作者：Jeff Shepard

　　領先的能源與環(huán)境設計 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 認證代表了支持社會減少碳排放和提高可持續(xù)性愿望的重大努力。要獲得 LEED 和 ZEB 認證，需要采取整體方法，將取代化石燃料能源系統(tǒng)的電氣化與光伏 (PV) 和電動汽車 (EV) 等綠色替代方案與先進的自動化和控制系統(tǒng)相結合。

　　美國綠色建筑委員會 (USGBC) 的 LEED 計劃包括現(xiàn)有建筑和新建建筑的脫碳。 ZEB 的工作由美國能源部能源效率和可再生能源 (EERE) 辦公室協(xié)調(diào)。要獲得 LEED 和 ZEB 認證，建筑師和承包商需要采用新方法來設計、建造和運營建筑物。與僅關注能源消耗的ZEB相比，LEED是一個更廣泛的概念，涉及碳、能源、水、廢物、交通、材料、健康和室內(nèi)環(huán)境質量。

　　關于電氣化和可持續(xù)發(fā)展的兩篇文章系列的第二篇首先介紹 LEED 和 ZEB 認證級別以及商業(yè)和工業(yè)建筑獲得這些認證所需的條件，包括對 ZEB 的幾種定義的比較。然后，它詳細介紹了菲尼克斯電氣如何利用自動化和現(xiàn)場光伏發(fā)電為其主園區(qū)占地 70,000 平方英尺的擴建項目獲得 LEED 銀級和 ZEB 認證的示例，包括該公司自己的一些產(chǎn)品如何為成功做出貢獻項目的概況(圖1)。最后簡要介紹了 LEED 建筑如何為聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標做出貢獻。

　　圖 1：屋頂光伏發(fā)電是菲尼克斯電氣工廠獲得 LEED 銀牌和 ZEB 認證的關鍵因素。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　LEED 是整體性的

　　LEED 是一個綜合系統(tǒng)，考慮了創(chuàng)建高性能建筑所需的所有要素。 LEED 認證基于使用詳細績效標準授予項目的學分或分數(shù)。性能類別及其相對重要性(從最重要到最不重要)為1：

　　減少對全球氣候變化的影響。

　　增強人類個體健康。

　　保護和恢復水資源。

　　保護和增強生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務。

　　促進可持續(xù)和可再生材料循環(huán)。

　　提高社區(qū)生活質量。

　　最重要的標準是減少對全球氣候變化的影響，占所有分數(shù)的 35%。 LEED 認證的級別包括認證(40-49 分)、銀級(50-59 分)、金級(60-79 分)和白金級(80+ 分)。

　　在最新版本的 LEED v4.1 中，大多數(shù)要點都與運營碳和隱含碳有關。運營碳是指供暖、通風和空調(diào) (HVAC)、照明和其他能耗建筑系統(tǒng)產(chǎn)生的二氧化碳 (CO2) 排放。隱含碳是指在建筑物的整個生命周期中與建筑材料生產(chǎn)和建筑施工過程相關的排放。

　　LEED 認證對于創(chuàng)建綠色社會非常重要。建筑物排放量占全球 CO 2排放量的 39%，其中 28% 來自建筑運營，11% 來自隱含排放(圖 2)。由于建筑行業(yè)是全球CO 2排放的最大貢獻者，因此還制定了特別計劃來鼓勵零能耗建筑的發(fā)展。

　　圖 2：建筑運營以及材料和施工是全球 CO 2生產(chǎn)的主要貢獻者。 (圖片來源：新建筑研究所)

　　定義零

　　零能量似乎是一個簡單的概念，但它有幾個定義。被引用最多的三個是 LEED 零能源計劃、國際未來生活研究所 (ILFI) 零能源和零代碼可再生能源采購框架(零代碼)——建筑 2030 組織的一項倡議，已被采納為加州建筑能源項目標準。 “零”的定義方式存在顯著差異。

　　要獲得 LEED 零能耗認證，建筑物必須在 12 個月內(nèi)保持零能源平衡，包括現(xiàn)場發(fā)電和外部產(chǎn)生(來源)的能源。不禁止現(xiàn)場燃燒化石燃料?？偰茉聪谋仨毎ìF(xiàn)場或外部產(chǎn)生的可再生能源或碳補償。

　　ILFI 零能耗認證是最嚴格的標準。它需要現(xiàn)場可再生能源來滿足建筑物 100% 的能源需求。不允許燃燒，認證以實際性能為準;不允許建模。

　　零代碼專門針對新建商業(yè)、機構和中高層住宅建筑。它將零碳建筑定義為不使用現(xiàn)場化石燃料并在現(xiàn)場生產(chǎn)或采購足夠的無碳可再生能源或碳信用額以滿足建筑運營能源需求的建筑。零代碼還要求建筑物符合 ASHRAE 標準 90.1-2019 以提高建筑效率。如果其他能效標準能帶來相同或更高的能效，零代碼允許替代它們。

　　LEED 舉例

　　菲尼克斯電氣最近在該公司美國主園區(qū)的物流中心屋頂安裝了一套 961 千瓦 (kW) 的光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)生的電力足以滿足該設施約 30% 的能源需求，相當于約 160 個家庭每年的能源消耗。該建筑獲得了 LEED 銀級和零能耗認證。

　　現(xiàn)場天然氣 1 MW 微型渦輪熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)集成。中央能源控制系統(tǒng)實時監(jiān)控光伏電站的發(fā)電量和建筑的能耗。當總能源需求超過光伏系統(tǒng)的輸出時，使用微型渦輪發(fā)電機。有時，光伏系統(tǒng)和微型渦輪機一起使用，通過凈計量向電網(wǎng)提供電力，為公司帶來收入。

　　該系統(tǒng)旨在減少白天的天然氣消耗，并主要在夜間運行微型渦輪發(fā)電機，從而最大限度地提高整體能源效率并最大限度地減少總體 CO 2的產(chǎn)生。在某些日子里，天然氣消耗量可以減少到幾乎為零。光伏系統(tǒng)的一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括：

　　2,185 塊太陽能電池板

　　年發(fā)電量 1,214,235 千瓦時

　　減少1,939,279 磅 CO 2足跡

　　對于像這樣的大型裝置中的各個光伏系統(tǒng)部分進行連續(xù)監(jiān)測和控制對于實現(xiàn)發(fā)電效率和可用性的最大化是必要的。

　　自動化需要可操作的信息

　　光伏裝置等電氣化系統(tǒng)的有效自動化和控制需要廣泛且可操作的信息。實時監(jiān)控每串光伏電池板可最大限度地提高產(chǎn)量并支持預防性維護。如果一根繩子意外損壞，可能會損失數(shù)千千瓦的電力，并造成相應的金錢損失。

　　菲尼克斯電氣美國主園區(qū)的 961 kW 光伏系統(tǒng)包括 12 個逆變器，每個逆變器均由六串光伏電池板供電，并且它集成了該公司的多種產(chǎn)品，首先是第二代 EMpro 電能表，例如面板安裝2908286。這些儀表旨在測量關鍵能源參數(shù)并將其傳輸?shù)街С炙邢到y(tǒng)元件遠程監(jiān)控的云平臺。 EMpro 電能表適用于各種電力系統(tǒng)設計，包括一相、兩相和三相安裝和配置。該系統(tǒng)實時監(jiān)控眾多系統(tǒng)元件和運行狀況，包括：

　　單獨監(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、故障和運行狀態(tài)。

　　每個光伏組串的電流和電壓輸出均受到監(jiān)控。評估該數(shù)據(jù)以確定字符串健康狀況和可能的維護需求。

　　面板溫度通過遍布整個裝置的眾多傳感器進行監(jiān)控。

　　收集風速和風向、溫度、相對濕度和氣壓等天氣條件。

　　太陽輻照度由兩臺日射強度計測量，一臺與電池板的安裝角度成 10 度角，另一臺水平安裝。

　　污垢傳感器測量光伏電池板表面灰塵和污垢造成的光損失。

　　攝像頭提供系統(tǒng)的安全監(jiān)控。

　　該系統(tǒng)還需要數(shù)據(jù)記錄器和接口。例如，該公司的Radioline無線模塊(如型號2901541)可使用RS-485協(xié)議與光伏模塊溫度和污染傳感器進行無線通信，無需電纜。在其他情況下，以太網(wǎng)供電 (PoE) 用于同時傳輸電力和數(shù)據(jù)。FL mGuard 1000 系列安全路由器(如型號1153079)可以提供入侵保護，該路由器提供防火墻安全和用戶管理。

　　將所有這些連接在一起需要一個控制器，例如 Phoenix Contact 的 DIN 導軌安裝型號1069208，該控制器基于該公司的 PLCnext 技術(圖 3)。當與型號2702783等輸入/輸出 (I/O) 模塊配對時，控制器會聚合來自傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)皆品仗峁┥?。此外，工業(yè) PC 運行 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)議和標準。該系統(tǒng)可實現(xiàn)光伏系統(tǒng)運行的定制自動化和可視化，并且與第三方軟件包兼容，可以分析歷史和實時數(shù)據(jù)以優(yōu)化性能。這些庫包含滿足可編程控制器 IEC 61131 標準要求的功能塊。

　　圖 3：適用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)的 DIN 導軌安裝控制器。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　饋入控制是將光伏陣列等分布式能源 (DER) 與電網(wǎng)集成的電氣化難題的最后一部分。菲尼克斯電氣的PGS 控制器可以監(jiān)控電網(wǎng)連接點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 與可持續(xù)發(fā)展

　　聯(lián)合國 (UN) 確定了 17 個可持續(xù)發(fā)展目標2 (SDG)，旨在到 2030 年消除全球貧困。根據(jù) USGBC 的說法，LEED 建筑固有的電氣化和自動化有助于實現(xiàn) 17 個 SDG 中的 11 個，包括：

　　目標 3：身體健康和福祉

　　目標 6：清潔水和衛(wèi)生設施

　　目標 7：負擔得起的清潔能源

　　目標 8：促進持續(xù)、包容和可持續(xù)的經(jīng)濟增長、充分的生產(chǎn)性就業(yè)以及人人有體面的工作

　　目標 9：建設有復原力的基礎設施，促進包容和可持續(xù)的工業(yè)化，并促進創(chuàng)新

　　目標 10：減少國家內(nèi)部和國家之間的不平等

　　目標 11：可持續(xù)城市和社區(qū)

　　目標 12：負責任的消費和生產(chǎn)

　　目標 13：氣候行動

　　目標 15：保護、恢復和促進陸地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用，可持續(xù)管理森林，防治荒漠化，制止和扭轉土地退化和生物多樣性喪失

　　目標17：加強實施手段，重振全球可持續(xù)發(fā)展伙伴關系

　　企業(yè)戰(zhàn)略還可以為建設更加可持續(xù)的社會做出貢獻。例如，菲尼克斯電氣為其美洲物流中心獲得 LEED 銀牌和零能耗認證，這是該公司在全球所有地點實現(xiàn)碳中和的最初目標的一部分。該公司的下一個目標是在 2030 年之前創(chuàng)建一個完全氣候中和的增值鏈。

　　結論

　　建筑行業(yè)是全球CO 2生產(chǎn)的最重要貢獻者。 LEED 和 ZEB 認證是衡量利用電氣化和自動化創(chuàng)建更高效和可持續(xù)建筑是否成功的重要工具。如圖所示，大型光伏發(fā)電裝置與現(xiàn)場熱電聯(lián)產(chǎn)能力相結合可以為綠色社會做出貢獻。獲得 LEED 認證的建筑還支持實現(xiàn)聯(lián)合國 17 個可持續(xù)發(fā)展目標以及到 2030 年消除全球貧困的目標。

　　參考：

　　LEED 評級系統(tǒng), 綠色建筑委員會

　　聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標