萬(wàn)吉祥（四川電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，四川成都610041）

變電站建筑太陽(yáng)能一體化研究

萬(wàn)吉祥（四川電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，四川成都610041）

我國(guó)中西部有廣大的高原、山地等自然資源充沛的地區(qū)，隨著我國(guó)發(fā)電能源由傳統(tǒng)的化石、水等傳統(tǒng)二次能源向風(fēng)、太陽(yáng)、潮汐等新一次能源的轉(zhuǎn)變，國(guó)家政策支持下的新型清潔環(huán)保的新能源發(fā)電方式更符合資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的發(fā)展理念。因此，與之相匹配的送變電工程也更多地向風(fēng)大光照強(qiáng)烈的地區(qū)集中。

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)建筑能耗占社會(huì)總能耗的比較大，熱水、空調(diào)和采暖能耗占建筑能耗的65%左右，而綜合利用太陽(yáng)能，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能建筑一體化及太陽(yáng)能光熱光電綜合應(yīng)用一體化，可節(jié)約建筑能耗約50%。針對(duì)變電站建筑需求提供一體化解決方案。

從國(guó)家政策層面上看，提倡節(jié)能減排的發(fā)展模式，用科技創(chuàng)新逐漸代替低附加值的發(fā)展方式，大力發(fā)展綠色建筑；

從行業(yè)內(nèi)部要求上看，國(guó)家電網(wǎng)公司基建部在全國(guó)企業(yè)內(nèi)部推行兩型一化、全壽命周期的建設(shè)理念；并且在《國(guó)網(wǎng)基建部關(guān)于發(fā)布設(shè)計(jì)新技術(shù)推廣應(yīng)用實(shí)施目錄（2014年版第一批）的通知》中，就變電站太陽(yáng)能技術(shù)的應(yīng)用提出了詳細(xì)的要求；

從地方行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上看，舉例如 《四川省綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范5.2.8條中表述：太陽(yáng)能資源較豐富的二類(lèi)及以上地區(qū)，選擇適宜的太陽(yáng)能系統(tǒng)用于采暖、制冷、照明或熱水供應(yīng)。

因此，在日照條件充足的地區(qū)，有條件的地方實(shí)現(xiàn)變電站太陽(yáng)能一體化設(shè)計(jì)施工，讓設(shè)計(jì)和施工兩者做到同步規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)和同步施工。讓太陽(yáng)能與建筑結(jié)合是讓太陽(yáng)能利用與建筑設(shè)計(jì)有機(jī)地成為一個(gè)整體，讓已經(jīng)成熟的建筑太陽(yáng)能利用技術(shù)及產(chǎn)品與建筑設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，成為低碳、節(jié)能、環(huán)保的綠色建筑。

2 變電站建筑的特點(diǎn)

常理來(lái)說(shuō)，變電站分為兩種：主變壓器在室外的常規(guī)變電站和主變壓器在室內(nèi)的城區(qū)戶(hù)內(nèi)變電站。前者占地小且多為單層建筑，后者占地大多為多層建筑（有時(shí)還有地下層）。

由于國(guó)網(wǎng)正在推行無(wú)人值班的智能化變電站，最終的結(jié)果是變電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、管理和維護(hù)的無(wú)人化全過(guò)程。因此以往變電站內(nèi)有關(guān)辦公、住宿的功能用房全部取消，非生產(chǎn)部分僅保留公廁、資料室等供有人檢修、存儲(chǔ)的一般性功能用房。因此生產(chǎn)性廠房?jī)?nèi)幾乎均為配電裝置室和二次設(shè)備間、蓄電池室等生產(chǎn)用房。

3 建筑太陽(yáng)能利用的特點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和實(shí)際使用情況看，建筑太陽(yáng)能利用分為光轉(zhuǎn)熱和光轉(zhuǎn)電兩種利用方式，簡(jiǎn)言之就是太陽(yáng)能發(fā)熱和太陽(yáng)能發(fā)電。

建筑太陽(yáng)能發(fā)熱利用分被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。前者利用太陽(yáng)東升西落、在南北回歸線(xiàn)緯度內(nèi)循環(huán)直射的自然條件，根據(jù)建筑所在地積極地采取設(shè)計(jì)措施來(lái)充分利用太陽(yáng)日照本身的帶來(lái)的自然照明、自然加熱并利用受熱不均引起的不同部位的溫差引導(dǎo)氣流的組織而形成風(fēng)。例如：北半球建筑有日照采暖需求的房間布置在南側(cè)或偏南側(cè)，這樣保證一年四季均可以享受到日光浴。

主動(dòng)式太陽(yáng)能利用，主要方法是根據(jù)建筑使用功能，利用光轉(zhuǎn)熱、光轉(zhuǎn)電等設(shè)備，給這些房間輔助加以提供采暖或照明。光轉(zhuǎn)熱的話(huà)，常規(guī)在屋頂上與水平面呈45°角朝南向設(shè)置真空太陽(yáng)能吸光管，利用真空管內(nèi)部的黑色吸熱材料持續(xù)吸熱，管內(nèi)的熱量通過(guò)支管-主管最終以熱能的形式儲(chǔ)存或釋放出來(lái)。為什么是儲(chǔ)存或釋放呢？這是根據(jù)搜集后的熱源使用方式的不同而區(qū)分的。由于太陽(yáng)僅在白天才有，如果使用房間也僅僅需要白天時(shí)候取暖，那么采用風(fēng)機(jī)直接將匯到總管的熱量“吹”向使用房間，只需要加設(shè)溫度控制閥和風(fēng)速聯(lián)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度即可；如果使用房間晝夜對(duì)室內(nèi)溫度均有加熱保暖的要求，那么之前即時(shí)性的風(fēng)暖裝置在晚上就無(wú)法使用，這時(shí)就須引入一個(gè)儲(chǔ)熱裝置，將白天集熱管內(nèi)聚集用不完的熱能儲(chǔ)存至水或油的介質(zhì)中，到夜晚再將其釋放至房間內(nèi)，達(dá)到晝夜均可以加熱的效果。

值得注意的是，建筑太陽(yáng)能被動(dòng)式或主動(dòng)式利用，兩者并不相矛盾或沖突。前者更多體現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)方案，后者更多體現(xiàn)在建筑設(shè)備中。兩者相輔相成，提倡以前者為主，后者輔助，共同作用達(dá)到最終效果。

建筑太陽(yáng)能發(fā)電，由于屋面光伏效應(yīng)較光熱相應(yīng)轉(zhuǎn)換效率較低，加之屋面面積有限，因此難以形成較強(qiáng)電勢(shì)的電能。加上光伏發(fā)電及時(shí)在日照強(qiáng)烈的白天，也易受云朵、短時(shí)天氣的變化而影響發(fā)電的穩(wěn)定性。因此須要加設(shè)一個(gè)儲(chǔ)電蓄電池，為建筑內(nèi)用電點(diǎn)提供穩(wěn)定可靠的直流電能。

就如之前說(shuō)的，有限的光伏效應(yīng)加上功率較小的直流電源，導(dǎo)致其所服務(wù)的用電設(shè)備在建筑上只能是節(jié)能燈這樣的低功耗用電點(diǎn)。諸如空調(diào)、電機(jī)、電源插座等功率較大的電源還需要建筑配電單獨(dú)設(shè)計(jì)。其使用效果最多作為一種補(bǔ)充。

4 變電站建筑的太陽(yáng)能利用特點(diǎn)

前兩部分已經(jīng)就建筑的太陽(yáng)能利用和變電站建筑的特點(diǎn)分別進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。那么在變電站建筑中如何做到太陽(yáng)能的有效合理利用呢？

（1）需要對(duì)變電站所在地進(jìn)行評(píng)估，第一要素就是根據(jù)我國(guó)太能能分布區(qū)劃圖，判斷所在地是否屬于太陽(yáng)光照強(qiáng)度Ⅱ類(lèi)及以上地區(qū)。因?yàn)檫@一切的前提都是要求有好的日照條件，假若選擇日照不強(qiáng)烈的地區(qū)，雖然也可以帶來(lái)光熱或光電轉(zhuǎn)換，但效果必然打折。

（2）結(jié)合政策、當(dāng)?shù)貤l件因地制宜，有針對(duì)性地做到太陽(yáng)能利用。通俗來(lái)說(shuō)就是，在國(guó)家或地方鼓勵(lì)利用太陽(yáng)能的地區(qū)，積極爭(zhēng)取相關(guān)政策或資金支持。在這根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚧蚴褂脳l件，配合暖通和電氣專(zhuān)業(yè)看是否需要加設(shè)太陽(yáng)能裝置。例如，如果當(dāng)?shù)夭恍枰膳蛘咦冸娬緝?nèi)長(zhǎng)期供有大量多余的自用電，那么使用光熱或光伏系統(tǒng)就是值得商榷的事情。

（3）如果確定加設(shè)太陽(yáng)能裝置，那么在建筑前期的設(shè)計(jì)階段就要引入太陽(yáng)能裝置的安裝和建筑立面及構(gòu)造的關(guān)系。例如太陽(yáng)能板本身需要朝南并與水平呈45°角架設(shè)安裝，那么可以在建筑設(shè)計(jì)階段將屋面設(shè)計(jì)成坡屋面或者局部坡屋面，保證南向的屋面呈向陽(yáng)的傾斜狀。如果收建筑占地面積不大等外部條件制約，屋面即使全部放置太陽(yáng)能板也無(wú)法滿(mǎn)足室內(nèi)房間對(duì)熱能和電能的使用要求，可以考慮在建筑南向外墻上加設(shè)太陽(yáng)能板。這種方式需要在建筑外墻的構(gòu)造上提前做好設(shè)計(jì)前期協(xié)調(diào)工作，建筑上保證外墻耐火極限和耐久性的相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)上滿(mǎn)足荷載安全使用要求，暖通電氣上滿(mǎn)足管道電線(xiàn)敷設(shè)要求：需要各專(zhuān)業(yè)積極配合，并結(jié)合建筑外立面美觀大方的原則做到同步設(shè)計(jì)。

（4）需要指出的是，變電站建筑為工業(yè)廠房，建筑內(nèi)的配電間安全等級(jí)十分重要 （如若故障停電導(dǎo)致電網(wǎng)大面積停電所帶來(lái)的衍生破壞十分嚴(yán)重），結(jié)合考慮今后的發(fā)展想象是少人至無(wú)人值守，因此對(duì)站內(nèi)建筑的設(shè)備使用的安全和可靠性提出較高的要求。

10kV及以上高壓配電間內(nèi)電氣柜對(duì)室內(nèi)溫濕度無(wú)較高要求，暖通加設(shè)的軸流排風(fēng)機(jī)即可滿(mǎn)足其對(duì)室內(nèi)散熱的要求，由于自身發(fā)熱，因此即使室外低溫環(huán)境對(duì)其無(wú)太大影響因此不考慮光暖轉(zhuǎn)化。二次設(shè)備間內(nèi)為低壓繼電保護(hù)電氣柜，其室內(nèi)對(duì)溫濕度有較高要求，夏天過(guò)熱或冬天過(guò)冷都需要空調(diào)或加熱器對(duì)其進(jìn)行溫度控制。因此其室內(nèi)過(guò)熱或過(guò)冷均不可。這就可以采用光暖轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)其室內(nèi)溫度進(jìn)行人工控制。至于光伏發(fā)電，由于適用對(duì)象均為室內(nèi)節(jié)能燈，不受房間限制，均可以采用光伏裝置。

即使通過(guò)計(jì)算得出，某變電站采暖和室內(nèi)照明利用太陽(yáng)能完全達(dá)到負(fù)荷要求，本著可靠安全的原則，我們還是要采用雙電源系統(tǒng)和兩套采暖方案。以防因極端氣候或太陽(yáng)能裝置設(shè)備問(wèn)題帶來(lái)的影響變電站正常投運(yùn)的使用要求。因此在實(shí)際工程中需考慮到這一點(diǎn)。

5 總結(jié)與思考

在變電站建筑太陽(yáng)能利用的研究中，如何在順應(yīng)國(guó)家大趨勢(shì)與政策導(dǎo)向的前提下，有理有禮有節(jié)地針對(duì)特定地區(qū)的特定變電站進(jìn)行建筑太陽(yáng)能設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在天時(shí)地利人和的前提下，因地制宜進(jìn)行變電站太陽(yáng)能設(shè)計(jì)符合國(guó)家節(jié)能減排和行業(yè)綠色建筑發(fā)展的理念。

變電站建筑太陽(yáng)能設(shè)計(jì)可以利用建筑形體的變化和外立面材料顏色的統(tǒng)一，力爭(zhēng)讓太陽(yáng)能裝置與建筑外觀融為一體，體現(xiàn)建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)并展現(xiàn)國(guó)家電網(wǎng)公司務(wù)實(shí)、高效的企業(yè)文化特點(diǎn)。

特別要指出的是，對(duì)變電站建筑太陽(yáng)能設(shè)計(jì)還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。我們不提倡花大價(jià)錢(qián)半不經(jīng)濟(jì)甚至虧本的買(mǎi)賣(mài)。以2015年計(jì)劃建設(shè)的四川阿壩紅原地區(qū)220kV常規(guī)變電站舉例，其單層主控通信樓建筑占地面積為550m2，僅做儲(chǔ)能式光熱系統(tǒng)總投資為55萬(wàn)元，以上網(wǎng)電價(jià)0.55元/度的當(dāng)時(shí)條件，并考慮實(shí)用期間的運(yùn)行維護(hù)成本，計(jì)算得出成本回收期約為7年。經(jīng)比對(duì)，具有一定經(jīng)濟(jì)效益，符合大量投產(chǎn)使用的要求。

［1］張 雄，張永娟.建筑節(jié)能技術(shù)與節(jié)能材料.化學(xué)工業(yè)出版社.

［2］楊金煥.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)（第二版）.電子工業(yè)出版社.

TM615

A

2095-2066（2016）28-0186-02

2016-9-20

萬(wàn)吉祥（1984-），男，工程師，碩士研究生，主要從事變電工程設(shè)計(jì)工作。