如何建设智慧建筑能源微网,实现建筑由耗能向产能的转变?

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2018-02-08 17:23:54

智慧建筑跟被动式建筑、零能耗建筑以及太阳能建筑有所不同,在雾霾越来越严重的情况下,在工厂、写字楼等一些大型的建筑中间建设智能微网,是未来发展的主流。本文就如何在智慧建筑中建设能源微网进行简单的交流。

智慧建筑的概念

智慧建筑是指将建筑物的结构、系统、服务和管理根据用户的需求进行最优化组合,从而为用户提供一个高效、舒适、便利的人性化建筑环境。智能建筑是集现代科学技术之大成的产物,其技术基础主要由现代建筑技术、现代电脑技术、现代通讯技术和现代控制技术所组成。

建筑智慧化作为现代建筑的一个有机组成部分,不断吸收并采用新的可靠性技术,使传统的建筑概念赋予新的内容,稳定且持续不断改进是今后的发展方向。新兴的生物工程技术、节能环保技术、多学课新材料技术等,正在渗透到智慧建筑领域中,形成更高层次的可持续发展的智慧建筑。

现阶段建筑中间的能耗越来越大,像北方地区的供暖、用电负荷越来越大,南方地区夏天使用空调的时候能耗也比较大,未来在充电桩方面的能源需求也会越来越大,如何将光伏/光热、强电/弱电、储能/储热、充电桩和数据中心联系起来,形成能源微网应用在智慧建筑中,这在未来的发展中是非常重要的。

智慧建筑能源微网的背景趋势

“十二五”、“十三五”规划政策的陆续提出,我国已积极推动“互联网 ”智慧能源的发展。加快推进能源全领域、全环节智慧化发展,实施能源生产和利用设施智能化改造,推进能源监测、能量 计量、调度运行和管理智能化体系建设,提高能源发展可持续自适应能力。

陆续出台重要文件:

《节约能源法》《新兴能源产业发展规划》《节能减排“十二五”规划》《可再生能源“十三五”发展规划》《大气污染防治行动计划》《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》

以前的建筑考虑比较多的是用能方面,现在的建筑主要考虑的是产能。以前建筑的外墙玻璃、屋顶以及光热的使用相对来说少一些,2018年碳交易过后,在使用能源比例越来越大的情况下,建筑产能也越来越多。

以前北方的供暖都采用燃煤的形式,后来变成煤改气,现在主导的是煤改电,煤改电的工作已经全面开始,新建的建筑中将使用电锅炉来实行分布式供暖,所以电锅炉的发展将会越来越快。5亿千瓦)。

现在太阳能的成本越来越低,薄膜电池的技术也在飞速发展。最近的一些消息称薄膜电池的发电量可以占到21%左右,未来在建筑的屋顶上单晶硅、多晶硅、光热以及一些新型的技术的应用将会越来越广泛。

住建部联同工信部联合印发的《促进绿色建材生产和应用行动方案》规划中提到,到2018年,绿色建材生产比重要明显提升,发展质量将明显改善。新建建筑中绿色建材应用比例要达到30%,绿色建筑应用比例要达到50%,试点示范工程应用比例要达到70%,既有的建筑改造应用比例要提高到80%。

智慧建筑能源微网的系统组成

目前南方的分布式能源发展的比较快,工厂、商业楼宇的大面积屋顶都比较适合建设能源微网。在建设光伏建筑一体化时,把微电网、微热网和信息网三网很好的融合起来,重新搭配,把产能、用能、节能、储能、供能很好的结合起来,形成一个全新的组合。

系统组成:

智能微网系统采用多种新型能源供电,是新型电力电子技术、分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的综合,集成多个分布式发电单元和负荷作为一个单独的电网系统,可独立向负载供电或与市电配合向负载供电。

1、光伏屋顶

这是一个建筑一体化的写字楼项目。写字楼的屋顶全部用光伏覆盖,朝南的墙壁做成薄膜电池,使用的是太阳能的光伏薄膜,晚上的时候可以呈现

LED或者广告牌的效果,西面的墙壁也采用同样的方式,虽然发电量会有所降低,但是总的来说,外墙薄膜加上屋顶光伏产生的能源量还是非常大的。

设计这种一体化写字楼的客户大多数考虑的是成本问题,因为这种技术比普通的玻璃幕墙成本要高,但个人认为最主要的还是安全问题,因为建筑带电,未来在运维、擦洗等方面都是需要重点考虑的。当然现在太阳能技术发展迅猛,完全能保证安全问题,现在看这种技术的成本要稍微高一些,但是未来的5-7年就能完全收回成本,因为相比而言,商业电价会比较高。

2、太阳能光电幕墙

太阳能光电幕是一种高科技产品,集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身的新型建材,特别是太阳能电池发电不会排放二氧化碳或产生对温室效应有害的气体,也无噪音,是一种净能源,与环境有很好的相容性,是未来的一种发展趋势。未来薄膜电池发展会越来越快,将大面积投入到玻璃幕墙的使用中。

3、光热供暖,空调系统

“十三五”规划已经启动,规划首次将太阳能热利用行业纳入其中,并提出8亿平方米保有量的目标任务。推广光伏等清洁供暖技术替代燃煤锅炉供热,不仅可有效利用风能资源,减少煤炭等化石能源消耗,而且对解决城镇供热等民生问题和改善大气环境质量具有非常重要的作用。

目前,北方地区由于冬季供暖造成的雾霾非常严重,取暖费用也非常高,特别是今年,供气的成本不断加高,甚至还出现缺气的情况。个人认为在一些偏远的地方采取光热供暖是一种比较好的选择,成本也会整体下降,这些光热的设备也可以在夏天的时候供空调使用。

南疆或者南方地区比较适用空气源热泵,因为空气源热泵即使在-26℃的情况下也可以正常使用,它的节能性和效果都是比较好的,所以可以在别墅上大面积使用。

4、太阳能供暖与电锅炉互补系统

太阳能供暖与电锅炉互补系统是集加热、储能、热交换及电控技术于一体的高科技产品,采用了先进的水电分离技术、高压控制技术和储能保温技术,将夜晚电网闲置的低谷电以及弃风电、弃光伏电等能源转换成热能储存起来,通过交换装置全天24小时连续释放,实现了大规模和超大规模供热能力,可以完全替代目前广泛使用的燃煤、燃气、燃油锅炉,使用过程中没有任何废气、废水、废渣的产生,实现了二氧化碳零排放,是供热领域环保升级换代的可选产品。

现在的工厂在生产时需要蒸汽,就可以用太阳能聚热的方式产生蒸汽,然后用熔盐储热的方式储存一部分热量,保证持续稳定的生产;冬天可以采取光热的方式跟电进行互补,白天聚光产生热量,晚上采用电锅炉进行供暖。

从太阳能供暖和电锅炉互补性方面来讲,在工厂面积比较大的情况下,可以采用太阳能来供暖,锅炉作为储热备用,相互备份,这种一次性的投资成本可能会比较高,但是从长期来看,白天用太阳能供暖成本比较低,晚上用电锅炉作为互补系统相对比较安全,如果太阳能出现了质量问题或者供暖不足的情况下,用电锅炉进行补充是个非常好的选择。

5、空气源热泵

现在电锅炉使用的安全性或者清洁性总体来说都比较好,而且是全自动化,但是相比而言,空气源热泵的效果会更好一些,特别是在南方地区,目前南方地区的取暖方式主要还是空调,但是用空气源热泵会比用空调要省电50%甚至更多。

6、储能系统

为了微电网的平衡,一定要有一个储能系统来储电。储能电池有多种,有铅酸电池、液流电池、锂电池等,但是总体来说,储电的成本还是比较高的。

以前每个建筑都有EPS、UPS,PCS目前使用的比较少。UPS也叫不间断电源,这种不间断电源从安装到结束使用的越少寿命就越短,EPS、直流屏电池也一样,如何把EPS、UPS以及直流电池整个用PCS来代替呢?

在微电网中应用比较多的另外一块是充电桩,充电桩电流非常大,多辆车同时充电会对电压造成巨大的影响,所以增加一些储能系统,在白天充电高峰的时候用电池的电给电动车充电就不会影响到电压和电的稳定性,晚上还可以吸纳低谷电,整体优势比较明显。

储能在PCS综合利用上比较少,但是整体来讲这是个趋势。在建筑一体化上,储电的运用会越来越多,但是铅酸电池的占地面积比较大,所以采用锂电池会比较好,但是锂电池成本比较高,所以总的来说,在电池储能方面还没有特别好的方案,如果能将电池的体积变小或者成本降低,那PCS在能源中的应用将会越来越广泛。

大规模的储电难度比较大,成本比较高,储热的方式相对会比较好一点。储热可以采用一、水储热,但是体积比较大,二、用锅炉储热,三、用熔盐储热,它们各自的优势会不一样,如果有空间,那水储热的成本最低;如果用锅炉储热,相对来讲固体储热的比热相对较好,但是寿命会比较短。

现在有一种新的锅炉叫熔盐锅炉,可以在晚上的时候烧成熔盐,把温度升高到400-500度,白天再慢慢释放,这种方式在大规模工厂以及写字楼会比较适用。如果工厂或者写字楼规模比较小,建议使用碳纤维这种方式供暖,因为这种方式的负荷不算大。

一些老的房屋改造需要增容,可以采用异聚态,不管是白天还是晚上都会产生能量,冬天的热比可以做到1:3,夏天可以做到1:5,这种效率比空气源热泵的效率要更好一点,这样的话整个用电负荷比直接产生电的供热方式成本要低很多,效率也高出很多。

储电、储热这两种方式对整个大楼能源微网的安全和稳定性非常有好处,所以在新建的建筑中间,把储能、储热系统设计进去节能效果会比较明显。

现在电动车发展的很快,老的建筑或者地下室直接加上充电桩的话,电流相对会比较大,变压器可能会承受不了,所以建议在设计的过程中增加储能系统,在低谷的时候储电,在高峰的时候通过电池的方式给电动车充电,这样对微电网建设的安全性效果会比较好。

智慧建筑能源微网运行管理

数据中心在大楼的用电负荷中也是巨大的。数据中心必须24小时不断电,在大楼数据中心的建设过程中,建议建成模块化数据中心,模块化数据中心有个优点就是边成长边建设,可扩展性比较强,但是电源供应必须要一次性到位,所以建议在整个微电网的建设过程中,把数据中心的数量定一个相对比较大的容量,这样整个规划设计会比较好

数据中心建成以后,可以对整个大楼的光伏、光热、玻璃幕墙、强电、弱电、储能进行很好的能源管理或运维,能源管理的方式要智能化,信息化程度要非常高。

1、智慧能源数据架构

在智慧数据架构设计上,平台主站主要分为设备台账数据、运行数据、规划数据、仿真评估数据、能量管理数据、有序用电数据、售电管理数据、运维数据以及平台门户数据,为整个系统的业务流转提供支撑。

在整个设计过程中首先要确保能源管理的安全问题。据统计,现在建筑起火的原因67%来自于电路,因为增加了光伏、光热、储电、储热、充电桩、数据中心,整个系统变得更加复杂,所以要确保安全性,要求会更高。

我们可以利用现在物联网的传感技术,把每一个数据精确的传输到机房,准确把握能源数据,找到不安全的点,知道负荷如何变化,高峰低谷情况怎么样,对整个电源质量或者能源效果进行分析。

2、智慧能源管理平台

通过智慧能源管理平台可以把控电源的安全,目前我们希望做到至少在3个月前就能知道大楼的风险在哪里,便于及时排除故障,未来可能会要求半年甚至一年的提前预知期。

建筑节能是一个趋势,那该如何实现节能?

通过产能来实现节能通过峰谷电价来节能通过能源管理实现节能

很多建筑在铺设电线的过程中,一开始电线供应不足,对能量的估计也不足,所以后面增容的时候比较麻烦,尤其是机房,增加的速度往往比想象的快很多,所以通过能源大数据来计算未来增长的比例,在确保安全的情况下再做能源微网的拓展就比较有意义。

智慧建筑能源微网的市场应用

1、北京首都机场

有业内人士指出,《太阳能发展“十三五”规划》已明确指出将大力推进光伏发电的多元化应用,机场建设光伏电站不仅能够为机场提供绿色能源,节能减排,降低成本,同时,还能成为普通民众了解光伏的窗口,为普及可再生绿色能源提供非常好的宣传渠道。

2、京沪高铁南京南站及智慧物流中心

目前能源管理的应用非常广泛,可以在机场、火车站、高铁站等大面积屋顶使用光伏、玻璃幕墙等能源一体化的建设,这种大型的场所能耗也非常高,从这些建筑入手,节能效果会更明显。

问答

1、 目前小区、机关单位、商业等停车场的智能充电桩资金方有哪些主体?

第一种,如果甲方自己投资当然是最好;第二种,如果能计算出收益,会有很多的资金方愿意来投资,尤其充电桩这块,未来整体的收益会比较好,但是因为目前收益率比较低,充电桩负荷也比较少,但是现在愿意投资的还是比较多的。

2、 目前推广智慧建筑能源微电网主要遇到的问题是什么,你预测建筑能源微电网大面积推广是什么时间?作为投资者现在投资智慧建筑能源微电网收益怎么样?

最大的问题是一次性的投资会比较大,很多客户没有这么多的资金,未来可能采用合同能源管理的方式会比较好。能源微网的收益在商业屋顶的效果比较好,特别是南方地区。作为投资者投资智慧建筑能源微电网的收益比投资光伏电站的收益要高,因为它有光伏、储能、充电桩售电、供暖、以及数据中心信息化管理的收益,综合收益率比较高。

总的来说投资智慧建筑能源微网的稳定性比较好,因为一、用电负荷比较稳定,二、管理起来比较方便,三、风险比较低,目前最大的问题应该就是合同能源管理还没有一个完善的商业模式,现在还在探讨阶段。

3、 现在有没有投资建筑能源微电网的案例?

光伏 光热、储能 储热、充电桩 数据中心这种完整的案例还不算多,但是这些应用各个建筑里面都有,通过智慧能源云平台连在一起形成能源微网就可以了。

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