作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

用可持續(xù)綠色能源取代傳統電網能源，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的一些挑戰(zhàn)，以及自動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)境設計先鋒 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 認證，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)境設計先導 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 認證代表了為支持全社會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 認證，就必須采取一種整體方法，將電氣化與先進的自動化和控制系統相結合，用光伏 (PV) 和電動汽車 (EV) 等綠色可替代方法取代化石燃料能源系統。

美國綠色建筑委員會 (USGBC) 的 LEED 計劃包括對現有建筑和新建筑進行脫碳。由美國能源部能源效率與可再生能源辦公室 (EERE) 負責協調 ZEB 工作。要獲得 LEED 和 ZEB 認證，建筑師和承包商就必須采用新方法進行設計、建造和運營建筑物。相比只關注能源消耗的 ZEB，LEED 的概念更為寬泛，涉及碳、能源、水、廢物、運輸、材料、健康和室內環(huán)境質量。

本文是關于電氣化和可持續(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 認證級別，以及商業(yè)和工業(yè)建筑獲得這些認證應滿足的條件，本文還包含了對 ZEB 的幾種定義的比較。然后，詳細介紹 [Phoenix Contact]如何利用自動化和現場光伏發(fā)電，使其主園區(qū)內一個 70,000 平方英尺的擴建項目獲得 LEED 銀級和 ZEB 認證，以及該公司自己的一些產品在此項目的成功過程中是如何發(fā)揮作用的（圖 1）。最后，介紹 LEED 建筑如何為實現聯合國可持續(xù)發(fā)展目標所做的貢獻。

圖 1：屋頂光伏發(fā)電是該 Phoenix Contact 設施獲得 LEED 銀牌和 ZEB 認證的關鍵因素。（圖片來源：Phoenix Contact）

LEED 是整體性的

LEED 是一個綜合系統，將創(chuàng)建高性能建筑所需的全部條件都考慮在內。LEED 認證是基于按照詳細的性能能標準授予項目的評分或分數來確定的。各類性能及其相對重要性（從最重要到最不重要排序）如下 ^1^ ：

• 減少對全球氣候變化的影響。
• 增強人類的健康水平。
• 保護和恢復水資源。
• 保護并加強生物多樣性和生態(tài)系統服務。
• 促進可持續(xù)和可再生材料的循環(huán)。
• 提高社區(qū)生活質量。

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

在新版 LEED (4.1) 標準中，大部分評分都與運營碳和嵌入炭有關。運營碳是指供暖、通風和空調 (HVAC) 、照明和其他耗能建筑系統產生的二氧化碳 (CO?) 排放量。嵌入碳是指在建筑物的整個生命周期中，與建筑材料生產和建筑施工過程相關的碳排放。

LEED 認證對于創(chuàng)建一個更加綠色的社會非常重要。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的 CO2 排放量的最大，因此還制定了特別計劃來鼓勵發(fā)展零能耗建筑。

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

定義零能耗

零能耗似乎是一個簡單明了的概念，但它有多種定義。其中引用最多的三個項目是 LEED 零能耗項目、國際未來生活研究所 (ILFI) 零能耗項目和零規(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 組織的一項倡議，已被采納為加州建筑能耗標準。在如何定義“零能耗”方面存在很大差異。

要獲得 LEED 零能耗認證，建筑在 12 個月內的能源結余必須為零，包括現場發(fā)電和外部產生（源頭）的能源。不禁止現場燃燒化石燃料?？偰芎谋仨毎ìF場或外部產生的可再生能源或碳抵消。

ILFI 零能耗認證標準最嚴格。該標準規(guī)定，現場可再生能源能夠滿足建筑 100% 的能源需求。不允許燃燒，且認證以實際性能為基礎，禁止建模。

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

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。這套系統產生的電力足以滿足該設施約 30% 的能源需求，或相當于約 160 個家庭每年的能源消耗。該建筑獲得了 LEED 銀獎和零能耗認證。

現場的 1 MW 微型燃氣輪機熱電聯產系統與光伏系統集成在一起。中央能源控制系統實時監(jiān)控光伏電站的輸出功率和大樓的能耗。當總體能源需求超過光伏系統的輸出時，就會投入微型渦輪發(fā)電機。有時，光伏系統和微型燃氣輪機同時運行，通過凈計量向電網供電，為公司創(chuàng)造收入。

該系統的設計目的是減少白天的天然氣消耗量，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效，減少 CO2 的總排放量。在某些時候，天然氣消耗量幾乎可以降為零。光伏系統的一些統計數據包括：

• 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

為了實現最高的發(fā)電效率和利用率，有必要對類似這種大型裝置中的單獨光伏系統部分進行持續(xù)監(jiān)測、控制。

自動化需要可操作信息

要有效地實現光伏發(fā)電裝置等電氣化系統的自動化并進行控制，需要大量可操作的信息。對每串光伏電池板進行實時監(jiān)控，可最大限度地提高產量并有助于預見性維護。如果一個光伏電池串意外故障，可能會損失數百萬千瓦的電能，并造成相應的經濟損失。

Phoenix Contact 美國主園區(qū)的 961 kW 光伏系統包括十二個逆變器，且每個逆變器由六串光伏電池板作為其輸入。該系統采用了該公司的多種產品，首先是第二代 [EMpro 電表]，如面板安裝式 [2908286] 電表。這些電表可測量關鍵的能源參數并將其傳輸到云平臺，從而支持對所有系統元件進行遠程監(jiān)控。EMpro 電表適用于各種電力系統設計，包括單相、兩相和三相裝置和配置。該系統會實時監(jiān)控眾多系統元件和運行狀況，具體包括：

• 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)。
• 監(jiān)控每個光伏電池串的電流和電壓輸出。對這些數據進行評估，以確定光伏電池串的健康狀況以及可能的維護需求。
• 通過遍布整個裝置的多個傳感器監(jiān)控光伏板溫度。
• 收集風速和風向、溫度、相對濕度和氣壓等氣候參數。
• 太陽輻照度通過兩個日射強度計測量，其中一個與太陽能板的安裝角度成 10 度角，另一個則水平安裝。
• 污垢傳感器測量太陽能板表面的灰塵和污垢造成的光損失。
• 用攝像頭對系統進行安全監(jiān)控。

該系統還需要數據記錄儀和接口。例如，該公司的 Radioline 無線模塊（如 [2901541 型器件]使用 RS-485 協議與光伏模塊溫度傳感器、污垢傳感器進行無線通信，而無需電纜。其他情況下，以太網供電 (PoE) 用于同時傳輸電力和數據。[FL mGuard 1000 系列]安全路由器（如 [1153079] 型器件）可提供入侵保護，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控制器，如 Phoenix Contact 提供基于 PLCnext 技術的 DIN 導軌安裝型 [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，控制器可匯集來自傳感器網絡的數據，并將其傳輸到云服務提供商。此外，還通過一臺工業(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)采用的通信協議和標準。該系統可實現光伏系統運行的定制自動化和可視化，并與第三方軟件包兼容，通過后者可分析歷史和實時數據，從而進行性能優(yōu)化。這些庫包括符合 IEC 61131 可編程控制器標準要求的功能塊。

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

饋入控制是將光伏陣列等分布式能源 (DER) 與電網進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的電力饋入管理。

LEED 和可持續(xù)發(fā)展

聯合國確定了 17 項可持續(xù)發(fā)展目標^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化有助于實現 17 個可持續(xù)發(fā)展目標中的 11 個目標，包括

目標 3：良好的健康和福祉

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)的經濟增長、充分的和具有生產性的就業(yè)及人人有體面工作

目標 9：建設有復原力的基礎設施，促進包容和可持續(xù)工業(yè)化并推動創(chuàng)新

目標 10：減少國家內部和國家之間的不平等現象

目標 11：可持續(xù)的城市和社區(qū)

目標 12：負責任的消費和生產

目標 13：氣候行動

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

目標 17：加強執(zhí)行手段，恢復全球伙伴關系，實現可持續(xù)發(fā)展

企業(yè)戰(zhàn)略還能促進社會的可持續(xù)發(fā)展。例如，Phoenix Contact 的美洲物流中心獲得了 LEED 銀牌認證和零能耗認證，這是該公司在其全球所有地點實現碳中和最初目標的一部分。該公司的下一個目標是在 2030 年前創(chuàng)建一個完全氣候中立的增值鏈。

結語

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化是否能成功打造更高效、更可持續(xù)的建筑時，LEED 和 ZEB 認證是重要的工具。綜上所述，大規(guī)模光伏發(fā)電設備與現場熱電聯產裝置相結合，有助于建設一個更加綠色的社會。獲得 LEED 認證的建筑還有助于實現聯合國的十七項可持續(xù)發(fā)展目標以及到 2030 年消除全球貧困的目標。