利用电气化和自动化技术构建更高效、更可持续的电网——第 2 部分（共 2 部分）

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

用可持续绿色能源取代传统电网能源，即所谓的电气化。在本系列[第一部分]，我们讨论了与电气化相关的一些挑战，以及自动化如何帮助提高效率和可持续性。本文是第二部分，将讨论能源与环境设计先锋 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 认证，以及它们是如何减少碳排放并提高可持续性的。

能源与环境设计先导 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 认证代表了为支持全社会减少碳排放和提高可持续性所做出的巨大努力。要获得 LEED 和 ZEB 认证，就必须采取一种整体方法，将电气化与先进的自动化和控制系统相结合，用光伏 (PV) 和电动汽车 (EV) 等绿色可替代方法取代化石燃料能源系统。

美国绿色建筑委员会 (USGBC) 的 LEED 计划包括对现有建筑和新建筑进行脱碳。由美国能源部能源效率与可再生能源办公室 (EERE) 负责协调 ZEB 工作。要获得 LEED 和 ZEB 认证，建筑师和承包商就必须采用新方法进行设计、建造和运营建筑物。相比只关注能源消耗的 ZEB，LEED 的概念更为宽泛，涉及碳、能源、水、废物、运输、材料、健康和室内环境质量。

本文是关于电气化和可持续发展的两篇系列文章中的第二篇，本文首先介绍了 LEED 和 ZEB 认证级别，以及商业和工业建筑获得这些认证应满足的条件，本文还包含了对 ZEB 的几种定义的比较。然后，详细介绍 [Phoenix Contact]如何利用自动化和现场光伏发电，使其主园区内一个 70,000 平方英尺的扩建项目获得 LEED 银级和 ZEB 认证，以及该公司自己的一些产品在此项目的成功过程中是如何发挥作用的（图 1）。最后，介绍 LEED 建筑如何为实现联合国可持续发展目标所做的贡献。

图 1：屋顶光伏发电是该 Phoenix Contact 设施获得 LEED 银牌和 ZEB 认证的关键因素。（图片来源：Phoenix Contact）

LEED 是整体性的

LEED 是一个综合系统，将创建高性能建筑所需的全部条件都考虑在内。LEED 认证是基于按照详细的性能能标准授予项目的评分或分数来确定的。各类性能及其相对重要性（从最重要到最不重要排序）如下 ^1^ ：

• 减少对全球气候变化的影响。
• 增强人类的健康水平。
• 保护和恢复水资源。
• 保护并加强生物多样性和生态系统服务。
• 促进可持续和可再生材料的循环。
• 提高社区生活质量。

最基本的条件是减少对全球气候变化的影响，占总评分的 35%。LEED 的认证等级包括认证级（40-49 分）、银质（50-59 分）、金质（60-79 分）和白金（80 分以上）。

在新版 LEED (4.1) 标准中，大部分评分都与运营碳和嵌入炭有关。运营碳是指供暖、通风和空调 (HVAC) 、照明和其他耗能建筑系统产生的二氧化碳 (CO₂) 排放量。嵌入碳是指在建筑物的整个生命周期中，与建筑材料生产和建筑施工过程相关的碳排放。

LEED 认证对于创建一个更加绿色的社会非常重要。建筑物的 CO2 排放量占全球排放量的 39%，其中 28% 来自建筑物运营，11% 来自建筑物的嵌入式排放（图 2）。由于建筑物在全球范围内的 CO2 排放量的最大，因此还制定了特别计划来鼓励发展零能耗建筑。

图 2：建筑物的运营、材料和施工是全球 CO2 产生的主要因素。（图片来源：new buildings institute）

定义零能耗

零能耗似乎是一个简单明了的概念，但它有多种定义。其中引用最多的三个项目是 LEED 零能耗项目、国际未来生活研究所 (ILFI) 零能耗项目和零规范可再生能源采购框架（零碳规范）-- 零碳规范是建筑 2030 组织的一项倡议，已被采纳为加州建筑能耗标准。在如何定义“零能耗”方面存在很大差异。

要获得 LEED 零能耗认证，建筑在 12 个月内的能源结余必须为零，包括现场发电和外部产生（源头）的能源。不禁止现场燃烧化石燃料。总能耗必须包括现场或外部产生的可再生能源或碳抵消。

ILFI 零能耗认证标准最严格。该标准规定，现场可再生能源能够满足建筑 100% 的能源需求。不允许燃烧，且认证以实际性能为基础，禁止建模。

零碳规范专门针对新建商业、机构和中高层住宅建筑。在该规范中，零碳建筑是指为了不使用现场化石燃料、现场生产或采购足够的无碳可再生能源或碳减排权来满足其自身运营能源需求的建筑。零碳规范还要求建筑物符合 ASHRAE 建筑节能标准 90.1-2019。如果其他能效标准能带来同等或更高的能效，允许用其他能效标准替代“零碳标准”。

LEED 典范

Phoenix Contact 最近在该公司美国主园区物流中心的屋顶上安装了一套 961 kW 的光伏系统。这套系统产生的电力足以满足该设施约 30% 的能源需求，或相当于约 160 个家庭每年的能源消耗。该建筑获得了 LEED 银奖和零能耗认证。

现场的 1 MW 微型燃气轮机热电联产系统与光伏系统集成在一起。中央能源控制系统实时监控光伏电站的输出功率和大楼的能耗。当总体能源需求超过光伏系统的输出时，就会投入微型涡轮发电机。有时，光伏系统和微型燃气轮机同时运行，通过净计量向电网供电，为公司创造收入。

该系统的设计目的是减少白天的天然气消耗量，主要在夜间运行微型涡轮发电机，从而最大限度地提高整体能效，减少 CO2 的总排放量。在某些时候，天然气消耗量几乎可以降为零。光伏系统的一些统计数据包括：

• 2,185 块太阳能板
• 每年发电 1,214,235 kWh
• 减少 1,939,279 磅 CO2 足迹

为了实现最高的发电效率和利用率，有必要对类似这种大型装置中的单独光伏系统部分进行持续监测、控制。

自动化需要可操作信息

要有效地实现光伏发电装置等电气化系统的自动化并进行控制，需要大量可操作的信息。对每串光伏电池板进行实时监控，可最大限度地提高产量并有助于预见性维护。如果一个光伏电池串意外故障，可能会损失数百万千瓦的电能，并造成相应的经济损失。

Phoenix Contact 美国主园区的 961 kW 光伏系统包括十二个逆变器，且每个逆变器由六串光伏电池板作为其输入。该系统采用了该公司的多种产品，首先是第二代 [EMpro 电表]，如面板安装式 [2908286] 电表。这些电表可测量关键的能源参数并将其传输到云平台，从而支持对所有系统元件进行远程监控。EMpro 电表适用于各种电力系统设计，包括单相、两相和三相装置和配置。该系统会实时监控众多系统元件和运行状况，具体包括：

• 单独监控逆变器的直流输入功率、交流输出功率、有功功率和无功功率、故障和运行状态。
• 监控每个光伏电池串的电流和电压输出。对这些数据进行评估，以确定光伏电池串的健康状况以及可能的维护需求。
• 通过遍布整个装置的多个传感器监控光伏板温度。
• 收集风速和风向、温度、相对湿度和气压等气候参数。
• 太阳辐照度通过两个日射强度计测量，其中一个与太阳能板的安装角度成 10 度角，另一个则水平安装。
• 污垢传感器测量太阳能板表面的灰尘和污垢造成的光损失。
• 用摄像头对系统进行安全监控。

该系统还需要数据记录仪和接口。例如，该公司的 Radioline 无线模块（如 [2901541 型器件]使用 RS-485 协议与光伏模块温度传感器、污垢传感器进行无线通信，而无需电缆。其他情况下，以太网供电 (PoE) 用于同时传输电力和数据。[FL mGuard 1000 系列]安全路由器（如 [1153079] 型器件）可提供入侵保护，该器件提供防火墙安全和用户管理功能。

将这一切连接起来需要一个控制器，如 Phoenix Contact 提供基于 PLCnext 技术的 DIN 导轨安装型 [1069208]控制器（图 3）。与输入/输出 (I/O) 模块（如 [2702783]型器件） 配合使用时，控制器可汇集来自传感器网络的数据，并将其传输到云服务提供商。此外，还通过一台工业 PC 运行 Phoenix Contact 的 [Solarworx]软件。随附的软件工具和库支持太阳能行业采用的通信协议和标准。该系统可实现光伏系统运行的定制自动化和可视化，并与第三方软件包兼容，通过后者可分析历史和实时数据，从而进行性能优化。这些库包括符合 IEC 61131 可编程控制器标准要求的功能块。

图 3：适用于大型光伏发电系统的 DIN 导轨安装控制器。（图片来源：Phoenix Contact）

馈入控制是将光伏阵列等分布式能源 (DER) 与电网进行整合的电气化拼图的最后一块。Phoenix Contact 的 [PGS 控制器]可监控电网连接点的电压和无功功率水平，并确定逆变器所需的控制值，以支持中压和高压电网的电力馈入管理。

LEED 和可持续发展

联合国确定了 17 项可持续发展目标^2^ (SDG) ，旨在到 2030 年消除全球贫困。按照 USGBC 的说法，LEED 建筑中固有的电气化和自动化有助于实现 17 个可持续发展目标中的 11 个目标，包括

目标 3：良好的健康和福祉

目标 6：清洁水和卫生设施

目标 7：负担得起的清洁能源

目标 8：促进持续、包容和可持续的经济增长、充分的和具有生产性的就业及人人有体面工作

目标 9：建设有复原力的基础设施，促进包容和可持续工业化并推动创新

目标 10：减少国家内部和国家之间的不平等现象

目标 11：可持续的城市和社区

目标 12：负责任的消费和生产

目标 13：气候行动

目标 15：保护、恢复和促进可持续利用陆地生态系统，可持续管理森林，防治荒漠化，制止并扭转土地退化和生物多样性丧失的趋势

目标 17：加强执行手段，恢复全球伙伴关系，实现可持续发展

企业战略还能促进社会的可持续发展。例如，Phoenix Contact 的美洲物流中心获得了 LEED 银牌认证和零能耗认证，这是该公司在其全球所有地点实现碳中和最初目标的一部分。该公司的下一个目标是在 2030 年前创建一个完全气候中立的增值链。

结语

建筑行业是全球 CO2 排放的最大始作俑者。在衡量电气化和自动化是否能成功打造更高效、更可持续的建筑时，LEED 和 ZEB 认证是重要的工具。综上所述，大规模光伏发电设备与现场热电联产装置相结合，有助于建设一个更加绿色的社会。获得 LEED 认证的建筑还有助于实现联合国的十七项可持续发展目标以及到 2030 年消除全球贫困的目标。