可再生能源及其監(jiān)管系統(tǒng)

趙 慧, 宋 蒙

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710061)

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可再生能源及其監(jiān)管系統(tǒng)

趙 慧, 宋 蒙

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710061)

可再生能源監(jiān)管是建筑智能化技術(shù)的拓展應(yīng)用。結(jié)合GB 50314—2015《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》,研究了智能建筑中可再生能源的應(yīng)用及其監(jiān)管的內(nèi)容、要求,分析了監(jiān)測與管理在可再生能源利用的重要性,表明采取完善的監(jiān)測和管理措施,可使各類可再生能源資源得到合理配置,提高資源的利用效率和效益,且能推進(jìn)可再生能源工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

智能建筑; 可再生能源; 能源監(jiān)測; 能源管理

0 引 言

智能建筑向著綠色、生態(tài)方向發(fā)展,建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備均有了相應(yīng)的變化,建筑設(shè)備中增加了能耗采集、可再生能源的利用設(shè)施和系統(tǒng)后,建筑智能化的內(nèi)容也隨之?dāng)U展,如各類機(jī)電能耗監(jiān)控管理、可再生能源監(jiān)控管理等。在擴(kuò)展后的智能建筑組成中,能耗監(jiān)管系統(tǒng)和可再生能源監(jiān)管系統(tǒng)都隸屬于建筑設(shè)備管理系統(tǒng)[1]。

1 建筑中可再生能源的應(yīng)用

1.1 太陽能

目前,太陽能在建筑中的利用方式主要為太陽能光電利用技術(shù)、太陽能光熱利用技術(shù)。從我國的實(shí)際情況和居民的經(jīng)濟(jì)能力看,太陽能光電技術(shù)成本過高,尚未能在建筑中大規(guī)模推廣應(yīng)用。太陽能光熱利用技術(shù)是利用太陽能來滿足建筑中熱水、采暖、空調(diào)的需要,實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的有效方法。

(1) 太陽能光電利用技術(shù)(光伏發(fā)電)最常見的應(yīng)用為太陽能電池,但目前用于商業(yè)生產(chǎn)的太陽能電池效率只有13%～15%,而在實(shí)驗(yàn)室制成的太陽能電池效率僅為23%～24%。太陽能光伏電池制造成本雖逐年下降,但仍處于較高的水平,相應(yīng)的發(fā)電成本與常規(guī)能源尚不具備可比性。目前,國內(nèi)投入使用的太陽能光伏電池約為 6 萬kW,在建筑中的應(yīng)用尚處于示范與探索階段。

從發(fā)展趨勢來看,今后光伏建筑技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)將以開發(fā)高效率、低成本新型光伏電池為主,以并網(wǎng)屋頂系統(tǒng)和大型并網(wǎng)系統(tǒng)為主攻方向。20世紀(jì) 90 年代以來,許多國家對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)很重視,美國開展了100萬套屋頂光伏計(jì)劃,德國推出了如10萬套屋頂計(jì)劃等。與國外相比,我國光伏建筑技術(shù)在應(yīng)用上處于起步階段,如 2007年首個(gè)小區(qū)屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)在浙江慈溪市投用。該光伏電站每年發(fā)電 3～4 萬kWh,電站所發(fā)的電能全部用于地下車庫照明,在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了居民住宅小區(qū)屋頂太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。

(2) 太陽光熱利用技術(shù)主要用于熱水、太陽房、太陽灶、采暖與空調(diào)、制冷等領(lǐng)域,其中技術(shù)最成熟、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的是家用太陽能熱水器系統(tǒng)。

1.2 地?zé)崮?/p>

地?zé)崮芊植枷鄬Ρ容^分散,開采難度大,受資源條件限制。近年來,利用地表淺層地?zé)岬牡卦礋岜眉夹g(shù)得到了長足的發(fā)展。淺層地?zé)岚ㄍ寥?、地表水和地下水等蘊(yùn)含的低品位熱能,可認(rèn)為是更為廣泛意義上的地?zé)豳Y源。因地源熱泵技術(shù)受地?zé)豳Y源條件的限制較小,因此在建筑中的應(yīng)用最多。

地源熱泵技術(shù)是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩(wěn)定的特性,通過消耗電能,在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方,在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中,達(dá)到降溫或制冷的目的,同時(shí)還可供應(yīng)生活用水。地源熱泵系統(tǒng)包括三種不同的系統(tǒng):利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵,又稱為地下耦合熱泵系統(tǒng)或地下熱交換器熱泵系統(tǒng);利用地下水作為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng);利用地表水作為冷熱源的地表水熱泵系統(tǒng)[2]。

2 可再生能源監(jiān)管系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可再生能源監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)由可再生能源監(jiān)測系統(tǒng)和可再生能源管理系統(tǒng)組成,如圖1所示。

圖1 可再生能源監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 可再生能源監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》,可再生能源建筑數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主要通過安裝數(shù)據(jù)計(jì)量和采集裝置,對可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目、太陽能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目和可再生能源建筑應(yīng)用示范城市/縣的建設(shè)項(xiàng)目的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)分析。按照類別，可分為太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能供熱采暖系統(tǒng)、太陽能供熱制冷系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集指標(biāo)包括基本信息數(shù)據(jù)和監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)兩類。不同的可再生能源系統(tǒng)對應(yīng)不同的監(jiān)測指標(biāo)。監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)

可再生能源監(jiān)測系統(tǒng)可基本設(shè)計(jì)如下:

(1)太陽能熱水系統(tǒng)和太陽能供熱采暖系統(tǒng)。

① 室外溫度,在太陽能熱水系統(tǒng)/太陽能供熱采暖系統(tǒng)附近設(shè)計(jì)1個(gè)室外溫度傳感器(需有防輻射罩),當(dāng)有多個(gè)系統(tǒng)時(shí)選擇典型的系統(tǒng)。

② 太陽能總輻射,平行于太陽能集熱器設(shè)1個(gè)太陽能總輻射傳感器,當(dāng)系統(tǒng)的多個(gè)采光面或傾角(傾角之差大于10°)設(shè)計(jì)有太陽能集熱器時(shí),則平行于每個(gè)采光面或者傾角的太陽能集熱器均需設(shè)計(jì)1個(gè)太陽能總輻射傳感器。

③ 集熱系統(tǒng)進(jìn)出口溫度,在集熱系統(tǒng)的進(jìn)出管路上各設(shè)計(jì)1個(gè)水溫度傳感器。

④ 集熱系統(tǒng)循環(huán)流量,在集熱系統(tǒng)的進(jìn)水管或出水管路上設(shè)計(jì)1個(gè)水流量傳感器。

⑤ 輔助熱源,當(dāng)系統(tǒng)采用電熱鍋爐、電加熱器、空氣源熱泵機(jī)組等作為輔助熱源時(shí),在系統(tǒng)(集中供熱水箱或分戶供熱水箱)輔助熱源的配電輸入端布置電能表,數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)輔助熱源的配電系統(tǒng)情況確定。

(2)太陽能光伏系統(tǒng)。

① 水平、斜面太陽能輻射量,平行于太陽能集熱器設(shè)1個(gè)太陽能總輻射傳感器,當(dāng)系統(tǒng)的多個(gè)采光面或傾角(傾角之差大于10°)設(shè)計(jì)有太陽能集熱器時(shí),則平行于每個(gè)采光面或者傾角的太陽能集熱器均需設(shè)計(jì)1個(gè)太陽能總輻射傳感器,接收水平太陽能輻射量。在太陽能集熱器旁邊固定設(shè)置1個(gè)太陽能總輻射傳感器,接收斜面太陽能輻射量。

② 室外溫度,在太陽能光伏系統(tǒng)附近設(shè)計(jì)1個(gè)室外溫度傳感器(需有防輻射罩),當(dāng)有多個(gè)系統(tǒng)時(shí),選擇典型的系統(tǒng)。

③ 光伏組件背板表面溫度,在太陽能光伏組件上設(shè)計(jì)1個(gè)溫度傳感器。

④ 發(fā)電量,在市電網(wǎng)進(jìn)戶端安裝1個(gè)電量變送器,監(jiān)測由市電網(wǎng)送來的電量;在市電網(wǎng)進(jìn)戶端安裝1個(gè)電量變送器,監(jiān)測由市電網(wǎng)輸出的電量。

⑤ 電流、電壓,在太陽能光伏系統(tǒng)上連接1個(gè)電壓表和1個(gè)電流表。

(3) 地源熱泵系統(tǒng)。

① 室外溫度,在太陽能熱水系統(tǒng)/太陽能供熱制冷系統(tǒng)附近設(shè)計(jì)1個(gè)室外溫度傳感器(需有防輻射罩),當(dāng)有多個(gè)地源熱泵機(jī)房時(shí),選擇典型的機(jī)房。

② 系統(tǒng)熱源側(cè)、系統(tǒng)用戶側(cè)進(jìn)出水溫度,在地源熱泵的熱源側(cè)和用戶側(cè)總進(jìn)出水管各設(shè)計(jì)1個(gè)水溫度傳感器。

③ 系統(tǒng)熱源側(cè)、系統(tǒng)用戶側(cè)循環(huán)水流量,在系統(tǒng)熱源側(cè)和用戶側(cè)的進(jìn)出管路上各設(shè)計(jì)1個(gè)循環(huán)水流量傳感器。

④ 系統(tǒng)耗電量,在地源熱泵系統(tǒng)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)有獨(dú)立的配電回路時(shí),在總配電回路輸入端設(shè)計(jì)1個(gè)普通電能表。當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)的配電回路分散設(shè)計(jì)時(shí),需要根據(jù)配電系統(tǒng)的實(shí)際情況確定普通電能表的數(shù)量。

⑤ 機(jī)組熱源側(cè)、機(jī)組用戶側(cè)進(jìn)出水溫度,在機(jī)組用戶側(cè)的進(jìn)出管路上各設(shè)計(jì)1個(gè)水溫度傳感器。

⑥ 機(jī)組熱源側(cè)、機(jī)組用戶側(cè)循環(huán)水流量,在機(jī)組用戶側(cè)的進(jìn)水管或出水管路上設(shè)計(jì)1個(gè)循環(huán)水流量傳感器。

⑦ 機(jī)組輸入功率,在所監(jiān)測的地源熱泵機(jī)組配電輸入端設(shè)計(jì)1個(gè)功率傳感器或普通電表。

⑧ 機(jī)組耗電量,在所監(jiān)測的地源熱泵機(jī)組配電輸入端布置電能表,電能表的數(shù)量根據(jù)機(jī)組的配電系統(tǒng)情況確定。

⑨ 水泵耗電量,在所監(jiān)測的地源熱泵水泵配電輸入端布置電能表,數(shù)量根據(jù)水泵的配電系統(tǒng)情況確定。

數(shù)據(jù)采集方式包括人工采集方式和自動(dòng)采集方式。人工采集的數(shù)據(jù)為示范項(xiàng)目的基本信息以及需要人工定期填寫的監(jiān)測數(shù)據(jù)。自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)為監(jiān)測指標(biāo),由自動(dòng)計(jì)量裝置實(shí)時(shí)采集監(jiān)測數(shù)據(jù),通過自動(dòng)傳輸方式實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

2.3 可再生能源管理系統(tǒng)

把智能建筑中可再生能源采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理后,就需要將數(shù)據(jù)傳入主控制器中進(jìn)行處理、分析、判斷。根據(jù)Frost & Sullivan公司的研究報(bào)告,使用能源分析軟件可以減少高達(dá)15%的能源損耗,而使用能源分析報(bào)表可以確定能源使用的高峰期。對于分時(shí)計(jì)價(jià)的系統(tǒng),通過能源分析軟件,可以將能源負(fù)載移至非高峰期(低谷),實(shí)現(xiàn)消峰填谷,可以節(jié)省能源費(fèi)用。能源數(shù)據(jù)判斷機(jī)制是能源使用是否符合標(biāo)準(zhǔn),從而給予快捷、直觀的評價(jià)與施效,最后反饋至系統(tǒng)。

可再生能源管理系統(tǒng)主要由以下模塊組成。

(1) 能源檔案模塊。在每次的新能源數(shù)據(jù)采集和處理后,定期進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和管理,并對各個(gè)設(shè)備的異常狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)注,不僅能對能源的使用有直觀的了解,更能對未來能源的使用進(jìn)行趨勢顯示,對新能源的使用和管理提供可靠數(shù)據(jù)。

(2) 能源分析模塊。數(shù)據(jù)采集完成后傳入主控制器,需要對可再生能源的使用進(jìn)行分析,然后進(jìn)行圖像或表格繪制,了解能源負(fù)載使用的高峰期、能源的使用率等,從而轉(zhuǎn)移能源負(fù)載使用時(shí)間,實(shí)現(xiàn)消峰填谷的現(xiàn)象。

為了能夠滿足各種用戶的需要,能源分析模塊需要將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)的表格繪制。為了更加清晰、直觀,還應(yīng)繪制出與其他能源消耗對比的圖像[3]。

(3) 能源反饋模塊。當(dāng)使用可再生能源時(shí),使用智能化技術(shù)來確保能源的使用安全。在太陽能熱水/采暖供熱系統(tǒng)中,如果監(jiān)測系統(tǒng)檢測到集熱器的出水溫度過低,則集熱器會轉(zhuǎn)動(dòng)角度跟隨太陽方向,以便實(shí)現(xiàn)集熱器采集到更多太陽光。系統(tǒng)會將溫度反饋至主控制中心,當(dāng)達(dá)到戶主設(shè)定集熱器采集溫度時(shí),集熱器停止轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)能源反饋。太陽能供熱制冷系統(tǒng),需要監(jiān)視太陽能上水泵、熱水循環(huán)泵和熱媒水循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)及水溫,水泵發(fā)生故障時(shí)報(bào)警;水泵中的水到達(dá)上限或下限時(shí),及時(shí)進(jìn)行進(jìn)水或排水;當(dāng)水溫過高或過低時(shí),及時(shí)從進(jìn)水口進(jìn)冷水或熱水,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

(4) 能源成本模塊。根據(jù)能量表的數(shù)據(jù)和費(fèi)率情況,用戶較容易地分析能源費(fèi)用,確定設(shè)施能耗的基準(zhǔn),計(jì)算出效率,再進(jìn)行調(diào)整,測算能源減少策略對成本的影響,更好地管理預(yù)算和精確預(yù)測未來成本。

在成本管理中應(yīng)有賬單校對,即比較計(jì)算值與實(shí)際發(fā)票金額,檢查帳單的問題。用戶也可以手動(dòng)輸入發(fā)票上的數(shù)據(jù)建立歷史基線;成本分析,即在一個(gè)站點(diǎn)或多個(gè)站點(diǎn)中,子能量表或多個(gè)主能量表影響總能耗成本;成本排列,即以確定最經(jīng)濟(jì)的能源,基于室外空氣溫度和面積將數(shù)據(jù)程式化。預(yù)算報(bào)告,即用戶可以輸入預(yù)算或使用歷史數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù),然后根據(jù)實(shí)際發(fā)生的費(fèi)用作出預(yù)測報(bào)告，提前采取預(yù)防措施。假設(shè)分析,即預(yù)測未來成本用戶以不同的消耗模式和不同程度的需求作為變量,采用不同的策略分析節(jié)能;費(fèi)率的比較,即分析可替代的費(fèi)率和能源在實(shí)施前,確定有效的能源使用策略。

可再生能源監(jiān)管系統(tǒng)能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)下的綠色環(huán)保建筑提供有效支撐,確保了新能源使用的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié) 語

本文主要介紹了可再生能源在智能建筑中的應(yīng)用及其監(jiān)管系統(tǒng),表明采取完善的監(jiān)測和管理措施,不僅可以使各類可再生能源得到合理配置,提高資源的利用效率和效益,而且能夠推進(jìn)可再生能源工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)各類可再生能源對傳統(tǒng)能源的合理替代,保證經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

近年來,為了使新能源得到充分的開發(fā)和利用,可再生能源監(jiān)管系統(tǒng)已成為使用新能源最為重要的一部分。因此,發(fā)展可再生能源,建立可再生能源監(jiān)管系統(tǒng),成為今后能源領(lǐng)域的重點(diǎn)。

[1] 王娜,沈國民.智能建筑概論[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

[2] 王娜,李界家.智能節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[3] 智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):GB 50314—2015[S].

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Renewable Energy and Its Monitoring and Management System

ZHAO Hui,SONG Meng

(School of Electronic & Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

Renewable energy regulation is the development and application of intelligent building technology.Combining by GB 50314—2015 and the “Technical Guideline for Data Monitoring System of Renewable Energy Building Application Demonstration Project”,this paper researched the application of renewable energy in intelligent building and the contents and requirements of its supervision,and analyzed the importance of monitoring and management in the utilization of renewable energy.The results show that the perfect monitoring and management measures makes all kinds of renewable energy resources have reasonable configurations which improves the use efficiency and benefits of renewable energy,and promotes the industry modernization of renewable energy.

intelligent building; renewable energy; energy monitoring; energy management

TU 201.5

B

1674-8417(2016)10-0021-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.007

2016-10-08

宋 蒙(1993—),女,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>