李雨桐,郝斌,趙宇明,童亦斌,陳文波,馮威
(1.深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司,廣東 深圳 518049;2.深圳供電局有限公司,廣東 深圳 518001;3.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,北京 100044;4.南京國(guó)臣直流配電科技有限公司,江蘇 南京 211100;5.勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,美國(guó) 加利福尼亞州 伯克利 94720)
隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的快速突進(jìn),建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求逐步提高,零能耗建筑和零碳建筑試點(diǎn)推廣,光伏、儲(chǔ)能等分布式能源大量接入建筑配電網(wǎng),同時(shí)建筑電器中電力電子化設(shè)備大幅增加,電動(dòng)汽車(chē)充電樁成為標(biāo)配,這些都對(duì)現(xiàn)有交流配用電系統(tǒng)管理和運(yùn)維帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。低壓直流配電與傳統(tǒng)的交流供電架構(gòu)相比,具有轉(zhuǎn)換效率高、電能損耗小、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),特別適合負(fù)荷需求多樣化、分布式新能源接入規(guī)?;陌l(fā)展要求,而且在提高電能質(zhì)量、減少電力變換器件、發(fā)揮分布式能源效益等方面,更能起到積極的促進(jìn)作用[1-3]。
低壓直流系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用研究始于2000年左右,前期研究主要目的是摸清直流系統(tǒng)在建筑中應(yīng)用的可行性。整體來(lái)說(shuō),前期研究基本上證明了直流系統(tǒng)在建筑中應(yīng)用具備可行性,通過(guò)減少交直流轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)能夠提升供電系統(tǒng)效率,特別在接入光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車(chē)等直流電源或負(fù)載的情況下,直流系統(tǒng)更具備控制優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)各類建筑直流系統(tǒng)的示范項(xiàng)目也先后建成。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)際上實(shí)際運(yùn)行的直流建筑項(xiàng)目已建成10余個(gè),國(guó)內(nèi)低壓直流建筑項(xiàng)目也已達(dá)到20余個(gè),建筑類型涵蓋了辦公、校園、住宅和廠房多個(gè)種類,直流配電容量在10~300 kW[4-5]。
隨著對(duì)建筑直流系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)逐漸深入,研究關(guān)注點(diǎn)逐步由配電設(shè)備向建筑用電轉(zhuǎn)變,不僅是通過(guò)直流減小轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能耗損失[6],更關(guān)注直流化之后建筑用電電器的配合和智能化發(fā)展。本文從民用建筑用電特點(diǎn)分析和建筑節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)入手,對(duì)直流配用電技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行分析,并結(jié)合未來(lái)大廈低壓直流配用電示范工程建設(shè)情況,分別從直流配電和用電2個(gè)方面介紹低壓直流技術(shù)在民用建筑應(yīng)用中的特點(diǎn),希望能為直流供電在民用建筑中的規(guī)模化工程應(yīng)用提供參考。
從傳統(tǒng)認(rèn)知上來(lái)說(shuō),空調(diào)是建筑中的首要用能設(shè)備,降低空調(diào)能耗是建筑節(jié)能的關(guān)鍵路徑。因此,自20世紀(jì)90年代起,我國(guó)建筑節(jié)能“30%-50%-65%”三步式發(fā)展的工作重點(diǎn)是提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能和空調(diào)采暖設(shè)備能效。然而,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建筑終端用能結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化,逐步由空調(diào)能耗主導(dǎo)轉(zhuǎn)向了電器設(shè)備主導(dǎo)的用能結(jié)構(gòu),特別是在城鎮(zhèn)化率高、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份,各類電器設(shè)備的用能占到了建筑總能耗的50%以上。以廣東省深圳市為例,2019年深圳市全市監(jiān)測(cè)公共建筑單位面積用電指標(biāo)為109.0 kWh/m2,其中照明與插座用電指標(biāo)最大(68.4 kWh/m2),占總用電量比例的62.7%,其次才是空調(diào)用電,占總用電量比例為26.5%(見(jiàn)圖1)[7]。
建筑終端用能結(jié)構(gòu)的變化意味著單純“節(jié)流”的措施在建筑節(jié)能中的整體貢獻(xiàn)逐漸減弱,而光伏、風(fēng)能、甚至燃料電池等“開(kāi)源”的技術(shù)路徑將在進(jìn)一步降低建筑能耗、實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域碳減排方面起到關(guān)鍵作用。
圖1 2019年深圳市大型公共建筑終端用能結(jié)構(gòu)Fig.1 End-user energy consumption of large public buildings in Shenzhen in 2019
建筑是第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展和居民生活的載體,其用能負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的峰谷波動(dòng)特點(diǎn),同時(shí)城鎮(zhèn)化率越高、第三產(chǎn)業(yè)占比越高的地區(qū),建筑用能峰谷波動(dòng)的程度也越大。同樣以廣東省深圳市建筑為例,根據(jù)2019年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖2),全市大部分公共建筑的平均用電負(fù)荷率在40%以下(用電負(fù)荷率定義為全年平均用電功率與峰值功率的比值),其中:體育會(huì)展類型建筑負(fù)荷率最低,僅為18%;商業(yè)類建筑的峰值負(fù)載率主要集中在30%~40%區(qū)間;醫(yī)療建筑和五星級(jí)酒店建筑由于運(yùn)行要求高,其用電負(fù)荷率最高,但也僅在45%左右[7]。
圖2 2019年深圳市各類建筑平均用電負(fù)荷率Fig.2 Average power load rate of various buildings in Shenzhen in 2019
進(jìn)入“十四五”,隨著第三產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和電動(dòng)汽車(chē)充電樁的普及,建筑用電負(fù)荷未來(lái)將呈現(xiàn)更大波動(dòng)趨勢(shì)。預(yù)計(jì)2025年深圳市全社會(huì)用電峰值負(fù)荷將達(dá)到25 GW(見(jiàn)圖3),其中新增建筑產(chǎn)生的峰值負(fù)荷占增幅的42%[7],對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施投資將達(dá)到百億元級(jí)別。這不僅侵蝕了用戶用能成本降低的空間,也使電網(wǎng)企業(yè)承擔(dān)了巨大的調(diào)度和投資壓力,電力基礎(chǔ)設(shè)施資源利用率進(jìn)一步惡化。因此,亟待轉(zhuǎn)變電網(wǎng)與建筑之間的單向關(guān)系,建立建筑自身負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。
圖3 “十四五”深圳市用電峰值負(fù)荷預(yù)測(cè)Fig.3 Peak electricity load forecasting of Shenzhen for the coming five years
建筑終端的用電質(zhì)量包含用電可靠性和電能質(zhì)量2個(gè)方面?,F(xiàn)狀來(lái)看,民用建筑用電可靠性問(wèn)題并不突出,建筑電氣領(lǐng)域?qū)Υ岁P(guān)注的程度也不高。通常僅對(duì)于涉及安全和可能導(dǎo)致重大損失的個(gè)別用電負(fù)荷采用多路電源供電,即通過(guò)增大配電冗余量的方式提高供電可靠性。這一方面是由于我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng),建筑主要依賴電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行保障,另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)建筑用電負(fù)載主要為保障建筑環(huán)境舒適健康的生活類負(fù)載,短時(shí)中斷影響并不明顯。但近年來(lái),隨著眾多企業(yè)業(yè)務(wù)的電子化和網(wǎng)絡(luò)化,建筑用電逐步轉(zhuǎn)向了服務(wù)業(yè)務(wù)的生產(chǎn)性負(fù)載,民用建筑中電力中斷的損失也更加顯著。2019年美國(guó)加州PG&E為避免引起山火的責(zé)任,對(duì)居民強(qiáng)制公共安全停電(public safety power shutoff,PSPS),經(jīng)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)算,這次停電對(duì)居民、工商業(yè)經(jīng)濟(jì)影響超過(guò)25億美元。此外,建筑中的電子設(shè)備越來(lái)越多,對(duì)電能質(zhì)量的要求也日趨嚴(yán)格。
面向未來(lái)凈零能耗建筑和城市分布式能源發(fā)展的趨勢(shì),自2017年以來(lái),科技部先后在政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)中批準(zhǔn)立項(xiàng)了多個(gè)項(xiàng)目,開(kāi)展低壓直流建筑與城市分布式能源利用等相關(guān)方向的技術(shù)研究和工程示范。筆者所在單位依托上述科研項(xiàng)目,聯(lián)合包括住建部科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心、清華大學(xué)、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、深圳供電局有限公司、北京交通大學(xué)、珠海格力電器股份有限公司、南京國(guó)臣直流配電科技有限公司等國(guó)內(nèi)外20余家單位,共同對(duì)低壓直流在民用建筑領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究,建設(shè)了全球首個(gè)規(guī)?;こ虘?yīng)用項(xiàng)目——未來(lái)大廈低壓直流配用電示范工程。本工程示范項(xiàng)目于2019年通過(guò)了科技部綜合示范項(xiàng)目驗(yàn)收,并入選中美建交40周年40項(xiàng)科技合作項(xiàng)目成果之一,在中國(guó)駐美國(guó)華盛頓使館舉辦的“發(fā)展的中國(guó)”使館開(kāi)放日展覽。
本低壓直流建筑示范項(xiàng)目位于廣東省深圳市龍崗區(qū)的深圳國(guó)際低碳城核心啟動(dòng)區(qū)內(nèi),圖4為未來(lái)大廈位置示意圖和工程效果圖。項(xiàng)目整體采用鋼結(jié)構(gòu)模塊化的建造方式,總建筑面積60 000 m2,包括辦公、會(huì)展會(huì)議、實(shí)驗(yàn)室、專家公寓等多種業(yè)態(tài)。項(xiàng)目整體定位于夏熱冬暖地區(qū)凈零能耗建筑(net zero energy building),通過(guò)采用“強(qiáng)調(diào)自然光、自然通風(fēng)與遮陽(yáng)、高效能源設(shè)備及可再生能源與蓄能技術(shù)集成應(yīng)用”的技術(shù)路線,經(jīng)測(cè)算本項(xiàng)目常規(guī)能源消耗水平49.01 kWh/(m2a),比GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》約束值低51%,比引導(dǎo)值低40%,扣除光伏系統(tǒng)發(fā)電量后,本項(xiàng)目全年能耗水平達(dá)到29.03 kWh/(m2a)。圖5為未來(lái)大廈能耗模擬情況。
圖4 未來(lái)大廈位置示意圖和工程效果圖Fig.4 The illustration of the location and architecture design
圖5 未來(lái)大廈能耗模擬情況Fig.5 Simulation on energy consumption of the demo project
低壓直流配電是實(shí)現(xiàn)凈零能耗建筑目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)路徑之一。本示范項(xiàng)目中直流模塊總建筑面積5 000 m2,構(gòu)建了包括直流配電設(shè)備、分布式電源、直流用電電器、直流用電保護(hù)以及智能微電網(wǎng)控制在內(nèi)的低壓直流配電示范工程,目的在于研究民用建筑場(chǎng)景下直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、安全保護(hù)技術(shù)、運(yùn)行控制技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備性能要求,為低壓直流配用電技術(shù)在民用建筑中的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
未來(lái)大廈交直流混合配用電項(xiàng)目整體架構(gòu)設(shè)計(jì)遵循簡(jiǎn)單、靈活的原則,力求通過(guò)最簡(jiǎn)潔的架構(gòu)達(dá)到分布式能源靈活接入、靈活調(diào)度和安全供電的目的,系統(tǒng)整體架構(gòu)見(jiàn)圖6。直流負(fù)載總用電容量達(dá)到345 kW,設(shè)備類型涵蓋了辦公建筑內(nèi)除電梯、消防水泵等特種設(shè)備之外全部用電電器,包括空調(diào)、照明、插座、安防、應(yīng)急照明、充電樁,以及數(shù)據(jù)中心等負(fù)荷類型。系統(tǒng)架構(gòu)采用正負(fù)雙極直流母線形式,實(shí)現(xiàn)了建筑內(nèi)1個(gè)配電等級(jí)提供2種電壓等級(jí)的靈活配電方式,相應(yīng)的電壓等級(jí)在高壓側(cè)采用極間電壓DC 750 V,中壓采用DC ±375 V。充電樁、空調(diào)機(jī)組等大功率設(shè)備接入DC 750 V母線,DC ±375 V母線負(fù)責(zé)建筑內(nèi)電力傳輸,樓層內(nèi)采用DC+375 V或DC -375 V單極供電,并且針對(duì)建筑室內(nèi)用電安全要求高的特點(diǎn),在人員活動(dòng)區(qū)域采用了DC 48 V特低安全電壓,以保障直流配電系統(tǒng)的安全性。
在電壓等級(jí)確定方面,研究團(tuán)隊(duì)廣泛征求各方意見(jiàn),采用“自下而上”的思考方式,以滿足民用建筑終端用戶的需求為依據(jù),盡可能使用戶感受不到交流和直流的差異,從交直流電器的通用性角度選擇DC 400~350 V作為直流母線電壓運(yùn)行范圍。首先,此電壓范圍的能量輸送能力高于同電壓等級(jí)的三相交流電,該電壓范圍供電功率可達(dá)到百千瓦級(jí)別,建筑中絕大多數(shù)的空調(diào)、辦公設(shè)備、照明和小型數(shù)據(jù)中心的供電需求都可以覆蓋[1,8]。其次,此電壓范圍有利于分布式電源的接入,建筑內(nèi)的小型用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)容量通常在十幾千瓦到幾百千瓦,通過(guò)交直流逆變或換流器環(huán)節(jié)接入電網(wǎng)的直流電壓范圍在300~600 V,可方便地連接到這個(gè)直流電壓水平。再次,此電壓范圍要求的線纜絕緣耐壓等級(jí)符合現(xiàn)有低壓交流電纜的絕緣要求,有利于利用低壓交流配電網(wǎng)的現(xiàn)有資源進(jìn)行直流配電網(wǎng)的改造。最后,標(biāo)稱電壓選擇DC 375 V,與常用辦公、家用電器內(nèi)部寬范圍輸入電源的上限輸入電壓AC 265 V的峰值電壓相對(duì)應(yīng),方便用戶使用選擇交直流通用的電器,從而最大程度地避免選擇不到直流電器的情況。
圖6 未來(lái)大廈直流配電系統(tǒng)方案Fig.6 Scheme of DC distribution system for the demo building
在光伏、儲(chǔ)能等分布式能源接入方面,本項(xiàng)目?jī)?chǔ)能配置總?cè)萘?50 kWh,光伏裝機(jī)容量150 kW。在儲(chǔ)能配置形式方面,本項(xiàng)目依據(jù)儲(chǔ)能電池使用目的、負(fù)載運(yùn)行特點(diǎn),采用了集中和分散2種儲(chǔ)能形式。對(duì)于峰谷套利、光伏消納等能量型應(yīng)用,采用了價(jià)格低、安全性好的集中式鉛碳儲(chǔ)能電池。對(duì)于削峰運(yùn)行、動(dòng)態(tài)增容等功率型應(yīng)用,本項(xiàng)目采用能量密度大、放電倍率高的分散式鋰電池。在儲(chǔ)能容量配置方面,本項(xiàng)目按照建筑用能的逐時(shí)負(fù)荷特性和光伏發(fā)電量的預(yù)測(cè)對(duì)儲(chǔ)能配置容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),能夠保證本項(xiàng)目全年80%的時(shí)間可以不依賴市政電網(wǎng)進(jìn)行離網(wǎng)運(yùn)行,全年建筑用電峰值負(fù)荷降低幅度達(dá)到63%,屋頂光伏發(fā)電的自用率達(dá)到97%。儲(chǔ)能容量配置分析如圖7所示。
在直流用電方面,本項(xiàng)目選擇了特低壓DC 48 V,充分發(fā)揮直流供電安全優(yōu)勢(shì)。在建筑交流配電系統(tǒng)中并未明確區(qū)分配電電壓和用電電壓,通常單相AC 220 V交流電承擔(dān)了能量輸配和終端電器驅(qū)動(dòng)的雙重任務(wù),使得建筑用電始終存在用電安全的問(wèn)題。特低壓直流配電系統(tǒng)首先是為了發(fā)揮直流的安全特性,相對(duì)于通常使用的交流電網(wǎng)具有更好的安全優(yōu)勢(shì),特別是在人員接觸頻率高、觸電風(fēng)險(xiǎn)大的應(yīng)用場(chǎng)景[9-12]。其次,建筑內(nèi)部特低壓直流配電系統(tǒng)在發(fā)揮安全供電的特性之外,還具有節(jié)能和智能化應(yīng)用2項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。目前建筑室內(nèi)小功率電器內(nèi)部幾乎完全由直流供電,普遍采用的方法是對(duì)每個(gè)電器使用單個(gè)AC 220 V到直流轉(zhuǎn)換器,這類小功率AC/DC轉(zhuǎn)換器效率一般不超過(guò)90%;而采用集中的DC/DC轉(zhuǎn)換器,即使具有隔離功能,也能夠容易地達(dá)到95%以上的效率[13-14]。并且,如果使用具有多輸出通道DC/DC轉(zhuǎn)換器,可使電源與負(fù)載之間的距離保持最小,從而顯著減少布線和線路功率損失,提高整個(gè)配電系統(tǒng)的效率。最后,建筑內(nèi)部特低壓直流配電系統(tǒng)有利于供電功能與控制功能結(jié)合,即強(qiáng)弱電結(jié)合。直流配電設(shè)備和用電電器通過(guò)與相關(guān)傳感器、分布式計(jì)算單元配合,能夠構(gòu)成模塊化單元供電的“納網(wǎng)”,實(shí)現(xiàn)更多智能化控制功能[15-16]。目前,以太網(wǎng)供電技術(shù)和直流載波通信技術(shù)都是在此范疇內(nèi)。
圖7 未來(lái)大廈儲(chǔ)能系統(tǒng)配置分析Fig.7 Analysis of energy storage system configuration of the demo building
特低壓直流由于電壓較低,傳輸距離有限,盡可能選擇較高的特低壓直流有利于降低線路損失,提高供電距離。GB/T 3805—2008《特低電壓(ELV)限值》中特低電壓限值最低值為70 V,IEC 60038推薦的優(yōu)選特低電壓等級(jí)包括48 V、36 V、12 V和6 V。因此結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)要求,推薦在建筑用電電壓等級(jí)采用DC 48 V。在DC 48 V的電壓等級(jí)下,一般建筑室內(nèi)配電內(nèi)常用的2.5~6 mm2電纜最大輸電功率在2~4 kW,考慮控制5%的最大線路損失,在50 W/m2的配電功率密度下的可供電面積為40~60 m2;在電流為10 A和16 A的情況下,2.5 mm2電纜的最大輸送距離可以達(dá)到27 m和17 m。因此,在建筑內(nèi)部采用分區(qū)供電方式,使特低壓直流電源盡可能靠近用電負(fù)荷,采用多路輸出,降低線路損失。
本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了集成DC 48 V直流電源、應(yīng)急儲(chǔ)能、智能群控制系統(tǒng)為一體的終端用電模塊,不僅能夠?yàn)樽烂骐娔X、插座等500 W以下小功率電器供電,也同時(shí)實(shí)現(xiàn)了建筑強(qiáng)電系統(tǒng)與弱電系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合,解決了直流配電系統(tǒng)用電安全保護(hù)和智能控制的難題,直流終端用電系統(tǒng)組成和用戶界面見(jiàn)圖8和圖9。該直流終端用電模塊兼容無(wú)線及有線的設(shè)備信息接入形式,兼容多種用電接口,組網(wǎng)靈活性高,能夠滿足辦公、會(huì)議、居住等不同建筑空間功能需求。直流終端用電模塊在建筑中連接組網(wǎng)后,能夠通過(guò)內(nèi)置的分布式計(jì)算單元協(xié)調(diào)各用電終端完成建筑內(nèi)泛光照明、空調(diào)通風(fēng)、安防門(mén)禁、消防報(bào)警等智能化系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制,不需要專門(mén)配置通信系統(tǒng)和控制機(jī)房,設(shè)備成本更低,可靠性更高,非常適合“點(diǎn)多、量大、面廣”的民用建筑分散控制場(chǎng)合應(yīng)用。
圖8 未來(lái)大廈直流終端用電系統(tǒng)Fig.8 DC terminal power system of the demo building
圖9 未來(lái)大廈智能群控制系統(tǒng)界面Fig.9 Schematic of the swarm control system of the demo building
目前,本交直流混合配用電示范項(xiàng)目已經(jīng)全面建成,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,調(diào)控靈活,終端用電方便智能。研究團(tuán)隊(duì)基于本系統(tǒng)開(kāi)展直流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、安全保護(hù)配置、系統(tǒng)能效和多級(jí)儲(chǔ)能調(diào)控策略等方面實(shí)驗(yàn)研究工作,希望能夠積累更多工程運(yùn)行數(shù)據(jù)和用戶反饋意見(jiàn),以夯實(shí)直流配電技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。
低壓直流配用電技術(shù)并非一項(xiàng)全新的技術(shù),但在民用建筑中的應(yīng)用卻是全新領(lǐng)域的探索。雖然原理上直流電與交流電相比具有形式簡(jiǎn)單、易于控制、傳輸效率高等特點(diǎn),但同時(shí)也要看到交流系統(tǒng)經(jīng)歷了百年的發(fā)展,形成了成熟的技術(shù)、產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)體系,在工程規(guī)模化應(yīng)用方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。因此,民用建筑中采用直流配電不是單純交流到直流電力變換技術(shù),其對(duì)于民用建筑的價(jià)值體現(xiàn)應(yīng)是將能源與信息技術(shù)融合,利用電力電子裝置的高可控性,使建筑用電負(fù)荷具備靈活調(diào)整能力,能夠與城市互動(dòng)、與終端用戶互動(dòng),實(shí)現(xiàn)城市建筑供能可靠性、用能經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性綜合最優(yōu)。