韓 瀛, 烏聰敏

(天津大學建筑設(shè)計研究規(guī)劃總院有限公司, 天津 300073)

0 引 言

分布式清潔能源是我國未來能源發(fā)展的重要方向。據(jù)統(tǒng)計,我國2018年分布式能源發(fā)電占比為4.79%,2020年預(yù)計將達到8.7%。分布式電源多為逆變型電源,交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)增加了額外的損耗。因此,直流供電作為充分消納本地可再生能源的手段,將隨之進一步擴展。此外,大約95%以上的建筑內(nèi)交流負荷可以用更高效直流負荷替代。分布式電源與建筑一體化設(shè)計將是建筑供配電系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方式,建筑直流供用電具有廣闊的發(fā)展前景。

1 直流供電特性分析

與傳統(tǒng)的交流供用電模式相比,建筑直流供用電在能源效率、控制模式、電能質(zhì)量等方面優(yōu)勢明顯[1-3]。

(1)能源效率高。直接采用直流輸電,避免UPS等電源輸出再次轉(zhuǎn)換為交流輸送電能,通過減少AC/DC的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)來減少不必要的電力損耗。

(2)控制靈活。建筑內(nèi)直流供電使照明調(diào)光、電機調(diào)速更加簡易可行,可以根據(jù)時間以及人員工作狀況及時調(diào)整建筑的運行狀態(tài),在非高峰時間使建筑運行在低能耗狀態(tài),有效節(jié)省能源。配置儲能的直流供電系統(tǒng)則能夠結(jié)合“峰谷電價”有效降低運行成本。

此外,直流供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量及供電可靠性優(yōu)于交流供電系統(tǒng),同時電磁污染也低于交流系統(tǒng)。

2 直流建筑用電設(shè)備分析

2.1 照明負荷

LED的應(yīng)用及快速發(fā)展為建筑直流技術(shù)應(yīng)用掀開了序章。目前,不少直流建筑技術(shù)主要應(yīng)用在直流照明及其調(diào)光方面。近年LED的發(fā)展更加迅速與全面,效率從70 lm/W提高到200 lm/W,常用的一般都在100～120 lm/W;很好地解決光源刺眼以及藍光效應(yīng)的問題,已經(jīng)開發(fā)辦公、商用、高大空間、泛光、景觀、消防應(yīng)急照明等全系列的光源與配套燈具,現(xiàn)在一般電器商店銷售的基本都是LED燈,建筑內(nèi)LED的應(yīng)用為直流供電提供了基礎(chǔ)。

2.2 機房負荷

辦公類建筑要考慮到辦公的安全便捷以及物業(yè)管理、樓宇運維等方面,在建立數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時一般除外網(wǎng)外還建立內(nèi)網(wǎng)和物業(yè)網(wǎng),因此樓內(nèi)無論規(guī)模大小均建設(shè)有數(shù)據(jù)機房。數(shù)據(jù)機房傳統(tǒng)供電方式一般為DC 48 V,但是對于大型機房多采用DC 220 V以上的供電。

2.3 辦公負荷

電腦是辦公建筑內(nèi)用量最大的電器設(shè)備,其主機和顯示屏都是采用直流工作的,但是機內(nèi)使用直流電壓等級較多,目前電力電子器件可以實現(xiàn)高效可靠的直流/直流變壓和直流開關(guān)。對于1 kW以內(nèi)的小功率裝置,其成本已低于交流變壓器。

2.4 空調(diào)負荷

部分辦公建筑基于綠色節(jié)能的考慮,選擇直流變頻空調(diào)。直流變頻空調(diào)一般多用于VRV機組,其工作原理是把50 Hz交流電轉(zhuǎn)換為直流電源,并由功率模塊輸出電壓可變的直流電源,為壓縮機提供直流電。相對于交流變頻，直流變頻(直流變速空調(diào)器)沒有逆變環(huán)節(jié)且使用永磁電機,省卻交流電機的轉(zhuǎn)子電流消耗,因而更加省電。

2.5 直流電梯

大多數(shù)高層辦公建筑選擇直流電梯,其具有梯速快(直流電梯的梯速一般都在2 m/s以上,相比交流電梯速度更快)、運行平穩(wěn)等特點。

2.6 其他直流負荷

按照規(guī)范要求,辦公類建筑需要至少按照停車位總數(shù)的10%設(shè)置充電樁,充電樁應(yīng)考慮至少10%的速充方式。目前,水泵類設(shè)備,例如微型泵、小型泵多采用直流電機,功率一般多在200 W內(nèi)。另外,建筑內(nèi)變電時的直流屏也是直流運行的。

3 辦公建筑的直流供電系統(tǒng)

對于辦公建筑,照明、電腦、數(shù)據(jù)機房、直流空調(diào)、直流電梯、充電樁等直流負荷累計已經(jīng)基本達到平常使用負荷總量的75%以上。其他建筑內(nèi)常用負荷,如生活水泵、新風機、排風機等以交流電機為主;辦公建筑常用的電器,如電開水器、飲水機等電熱設(shè)備也可以采用直流供電。此情況下,辦公建筑內(nèi)直流用電設(shè)備的負荷占比將更高。所以對于設(shè)有分布式能源系統(tǒng)的辦公建筑,應(yīng)該優(yōu)先考慮直流供電系統(tǒng)。

典型建筑直流供用電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型建筑直流供用電系統(tǒng)

圖1中,平時常用的水泵、風機已經(jīng)有變頻節(jié)能的需求,進一步發(fā)展到直流電機不會太長時間。然而,目前建筑內(nèi)消防類設(shè)備,如消防風機、消防水泵因為很少使用或者基本不用,沒有節(jié)能以及啟動平緩的要求,因而市面上產(chǎn)品基本都是交流型,預(yù)計很長時間內(nèi)都不會改變,實現(xiàn)直流建筑還有一段路要走。

4 直流建筑的推廣前景

用能模式上,直流供電優(yōu)點很多,但是目前在推廣上面臨兩方面制約。一方面受制于市場因素,當前用電設(shè)備基本都是交流供電,有不少電器雖然是直流設(shè)備,但在市場上常見的還是交流接口,選用直流型一般需要定制。另一方面受制于技術(shù)因素,建筑內(nèi)直流用電設(shè)備電壓等級較多,目前尚缺乏統(tǒng)一的用電設(shè)備電壓等級標準。因而,不同電壓等級的設(shè)備長時間共存,大功率直流調(diào)壓困難。此外,對于高壓直流,電流開斷是一個技術(shù)難點。直流建筑內(nèi)功率較大的負載設(shè)備還無法保證快速、安全地分斷,但對于100 V、小功率低壓直流,國內(nèi)外電器廠家已有商用的斷路器和直流接觸器,規(guī)格通常為DC 48 V和DC 60 V兩種,接觸器規(guī)格通常為DC 60 V[4]。與低壓直流空氣斷路器不同,直流安全插座的技術(shù)還有待完善,常用的交流插座在恒功率設(shè)備超過100 W時打火現(xiàn)象明顯,故不可進行熱插拔,超過100 W時應(yīng)設(shè)置低壓直流斷路器。直流斷路器、插座及家用直流型電器的普及將影響直流建筑的推廣。

5 結(jié) 語

從節(jié)約能源、提高能效以及利于分布式能源接入等方面考慮,直流建筑的發(fā)展未來可期?，F(xiàn)階段,由于規(guī)范、標準、圖集的不完備,產(chǎn)品、材料性能標準不全面,直流建筑推廣還有一定難度。將設(shè)有分布式能源的辦公建筑作為先行軍,從設(shè)計、施工、驗收、應(yīng)用等環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)問題,提出需求和解決問題,對于探索直流系統(tǒng)在建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑有實際意義。