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新能源新光源绿色照明示范工程在大学校园中的应用
发布时间:2021-04-16 10:08:05

摘要:对所在高校的所有教室普通日光灯具、高压钠路灯、庭院灯及草坪灯等进行节点改造,全部使用低功率高效率的LED光源替代高功率光效低的普通光源,在不降低照度指标的前提下,减小用电损耗,提高功率因数及效率,减少谐波成分,改善用电质量及用电环境.并在工程实施过程中,综合利用住建部在建筑节能与新能源开发利用技术领域积极推广的光伏发电与照明技术、新型节能照明技术、照明节能控制技术等,节能率达到60%以上.并且在更换灯具的同时,加强节能的管理、教育和宣传工作,打造绿色照明科技示范精品工程,以新能源新光源绿色照明示范工程在大学校园中的应用为契机有效推动“中国绿色照明工程”项目的顺利实施.

关键词:太阳能;绿色照明;节能控制

目前,全国多数高校都开展了多种形式的节能相关工作,但由于对部分用能环节的研究不够深入,尚未采取有效的节能措施与行动,所取得的效果不明显.经过考查发现,尽管学校教室的单个照明灯具用电量较小,但由于灯具的数量巨大,使用时间长,它们在整个学校用电量中所占的比重居高不下(约占总用电量的40%),从而造成严重的用电浪费.针对沈阳工程学院总功率约为885kW的所有教室普通日光灯具、高压钠路灯、庭院灯及草坪灯等进行节电改造,全部采用使用低功率高效率的LED光源替代高功率光效低的普通光源,在不降低照度指标的前提下,减小用电损耗.

1绿色照明科技示范工程设计原则及流程

1.1设计原则

1)节省能源的原则.在达到原照明系统的照度的前提下,尽量采用发光效率高,寿命长的LED灯管节能光源,并采取各项管理节能措施.

2)节省成本的原则.为了节省成本,此次改造可充分尊重原照明系统的实际,在基本保留原设计的基础上,既要满足工作需求,又要实现节能降耗.

3)环保和谐的原则.充分考虑环境对灯具的影响,如:震动、水汽,腐蚀等,降低故障率.

4)安全的原则.选择灯具合适的安装位置,便于维护,消除安全隐患.

5)美观的原则.整体设计既保证照度均匀,又美观大方.

1.2设计流程

确定照明水平分级;明确照度标准(表1);确定照明光色与显色性;光源、灯具类型选择;明确配电系统及控制方式.




2光伏发电与照明技术

2.1光伏发电系统

校园内路灯、庭院灯采用光伏独立发电系统,外观设计上将光伏组件贴附式安装在灯杆上,省去光伏板架下料费用,降低材料成本.此款路灯设计不积雪,减轻冰雹对电池板的损坏.较带光伏组件板架的太阳能路灯抗风能力更强(图1)




设计除路灯、庭院灯、草坪灯外,其余照明采用全玻光伏组件全部或部分代替常规幕墙玻璃采用LowE建筑用光伏玻璃.在保证建筑设计的透光率值的同时利用太阳能发电;采用BAPV技术,将利用教学楼及办公楼建筑物屋顶在不破坏防水盒主体结构前提下铺设和安装光伏发电阵列;采用分布式光伏并网发电技术直接把太阳能电力提供给大楼的用电设备及照明系统,尽量减少电力网送电产生的损失.优先采用光伏为主多能互补的微电网技术(图2、图3),以建筑物为单元,把太阳能多余的电量存入微电网的蓄电池系统,供夜间楼道照明、地下停车场及教室、实验室等照明使用.






2.2光伏发电照明技术校园智能监控系统

设计在智能光伏系统基础上,将绿色照明智能节能控制技术进行整合并集成创新,即充分利用节能控制资源,适当增加相应的监控点,利用现有校园网络并对无网络的照明点增加无线传输系统,通过计算机辅助管理的手段,实现校园内的LED路灯、景观灯等户外照明(约1000个监控点)及办公室、教室、实验室等户内照明(约300个监控点)的智能监控技术,并将光伏发电量与用电量通过屏幕显示给公众(图4).




2.3新型节能照明控制技术

光源选择高效新型户内LED照明灯管技术、户外LED路灯照明技术,光效达到85%以上,利用高90%以上效率的直流恒流源,确保LED照明亮度均衡,寿命超长达到十年以上使用寿命.设计充分考虑节能、节材的要求,最大限度地利用原有照明布线及设施安装LED光源,避免原安装设施报废造成不必要的损失.更换下来的照明装置如果可以再利用,则予妥善保管,供其它场所维修时替换,避免损坏.对于不能使用的照明装置要分类存放,妥善处理.LED光源性能指标见表2.




采用PWM供电节能技术,及直流供电高效技术为LED照明及景观照明提供节能技术.优先采用LED射灯系列产品具有体积小、重量轻、功率低、使用灵活、耐水防震性能好、使用寿命长、电源适应性强,以及施工简便等特点.根据灯具的应用情况选择LED的配光有窄光束、宽光束、椭圆光斑及蝙蝠翼式等多种形式,光线使光能可合理的铺洒在被照物上,且能近距离照射、减少各种散逸,既节能又无光污染,节能效果非常明显,同时便于隐蔽安装,不影响建筑物外观.

照明系统的智能化和自动化运行,保证灯具根据需要和自然光的情况进行合理开关以及调光运行,在适合的照明场所进行照明场景设定和运行,远程的照明系统管理,提高了照明系统的节能潜力和管理维护的效率(图5、图6).




智能照明节能控制系统.通过对城市照明供电参数(如电压、电流、有功、无功、功率因数)数值的调整、施加方式、运行稳定的控制和运行高精度的等亮合理智能控制,达到节能降耗、延长灯具寿命,合理调整亮度的作用.根据照明应用的需要选择相应的专业照明灯具,合理高效的解决照明需求,注重照明灯具的输出效率和配光的合理,保证照明的品质,同时实现照明节能的最大化.

2.4计算机辅助施工技术

施工组织设计、施工安全设计、建筑设备(水、暖、电)安装管理、工程施工信息化应用单项技术、复杂工程信息化施工技术,以及施工项目管理等系统.

1)运用CAD和PKPM软件进行模板和脚手架设计及钢结构制作安装、精装修的深化设计,应用恒智资料软件进行工程资料的搜集整理,应用工程量清单计价系统进行项目成本控制,应用项目管理软件编排网络进度计划和工程资源配置计划.

2)管理信息化技术.此设计拟合工程管理系统软件,进行预算、工期控制管理,应用AutoCAD软件进行绘图作业.

2.5计算机辅助管理技术

设计学校信息化管理、施工学校信息化管理,以及建筑智能化管理等系统.利用计算机系统和网络技术,实现学校与项目的协同管理;通过投标软件进行报价分析、制作标书、确定工期及资金和资源分配.

3设计计算

以沈阳工程学院为例,教学大楼原来安装普通荧光灯管约16765支,每只荧光灯灯管的功率45W,其中教室安装12489支,每天的照明时间为8h,办公室安装4276支,每天的照明时间为4h,每天的耗电量为5.26×103kWh.

路灯、庭院灯、草坪灯约为1859支,每天的照明时间为5h,每天的耗电量为6.52×102kWh.

每天总耗电量为5.9×103kWh,年总耗电量为1.7×106kWh.按每kWh的电费为0.55元计算,每年的电费为9.77万元.

换灯维护费用为120元/支,总计为22.3万元.

把原有的45W荧光灯管更换为18W的LED节能灯管,其中教室安装12489支,每天的照明时间为8h,办公室安装4276支,每天的照明时间为4h,每天的耗电量为2.1×103kWh.路灯、庭院灯、草坪灯约为1859支,每天的照明时间为5h,每天的耗电量为183.36kWh.

每天总耗电量为2.29×103kWh;每年总耗电量为6.87×105kWh.按每kWh的电费为0.55元计算,每年的电费为3.78×105元.每天的耗电量为改造前的39%,节能达到61%.

校园节能产品投资:LED灯具3.38×102kW×(8+2)元=3.38×106元.人工费安装费:工程人员30人,费用每天150元/人,费用为2.43×106元.太阳能电池组件投资:6.18×103kW×10元/W=6.18×104元.总投资为3.38×106+2.43×106+6.18×104=12×106元.

4对比经济分析

根据可再生能源的技术经济学的有关评价原理,结合不同地点光伏高效LED照明的性能特点并考虑到各种因素的影响,采用光伏高效LED照明灯与普通电力灯相比对的方法,以项目净现值(NetPresentValue-NPV)和动态投资回收期(DiscountedPaybackPeriod-ndp)2个指标对光伏高效LED照明用电进行技术经济评价和分析.

4.1收益节电费用分析

由太阳能照明的特点可知,太阳能照明整体使用寿命可达到20~25年.太阳能照明总成本包括初始设备费,蓄电池和照明灯具的更新费等,由于太阳能照明系统可靠性高,又不消耗常规能源,每年的维修费和运行费基本为零,可以不必考虑.根据目前居民用电电价0.55元/kWh,及其《中国电价和电力发展研究》课题组的最新研究结论,无论从宏观经济运行,还是从行业发展来看,电价水平还有一定的调升空间;适当调整电价水平及其结构,不仅不会导致价格总水平的显著上涨,而且还会有利于产业结构的优化升级.经过复杂的公式测算,目前中国的经济和社会状况能够承受的电价水平的合理上涨系数是每年0.04元/kWh时.按太阳能照明灯系统20年运行周期计算,同时考虑社会利率及电价上涨因数,进行经济技术分析,节约的电费现值分别计算如下.采用光伏高效LED照明灯每天的耗电量为改造前的39%,年节约的电费A=2.68×105kWh×0.55元/kWh=1.47×102万元,以后每年节约的电费除A还有个对应电价上调节约的增加额G=2.68×105kWh×0.04元/kWh=10.72万元;分别利用等额收付(UniformSeriesPresentWorthFactor)和递增等差收付序列(PresentWorthFactoroftheUniformGradientSeries)现值计算公式,光伏高效LED照明灯20年节约电费现值P:



4.2寿命期净现值的计算

太阳能为非商品能源,其价值不能直接确定,只能用能源替代的方法来计算.光伏高效LED照明灯的年收益:




光伏高效LED照明灯初始投资为1.2×104万元,普通电力光源用电初始投资为1.14×104万元.光伏高效LED照明灯与普通电力光源用电相比对,初始投资差值Co=5.5×102万元;光伏高效LED照明灯与等照度普通电力光源用电相比对的年收益125.75万元;光伏高效LED照明年运行成本0元;在系统运行的20年中,根据光伏高效LED照明灯各部件的使用寿命要求,太阳能电池板20年无需更换,蓄电池12年更换一次,LED灯10年更换一次,控制器10年更换一次.光伏高效LED照明灯寿命期净现值评判原理:如果NPV>0,说明该系统投资可以接受;如果NPV<0,该系统投资是不可取.

太阳能光伏发电系统寿命期净现值:




可见对于光伏高效LED照明灯在寿命使用期内可以把投入的初始资本收回来,从技术经济的角度分析可以得出,光伏高效LED照明灯投资是可以接受的.

4.3投资回收期计算

采用动态投资回收期(DiscountedPaybackPeriod)原理,设投资回收期为ndp年,则:




也可以利用静态回收期(SimplePaybackPeriod)原理计算光伏高效LED照明灯的投资回收期分别为:C01/(B1-C1)=553.3/125.75=4.4年.

通过计算,可见光伏高效LED照明灯的动态回收期为5.77年,静态回收期为4.4年,光伏高效LED照明灯投资方案是可行的.

4.4节能减排分析

1)年节能标准煤370t;1.09×106kWh.

2)年减排二氧化碳9.69×102t.

5结论

示范工程的实施及示范技术的应用,将打破人们心中固有的“照明完全依靠电力”的错误观念.本设计方案采用无有害光线,光线柔和,无闪烁LED光源,工程实施能提高原有教室照度,为师生提供明亮的学习环境;示范工程节省能源,节能减排60%以上,达到国家节能减排要求;并节约成本,减少照明运行成本50%以上,减少维护成本80%以上.


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