利用電氣化和自動化建立更高效率、更永續的電網 - 第二篇 (共兩篇)

電氣化是指以永續、綠色能源取代傳統電網能源。本系列第一篇將探討與電氣化相關的一些挑戰，以及自動化如何協助提高效率和永續性。本系列的第二篇將探討能源與環境設計領導 (LEED) 與零耗能建築 (ZEB) 認證，及其如何降低碳排放並提升永續性。

能源與環境設計領導 (LEED) 和零耗能建築 (ZEB) 認證代表對社會期望減少碳排放及提升永續性方面做出重大努力。若要取得 LEED 和 ZEB 認證，需採用結合電氣化的全方位作法，以光伏 (PV) 和電動車 (EV) 等綠色替代方案取代石化燃料能源系統，並具備先進的自動化和控制系統。

美國綠建築協會 (USGBC) 的 LEED 計畫更包含對現有建築和新建築的去碳。ZEB 的工作由美國能源部的能源效率與再生能源 (EERE) 辦公室負責進行協調。要取得 LEED 和 ZEB 認證，建築師和承包商需採用新的作法設計、建造和營運建築物。ZEB 僅注重能源消耗，LEED 涵蓋的概念更廣泛，包含碳、能源、水、廢物、運輸、材料、健康及室內環境品質。

本文是探討電氣化和永續性的兩篇文章中的第二篇。首先會介紹 LEED 和 ZEB 認證等級，以及商業和工業建築取得認證所需的條件，包括 ZEB 各種定義的比較。接著會舉例說明 Phoenix Contact 如何使用自動化和現場 PV 發電，為其主園區佔地 70,000 平方英尺的擴建案取得 LEED 銀級和 ZEB 認證，並且說明該公司的一些產品對此建案有何貢獻 (圖 1)。最後會簡單介紹 LEED 建築對聯合國永續發展目標有何貢獻。

圖 1：屋頂 PV 發電是 Phoenix Contact 廠房取得 LEED 銀級和 ZEB 認證的關鍵因素。(圖片來源：Phoenix Contact)

LEED 涵蓋全方位考量

LEED 是一套完善的系統，會考量建立高效能建築所需的所有要素。LEED 會以詳細的效能標準，針對建案給予積分或分數當作認證條件。效能類別及其相對重要性 (最重要到最不重要) 包括¹：

• 減少對全球氣候變遷的加劇。
• 增進個人健康。
• 保護和復育水資源。
• 保護和增進生物多樣性與生態系統服務。
• 促進永續性和再生材料循環。
• 提高社區生活品質。

最重要的標準是減少對全球氣候變遷的加劇，佔所有分數的 35%。LEED 認證的等級包括認證級 (40-49 分)、銀級 (50-59 分)、金級 (60-79 分) 和白金級 (80 分以上)。

在最新的 LEED v4.1 版中，評分項目絕大多數都與營運和隱含的碳排放相關。營運碳是指供暖通空調 (HVAC)、照明和其他耗能建築系統產生的二氧化碳 (CO2) 排放。隱含碳是指在建築物的整個生命週期中，與建築材料生產和建築施工過程相關的碳排放。

LEED 認證對於建立更綠色節能的社會非常重要。建築物佔全球 CO₂ 排放量的 39%，其中 28% 來自建築的營運，11% 來自隱含的碳排放 (圖 2)。建築業是全球 CO₂ 排放的最大來源，因此已經制定多項特殊計畫，鼓勵發展零耗能建築。

圖 2：建築營運以及材料和施工是全球 CO₂ 排放的主要來源。(圖片來源：New Buildings Institute)

定義「零」

零耗能看似是一個簡單的概念，但有幾種不同的定義。被常被引用的三種定義分別是 LEED 零耗能計畫、國際未來生活研究所 (ILFI) 零耗能，以及 Zero Code 再生能源採購框架，其中 Zero Code 是 Architecture 2030 組織的一項倡議，已被美國加州採納成為建築能源標準。「零」的定義方式有顯著差異。

要取得 LEED 零耗能認證，建築物必須將能源平衡達到零持續 12 個月，包括現場發電和外部產生 (採購) 的能源。未禁止現場燃燒石化燃料。總能源消耗必須包括現場或外部產生的再生能源或碳抵換。

ILFI 零耗能認證是最嚴格的標準。需具備現場再生能源，以供應建築物 100% 的能源需求。不允許燃燒，且認證以實質績效為準；不允許建模。

Zero Code 專門針對新建的商業、機關，以及中高樓住宅建築進行規範。此標準將零碳建築定義為該建築未使用現場石化燃料，且在現場產生或採購足夠的無碳再生能源或碳權，以滿足建築營運的能源需求。Zero Code 亦要求建築物符合 ASHRAE 標準 90.1-2019 所規定的建築效率。如果其他能效標準能帶來相等或更高的能效，Zero Code 允許以其他能效標準替代。

LEED 範例

Phoenix Contact 近期在美國主廠區物流中心的屋頂安裝一套 961 kW 的 PV 系統。此系統產生的電力足以供應該設施約 30% 的能源需求，相當於約 160 個家庭每年的能源消耗。該建築取得 LEED 銀級和 Zero Energy 認證。

此 PV 系統更整合現場天然氣發電 1 MW 微型渦輪汽電共生系統。中央能源控制系統會即時監控 PV 發電廠的發電量和建築的能耗。當總能源需求超過 PV 系統的輸出時，就會使用微型渦輪發電機。有時會同時使用 PV 系統和微型渦輪機，以淨計量向電網提供電力，為公司帶來收入。

此系統可減少日間的天然氣消耗；微型渦輪發電機主要在夜間運作，藉此達到最高整體能源效率並減少整體 CO₂ 的產生。有時可將天然氣消耗量減少到幾乎為零。此 PV 系統的一些統計數據包括：

• 2,185 塊太陽能板
• 年發電量為 1,214,235 kWh
• 減少 1,939,279 lb CO₂ 足跡

此類大型設備中的個別 PV 系統區段皆須持續進行監測和控制，以達到最佳發電效率和可用性。

自動化需要可付諸行動的資訊

要讓 PV 設備等電氣化系統達到有效的自動化和控制，就需要全面且可付諸行動的資訊。需即時監控每一排 PV 板，以便達到最高發電量及支援預防性維護。如果某一排意外失效，可能會損失數千 kW 的電力，連帶造成金錢損失。

Phoenix Contact 美國主廠區的 961 kW PV 系統含有 12 個逆變器，每個逆變器由六排 PV 板供電，並整合該公司的多款產品。首先介紹第二代 EMpro 能量計，如板安裝的 2908286。這些儀表用於量測關鍵能源參數，並將其傳輸到支援遠端監測所有系統元件的雲端平台。EMpro 能量計適用於各種電力系統設計，包括單相、雙相、三相設備和配置。此系統可即時監測眾多系統元件和運作情況，包括：

• 獨立監測逆變器的 DC 輸入功率、AC 輸出功率、有功和無功功率、故障、運作狀態。
• 監控每一排 PV 板的電流和電壓輸出。評估該資料，以判定每一排的健康狀況和潛在的維護需求。
• 面板溫度由遍布整個設備的眾多感測器監測。
• 收集風速和風向、溫度、相對濕度、氣壓等天氣狀態。
• 太陽輻照度由兩台日射強度計測量，一台與面板的安裝角度成 10 度角，另一台為水平安裝。
• 污染感測器會測量 PV 板表面灰塵和污垢造成的光損失。
• 攝影機為系統提供安全監視。

此系統還需要資料記錄器和介面。例如，該公司的 Radioline 無線模組 (如型號 2901541) 就使用 RS-485 協定與 PV 模組的溫度和污染感測器進行無線通訊，無需纜線。此外，更採用乙太網路供電 (PoE) 同時傳輸電力和數據。FL mGuard 1000 系列安全路由器 (如型號 1153079) 可以提供防火牆保全和使用者管理，達到入侵防護。

若要將以上裝置連接，需要一個控制器，如 Phoenix Contact 的 DIN 軌道安裝型號 1069208，並以該公司的 PLCnext 技術為基礎 (圖 3)。此控制器與輸入／輸出 (I/O) 模組 (如型號 2702783) 配對時，就會彙總感測器網路的資料並將其傳輸到雲端服務提供商。此外，工業 PC 可執行 Phoenix Contact 的 Solarworx 軟體。隨附的軟體工具和函式庫可支援太陽能產業採用的通訊協定和標準。此系統可讓 PV 系統進行客製化的自動化和視覺化作業，並且相容於第三方軟體套裝，能分析歷史和即時資料，將效能最佳化。函式庫包含符合可編程控制器 IEC 61131 標準要求的功能模塊。

圖 3：適用於大型 PV 發電系統的 DIN 軌道安裝式控制器。(圖片來源：Phoenix Contact)

饋入控制是將 PV 陣列等分散式能源 (DER) 與電網整合的電氣化關鍵。Phoenix Contact 的 PGS 控制器可以監測電網連接點的電壓和無功功率位準，並判定逆變器所需的控制值，以支援中壓和高壓電網的電力饋入管理。

LEED 與永續發展

聯合國 (UN) 訂立了 17 項永續發展目標² (SDG)，期望在 2030 年終結全球貧困。USGBC 表示，LEED 建築固有的電氣化和自動化有助於實現 17 項永續發展目標中的 11 項，包括：

目標 3：健康和福祉

目標 6：潔淨的水及衛生

目標 7：可負擔的潔淨能源

目標 8：促進包容、永續的經濟成長，達到全面且有生產力的就業，讓每一個人都有好工作

目標 9：建立具有韌性的基礎建設，促進包容且永續的產業發展，並加速創新

目標 10：減少國內及國家間的不平等

目標 11：永續城市和社區

目標 12：負責任的消費和生產

目標 13：因應氣候變遷的行動

目標 15：保護、復育、促進陸域生態系統的永續利用；森林永續管理；防治沙漠化；終止及逆轉土地劣化；遏止生物多樣性的喪失

目標 17：加強實施方法，重振全球永續發展夥伴關係

企業策略也可在促進社會更永續的層面上做出貢獻。例如，Phoenix Contact 的美洲物流中心就取得 LEED 銀級和 Zero Energy 認證；這是該公司預期在全球所有據點達到碳中和的起點。該公司的下一個目標是在 2030 年前建立一個完全氣候中和的加值鏈。

結論

建築業是全球 CO₂ 排放的最大來源。LEED 和 ZEB 認證是衡量是否成功利用電氣化和自動化打造更高效率和永續建築的重要工具。如本文所述，大型 PV 發電設備與現場汽電共生能力相結合，即可促進更加綠色節能的社會。取得 LEED 認證的建築亦可支援聯合國 17 個永續發展目標 (SDG) 以及到 2030 年消除全球貧困的目標。

參考資料：

1. LEED 評級系統，美國綠建築協會
2. 永續發展目標，聯合國