耗。其主要控制功能：

（1）直流無刷風機盤管采用聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)自帶溫度傳感器。不僅可以利用現(xiàn)場的溫控器實現(xiàn)對盤管的電動閥和風機的控制，也可從后臺主機對盤管進行統(tǒng)一監(jiān)控。

（2）根據(jù)室內溫度傳感器與后臺設定的溫度相比較，通過控制模塊自動調節(jié)地板采暖系統(tǒng)分配器上電動閥的開閉，實現(xiàn)室內溫度的調節(jié)。

（3）根據(jù)室內吸頂式感應器的信號，通過輸出繼電器調節(jié)風機盤管或采暖系統(tǒng)分配器上電動閥的開閉，實現(xiàn)人走設備停。

（4）空調季通過窗磁信號和輸入模塊實現(xiàn)對風機盤管的軟開閉。房間無人時，延時斷開室內的照明和風機盤管的供電；當規(guī)定的下班時間到時，在確定無人后延時斷開室內所有供電回路，包括照明、插座、風機盤管等。

2.4.3 能耗分配控制策略

與建筑物一年的用能情況相比，光伏發(fā)電因受外部環(huán)境氣候影響，發(fā)電量波動較大，對實現(xiàn)建筑的零能耗帶來一定困難，因此，采用了一種建筑能耗指標預測和基于光伏發(fā)電的能源分配控制策略的方法來保證零能耗建筑一年用能的平衡。

首先通過模擬分析軟件等方法，建立初始能耗指標體系；根據(jù)能耗與光伏發(fā)電動態(tài)特性曲線，以能耗監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，建立能耗與光伏發(fā)電數(shù)據(jù)庫，用實際建筑能耗指標，修正初始預測的能耗指標，形成能耗指標體系；以光伏發(fā)電實際數(shù)據(jù)為依據(jù)，修正光伏發(fā)電特性曲線；以能耗指標為依據(jù)，建立能耗預警機制，最終構建均衡的能源分配控制系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑的“零能耗”。

3 零能耗建筑與綠色建筑

綠色建筑就是在建筑全壽命周期內，最大限度地節(jié)約資源、保護環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，以及與自然和諧共生的建筑。綠色建筑的實施不僅需要生態(tài)環(huán)保的理念和相應的設計方法，還需要管理人員和業(yè)主具有較強的環(huán)保意識。這種多層次和多專業(yè)合作關系，需要在整個過程中確定明晰的評定和認證體系，以定量的方式檢測建筑設計生態(tài)目標達到的效果，用一定的指標來衡量其所達到的預期環(huán)境性能。引導建筑向節(jié)能、環(huán)保、健康、舒適和高效的方向發(fā)展。世界許多國家、地區(qū)都制定了綠色建筑評價體系，如美國LEED、英國BREEAM、新加坡GREEN MARK、中國綠色建筑和中新生態(tài)城綠色建筑等等。

零能耗建筑強調的是建筑要超低能耗運轉，更精細化的控制，100%的可再生能源的使用，確保一年中建筑現(xiàn)場產(chǎn)生的能量凈額與建筑所必須的能源凈額相等。因此，零能耗建筑與綠色建筑相比，既有相同點又有不同點，見表5。

表5 零能耗建筑與綠色建筑的電氣比較

按照綠色建筑評價標準體系，零能耗建筑通常能達到最高等級。本項目按照美國LEED 白金獎、新加坡GREEN MARK 、國家綠色建筑認證三星級、中新生態(tài)城綠色建筑認證白金獎進行設計。基本上都滿足要求，但在照明方面因認證標準不同而有所不同，GREEN MARK對照度標準、照明功率密度都有具體要求；LEED僅對不同區(qū)域的照明功率密度有嚴格限制；在國家綠建標準和中新生態(tài)城綠建標準中，對照度標準和照明功率密度也有要求，見表6。

表6 不同標準的照度與照明功率密度值的對照表

4 結束語

零能耗建筑在設計、建造和使用過程中會采用許多新技術以及各種成熟的技術，同時，也對運營管理提出了更高的要求。通過實施零能耗建筑，可以為我們探索和積累更多的經(jīng)驗。也為以后的零能耗建筑、綠色建筑和其他節(jié)能建筑的設計建造及運營，提供更多的基礎數(shù)據(jù)和幫助，以使我們更好地建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的家園。

[1]許俊民. 探討零能耗建筑和零碳建筑[J]. 智能建筑科技，2010,43: 1-6.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. GB/T50378-2006 綠色建筑評價標準[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3]天津市城鄉(xiāng)建設和交通委員會. DB/T29-192-2009中新天津生態(tài)城綠色建筑評價標準[S]. 天津，2009.