利用電氣化和自動(dòng)化技術(shù)構(gòu)建更高效、更可持續(xù)的電網(wǎng)——第 2 部分（共 2 部分）

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

用可持續(xù)綠色能源取代傳統(tǒng)電網(wǎng)能源，即所謂的電氣化。在本系列[第一部分]，我們討論了與電氣化相關(guān)的一些挑戰(zhàn)，以及自動(dòng)化如何幫助提高效率和可持續(xù)性。本文是第二部分，將討論能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先鋒 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 認(rèn)證，以及它們是如何減少碳排放并提高可持續(xù)性的。

能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先導(dǎo) (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 認(rèn)證代表了為支持全社會(huì)減少碳排放和提高可持續(xù)性所做出的巨大努力。要獲得 LEED 和 ZEB 認(rèn)證，就必須采取一種整體方法，將電氣化與先進(jìn)的自動(dòng)化和控制系統(tǒng)相結(jié)合，用光伏 (PV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 等綠色可替代方法取代化石燃料能源系統(tǒng)。

美國綠色建筑委員會(huì) (USGBC) 的 LEED 計(jì)劃包括對(duì)現(xiàn)有建筑和新建筑進(jìn)行脫碳。由美國能源部能源效率與可再生能源辦公室 (EERE) 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào) ZEB 工作。要獲得 LEED 和 ZEB 認(rèn)證，建筑師和承包商就必須采用新方法進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營建筑物。相比只關(guān)注能源消耗的 ZEB，LEED 的概念更為寬泛，涉及碳、能源、水、廢物、運(yùn)輸、材料、健康和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

本文是關(guān)于電氣化和可持續(xù)發(fā)展的兩篇系列文章中的第二篇，本文首先介紹了 LEED 和 ZEB 認(rèn)證級(jí)別，以及商業(yè)和工業(yè)建筑獲得這些認(rèn)證應(yīng)滿足的條件，本文還包含了對(duì) ZEB 的幾種定義的比較。然后，詳細(xì)介紹 [Phoenix Contact]如何利用自動(dòng)化和現(xiàn)場光伏發(fā)電，使其主園區(qū)內(nèi)一個(gè) 70,000 平方英尺的擴(kuò)建項(xiàng)目獲得 LEED 銀級(jí)和 ZEB 認(rèn)證，以及該公司自己的一些產(chǎn)品在此項(xiàng)目的成功過程中是如何發(fā)揮作用的（圖 1）。最后，介紹 LEED 建筑如何為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)所做的貢獻(xiàn)。

圖 1：屋頂光伏發(fā)電是該 Phoenix Contact 設(shè)施獲得 LEED 銀牌和 ZEB 認(rèn)證的關(guān)鍵因素。（圖片來源：Phoenix Contact）

LEED 是整體性的

LEED 是一個(gè)綜合系統(tǒng)，將創(chuàng)建高性能建筑所需的全部條件都考慮在內(nèi)。LEED 認(rèn)證是基于按照詳細(xì)的性能能標(biāo)準(zhǔn)授予項(xiàng)目的評(píng)分或分?jǐn)?shù)來確定的。各類性能及其相對(duì)重要性（從最重要到最不重要排序）如下 ^1^ ：

• 減少對(duì)全球氣候變化的影響。
• 增強(qiáng)人類的健康水平。
• 保護(hù)和恢復(fù)水資源。
• 保護(hù)并加強(qiáng)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。
• 促進(jìn)可持續(xù)和可再生材料的循環(huán)。
• 提高社區(qū)生活質(zhì)量。

最基本的條件是減少對(duì)全球氣候變化的影響，占總評(píng)分的 35%。LEED 的認(rèn)證等級(jí)包括認(rèn)證級(jí)（40-49 分）、銀質(zhì)（50-59 分）、金質(zhì)（60-79 分）和白金（80 分以上）。

在新版 LEED (4.1) 標(biāo)準(zhǔn)中，大部分評(píng)分都與運(yùn)營碳和嵌入炭有關(guān)。運(yùn)營碳是指供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 、照明和其他耗能建筑系統(tǒng)產(chǎn)生的二氧化碳 (CO?) 排放量。嵌入碳是指在建筑物的整個(gè)生命周期中，與建筑材料生產(chǎn)和建筑施工過程相關(guān)的碳排放。

LEED 認(rèn)證對(duì)于創(chuàng)建一個(gè)更加綠色的社會(huì)非常重要。建筑物的 CO2 排放量占全球排放量的 39%，其中 28% 來自建筑物運(yùn)營，11% 來自建筑物的嵌入式排放（圖 2）。由于建筑物在全球范圍內(nèi)的 CO2 排放量的最大，因此還制定了特別計(jì)劃來鼓勵(lì)發(fā)展零能耗建筑。

圖 2：建筑物的運(yùn)營、材料和施工是全球 CO2 產(chǎn)生的主要因素。（圖片來源：new buildings institute）

定義零能耗

零能耗似乎是一個(gè)簡單明了的概念，但它有多種定義。其中引用最多的三個(gè)項(xiàng)目是 LEED 零能耗項(xiàng)目、國際未來生活研究所 (ILFI) 零能耗項(xiàng)目和零規(guī)范可再生能源采購框架（零碳規(guī)范）-- 零碳規(guī)范是建筑 2030 組織的一項(xiàng)倡議，已被采納為加州建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)。在如何定義“零能耗”方面存在很大差異。

要獲得 LEED 零能耗認(rèn)證，建筑在 12 個(gè)月內(nèi)的能源結(jié)余必須為零，包括現(xiàn)場發(fā)電和外部產(chǎn)生（源頭）的能源。不禁止現(xiàn)場燃燒化石燃料?？偰芎谋仨毎ìF(xiàn)場或外部產(chǎn)生的可再生能源或碳抵消。

ILFI 零能耗認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，現(xiàn)場可再生能源能夠滿足建筑 100% 的能源需求。不允許燃燒，且認(rèn)證以實(shí)際性能為基礎(chǔ)，禁止建模。

零碳規(guī)范專門針對(duì)新建商業(yè)、機(jī)構(gòu)和中高層住宅建筑。在該規(guī)范中，零碳建筑是指為了不使用現(xiàn)場化石燃料、現(xiàn)場生產(chǎn)或采購足夠的無碳可再生能源或碳減排權(quán)來滿足其自身運(yùn)營能源需求的建筑。零碳規(guī)范還要求建筑物符合 ASHRAE 建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn) 90.1-2019。如果其他能效標(biāo)準(zhǔn)能帶來同等或更高的能效，允許用其他能效標(biāo)準(zhǔn)替代“零碳標(biāo)準(zhǔn)”。

LEED 典范

Phoenix Contact 最近在該公司美國主園區(qū)物流中心的屋頂上安裝了一套 961 kW 的光伏系統(tǒng)。這套系統(tǒng)產(chǎn)生的電力足以滿足該設(shè)施約 30% 的能源需求，或相當(dāng)于約 160 個(gè)家庭每年的能源消耗。該建筑獲得了 LEED 銀獎(jiǎng)和零能耗認(rèn)證。

現(xiàn)場的 1 MW 微型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)集成在一起。中央能源控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控光伏電站的輸出功率和大樓的能耗。當(dāng)總體能源需求超過光伏系統(tǒng)的輸出時(shí)，就會(huì)投入微型渦輪發(fā)電機(jī)。有時(shí)，光伏系統(tǒng)和微型燃?xì)廨啓C(jī)同時(shí)運(yùn)行，通過凈計(jì)量向電網(wǎng)供電，為公司創(chuàng)造收入。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是減少白天的天然氣消耗量，主要在夜間運(yùn)行微型渦輪發(fā)電機(jī)，從而最大限度地提高整體能效，減少 CO2 的總排放量。在某些時(shí)候，天然氣消耗量幾乎可以降為零。光伏系統(tǒng)的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括：

• 2,185 塊太陽能板
• 每年發(fā)電 1,214,235 kWh
• 減少 1,939,279 磅 CO2 足跡

為了實(shí)現(xiàn)最高的發(fā)電效率和利用率，有必要對(duì)類似這種大型裝置中的單獨(dú)光伏系統(tǒng)部分進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)、控制。

自動(dòng)化需要可操作信息

要有效地實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電裝置等電氣化系統(tǒng)的自動(dòng)化并進(jìn)行控制，需要大量可操作的信息。對(duì)每串光伏電池板進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可最大限度地提高產(chǎn)量并有助于預(yù)見性維護(hù)。如果一個(gè)光伏電池串意外故障，可能會(huì)損失數(shù)百萬千瓦的電能，并造成相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。

Phoenix Contact 美國主園區(qū)的 961 kW 光伏系統(tǒng)包括十二個(gè)逆變器，且每個(gè)逆變器由六串光伏電池板作為其輸入。該系統(tǒng)采用了該公司的多種產(chǎn)品，首先是第二代 [EMpro 電表]，如面板安裝式 [2908286] 電表。這些電表可測(cè)量關(guān)鍵的能源參數(shù)并將其傳輸?shù)皆破脚_(tái)，從而支持對(duì)所有系統(tǒng)元件進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。EMpro 電表適用于各種電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括單相、兩相和三相裝置和配置。該系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控眾多系統(tǒng)元件和運(yùn)行狀況，具體包括：

• 單獨(dú)監(jiān)控逆變器的直流輸入功率、交流輸出功率、有功功率和無功功率、故障和運(yùn)行狀態(tài)。
• 監(jiān)控每個(gè)光伏電池串的電流和電壓輸出。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，以確定光伏電池串的健康狀況以及可能的維護(hù)需求。
• 通過遍布整個(gè)裝置的多個(gè)傳感器監(jiān)控光伏板溫度。
• 收集風(fēng)速和風(fēng)向、溫度、相對(duì)濕度和氣壓等氣候參數(shù)。
• 太陽輻照度通過兩個(gè)日射強(qiáng)度計(jì)測(cè)量，其中一個(gè)與太陽能板的安裝角度成 10 度角，另一個(gè)則水平安裝。
• 污垢傳感器測(cè)量太陽能板表面的灰塵和污垢造成的光損失。
• 用攝像頭對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)控。

該系統(tǒng)還需要數(shù)據(jù)記錄儀和接口。例如，該公司的 Radioline 無線模塊（如 [2901541 型器件]使用 RS-485 協(xié)議與光伏模塊溫度傳感器、污垢傳感器進(jìn)行無線通信，而無需電纜。其他情況下，以太網(wǎng)供電 (PoE) 用于同時(shí)傳輸電力和數(shù)據(jù)。[FL mGuard 1000 系列]安全路由器（如 [1153079] 型器件）可提供入侵保護(hù)，該器件提供防火墻安全和用戶管理功能。

將這一切連接起來需要一個(gè)控制器，如 Phoenix Contact 提供基于 PLCnext 技術(shù)的 DIN 導(dǎo)軌安裝型 [1069208]控制器（圖 3）。與輸入/輸出 (I/O) 模塊（如 [2702783]型器件） 配合使用時(shí)，控制器可匯集來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)皆品?wù)提供商。此外，還通過一臺(tái)工業(yè) PC 運(yùn)行 Phoenix Contact 的 [Solarworx]軟件。隨附的軟件工具和庫支持太陽能行業(yè)采用的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)運(yùn)行的定制自動(dòng)化和可視化，并與第三方軟件包兼容，通過后者可分析歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行性能優(yōu)化。這些庫包括符合 IEC 61131 可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)要求的功能塊。

圖 3：適用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)的 DIN 導(dǎo)軌安裝控制器。（圖片來源：Phoenix Contact）

饋入控制是將光伏陣列等分布式能源 (DER) 與電網(wǎng)進(jìn)行整合的電氣化拼圖的最后一塊。Phoenix Contact 的 [PGS 控制器]可監(jiān)控電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓和無功功率水平，并確定逆變器所需的控制值，以支持中壓和高壓電網(wǎng)的電力饋入管理。

LEED 和可持續(xù)發(fā)展

聯(lián)合國確定了 17 項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)^2^ (SDG) ，旨在到 2030 年消除全球貧困。按照 USGBC 的說法，LEED 建筑中固有的電氣化和自動(dòng)化有助于實(shí)現(xiàn) 17 個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中的 11 個(gè)目標(biāo)，包括

目標(biāo) 3：良好的健康和福祉

目標(biāo) 6：清潔水和衛(wèi)生設(shè)施

目標(biāo) 7：負(fù)擔(dān)得起的清潔能源

目標(biāo) 8：促進(jìn)持續(xù)、包容和可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長、充分的和具有生產(chǎn)性的就業(yè)及人人有體面工作

目標(biāo) 9：建設(shè)有復(fù)原力的基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)包容和可持續(xù)工業(yè)化并推動(dòng)創(chuàng)新

目標(biāo) 10：減少國家內(nèi)部和國家之間的不平等現(xiàn)象

目標(biāo) 11：可持續(xù)的城市和社區(qū)

目標(biāo) 12：負(fù)責(zé)任的消費(fèi)和生產(chǎn)

目標(biāo) 13：氣候行動(dòng)

目標(biāo) 15：保護(hù)、恢復(fù)和促進(jìn)可持續(xù)利用陸地生態(tài)系統(tǒng)，可持續(xù)管理森林，防治荒漠化，制止并扭轉(zhuǎn)土地退化和生物多樣性喪失的趨勢(shì)

目標(biāo) 17：加強(qiáng)執(zhí)行手段，恢復(fù)全球伙伴關(guān)系，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

企業(yè)戰(zhàn)略還能促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。例如，Phoenix Contact 的美洲物流中心獲得了 LEED 銀牌認(rèn)證和零能耗認(rèn)證，這是該公司在其全球所有地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)碳中和最初目標(biāo)的一部分。該公司的下一個(gè)目標(biāo)是在 2030 年前創(chuàng)建一個(gè)完全氣候中立的增值鏈。

結(jié)語

建筑行業(yè)是全球 CO2 排放的最大始作俑者。在衡量電氣化和自動(dòng)化是否能成功打造更高效、更可持續(xù)的建筑時(shí)，LEED 和 ZEB 認(rèn)證是重要的工具。綜上所述，大規(guī)模光伏發(fā)電設(shè)備與現(xiàn)場熱電聯(lián)產(chǎn)裝置相結(jié)合，有助于建設(shè)一個(gè)更加綠色的社會(huì)。獲得 LEED 認(rèn)證的建筑還有助于實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國的十七項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)以及到 2030 年消除全球貧困的目標(biāo)。