低压直流配用电技术在净零能耗建筑中的应用探索

李雨桐，郝斌，赵宇明，童亦斌，陈文波，冯威

(1.深圳市建筑科学研究院股份有限公司，广东 深圳 518049；2.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001；3.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044；4.南京国臣直流配电科技有限公司，江苏 南京 211100；5.劳伦斯伯克利国家实验室，美国 加利福尼亚州 伯克利 94720)

随着国家节能减排政策的快速突进，建筑节能标准要求逐步提高，零能耗建筑和零碳建筑试点推广，光伏、储能等分布式能源大量接入建筑配电网，同时建筑电器中电力电子化设备大幅增加，电动汽车充电桩成为标配，这些都对现有交流配用电系统管理和运维带来了新的挑战。低压直流配电与传统的交流供电架构相比，具有转换效率高、电能损耗小、可控性强等优势，特别适合负荷需求多样化、分布式新能源接入规模化的发展要求，而且在提高电能质量、减少电力变换器件、发挥分布式能源效益等方面，更能起到积极的促进作用[1-3]。

低压直流系统在建筑中的应用研究始于2000年左右，前期研究主要目的是摸清直流系统在建筑中应用的可行性。整体来说，前期研究基本上证明了直流系统在建筑中应用具备可行性，通过减少交直流转化环节能够提升供电系统效率，特别在接入光伏、风电、储能和电动汽车等直流电源或负载的情况下，直流系统更具备控制优势。近年来各类建筑直流系统的示范项目也先后建成。据不完全统计，国际上实际运行的直流建筑项目已建成10余个，国内低压直流建筑项目也已达到20余个，建筑类型涵盖了办公、校园、住宅和厂房多个种类，直流配电容量在10～300 kW[4-5]。

随着对建筑直流系统的认识逐渐深入，研究关注点逐步由配电设备向建筑用电转变，不仅是通过直流减小转换环节的能耗损失[6]，更关注直流化之后建筑用电电器的配合和智能化发展。本文从民用建筑用电特点分析和建筑节能发展趋势入手，对直流配用电技术在建筑领域的应用价值进行分析，并结合未来大厦低压直流配用电示范工程建设情况，分别从直流配电和用电2个方面介绍低压直流技术在民用建筑应用中的特点，希望能为直流供电在民用建筑中的规模化工程应用提供参考。

1 民用建筑用电特点和需求分析

1.1 建筑终端用电结构的特点

从传统认知上来说，空调是建筑中的首要用能设备，降低空调能耗是建筑节能的关键路径。因此，自20世纪90年代起，我国建筑节能“30%-50%-65%”三步式发展的工作重点是提高围护结构性能和空调采暖设备能效。然而，随着社会经济的发展，建筑终端用能结构发生了巨大的变化，逐步由空调能耗主导转向了电器设备主导的用能结构，特别是在城镇化率高、经济发达省份，各类电器设备的用能占到了建筑总能耗的50%以上。以广东省深圳市为例，2019年深圳市全市监测公共建筑单位面积用电指标为109.0 kWh/m2，其中照明与插座用电指标最大(68.4 kWh/m2)，占总用电量比例的62.7%，其次才是空调用电，占总用电量比例为26.5%(见图1)[7]。

建筑终端用能结构的变化意味着单纯“节流”的措施在建筑节能中的整体贡献逐渐减弱，而光伏、风能、甚至燃料电池等“开源”的技术路径将在进一步降低建筑能耗、实现建筑领域碳减排方面起到关键作用。

图1 2019年深圳市大型公共建筑终端用能结构Fig.1 End-user energy consumption of large public buildings in Shenzhen in 2019

1.2 建筑终端用电负荷的特点

建筑是第三产业发展和居民生活的载体，其用能负荷呈现明显的峰谷波动特点，同时城镇化率越高、第三产业占比越高的地区，建筑用能峰谷波动的程度也越大。同样以广东省深圳市建筑为例，根据2019年监测数据(见图2)，全市大部分公共建筑的平均用电负荷率在40%以下(用电负荷率定义为全年平均用电功率与峰值功率的比值)，其中：体育会展类型建筑负荷率最低，仅为18%；商业类建筑的峰值负载率主要集中在30%～40%区间；医疗建筑和五星级酒店建筑由于运行要求高，其用电负荷率最高，但也仅在45%左右[7]。

图2 2019年深圳市各类建筑平均用电负荷率Fig.2 Average power load rate of various buildings in Shenzhen in 2019

进入“十四五”，随着第三产业的进一步发展和电动汽车充电桩的普及，建筑用电负荷未来将呈现更大波动趋势。预计2025年深圳市全社会用电峰值负荷将达到25 GW(见图3)，其中新增建筑产生的峰值负荷占增幅的42%[7]，对应的电网基础设施投资将达到百亿元级别。这不仅侵蚀了用户用能成本降低的空间，也使电网企业承担了巨大的调度和投资压力，电力基础设施资源利用率进一步恶化。因此，亟待转变电网与建筑之间的单向关系，建立建筑自身负荷调节能力。

图3 “十四五”深圳市用电峰值负荷预测Fig.3 Peak electricity load forecasting of Shenzhen for the coming five years

1.3 建筑终端用电质量需求

建筑终端的用电质量包含用电可靠性和电能质量2个方面。现状来看，民用建筑用电可靠性问题并不突出，建筑电气领域对此关注的程度也不高。通常仅对于涉及安全和可能导致重大损失的个别用电负荷采用多路电源供电，即通过增大配电冗余量的方式提高供电可靠性。这一方面是由于我国电网建设坚强，建筑主要依赖电网侧进行保障，另一方面传统建筑用电负载主要为保障建筑环境舒适健康的生活类负载，短时中断影响并不明显。但近年来，随着众多企业业务的电子化和网络化，建筑用电逐步转向了服务业务的生产性负载，民用建筑中电力中断的损失也更加显著。2019年美国加州PG&E为避免引起山火的责任，对居民强制公共安全停电(public safety power shutoff，PSPS)，经劳伦斯伯克利国家实验室测算，这次停电对居民、工商业经济影响超过25亿美元。此外，建筑中的电子设备越来越多，对电能质量的要求也日趋严格。

2 民用建筑低压直流配电的工程化探索

面向未来净零能耗建筑和城市分布式能源发展的趋势，自2017年以来，科技部先后在政府间国际科技创新合作重点专项中批准立项了多个项目，开展低压直流建筑与城市分布式能源利用等相关方向的技术研究和工程示范。笔者所在单位依托上述科研项目，联合包括住建部科技与产业发展促进中心、清华大学、劳伦斯伯克利国家实验室、深圳供电局有限公司、北京交通大学、珠海格力电器股份有限公司、南京国臣直流配电科技有限公司等国内外20余家单位，共同对低压直流在民用建筑领域的应用进行研究，建设了全球首个规模化工程应用项目——未来大厦低压直流配用电示范工程。本工程示范项目于2019年通过了科技部综合示范项目验收，并入选中美建交40周年40项科技合作项目成果之一，在中国驻美国华盛顿使馆举办的“发展的中国”使馆开放日展览。

2.1 未来大厦示范工程概况

本低压直流建筑示范项目位于广东省深圳市龙岗区的深圳国际低碳城核心启动区内，图4为未来大厦位置示意图和工程效果图。项目整体采用钢结构模块化的建造方式，总建筑面积60 000 m2，包括办公、会展会议、实验室、专家公寓等多种业态。项目整体定位于夏热冬暖地区净零能耗建筑(net zero energy building)，通过采用“强调自然光、自然通风与遮阳、高效能源设备及可再生能源与蓄能技术集成应用”的技术路线，经测算本项目常规能源消耗水平49.01 kWh/(m2a)，比GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》约束值低51%，比引导值低40%，扣除光伏系统发电量后，本项目全年能耗水平达到29.03 kWh/(m2a)。图5为未来大厦能耗模拟情况。

图4 未来大厦位置示意图和工程效果图Fig.4 The illustration of the location and architecture design

图5 未来大厦能耗模拟情况Fig.5 Simulation on energy consumption of the demo project

低压直流配电是实现净零能耗建筑目标的关键技术路径之一。本示范项目中直流模块总建筑面积5 000 m2，构建了包括直流配电设备、分布式电源、直流用电电器、直流用电保护以及智能微电网控制在内的低压直流配电示范工程，目的在于研究民用建筑场景下直流系统设计方法、安全保护技术、运行控制技术和关键设备性能要求，为低压直流配用电技术在民用建筑中的工程化应用奠定基础。

2.2 未来大厦低压交直流配电系统

未来大厦交直流混合配用电项目整体架构设计遵循简单、灵活的原则，力求通过最简洁的架构达到分布式能源灵活接入、灵活调度和安全供电的目的，系统整体架构见图6。直流负载总用电容量达到345 kW，设备类型涵盖了办公建筑内除电梯、消防水泵等特种设备之外全部用电电器，包括空调、照明、插座、安防、应急照明、充电桩，以及数据中心等负荷类型。系统架构采用正负双极直流母线形式，实现了建筑内1个配电等级提供2种电压等级的灵活配电方式，相应的电压等级在高压侧采用极间电压DC 750 V，中压采用DC ±375 V。充电桩、空调机组等大功率设备接入DC 750 V母线，DC ±375 V母线负责建筑内电力传输，楼层内采用DC+375 V或DC -375 V单极供电，并且针对建筑室内用电安全要求高的特点，在人员活动区域采用了DC 48 V特低安全电压，以保障直流配电系统的安全性。

在电压等级确定方面，研究团队广泛征求各方意见，采用“自下而上”的思考方式，以满足民用建筑终端用户的需求为依据，尽可能使用户感受不到交流和直流的差异，从交直流电器的通用性角度选择DC 400～350 V作为直流母线电压运行范围。首先，此电压范围的能量输送能力高于同电压等级的三相交流电，该电压范围供电功率可达到百千瓦级别，建筑中绝大多数的空调、办公设备、照明和小型数据中心的供电需求都可以覆盖[1,8]。其次，此电压范围有利于分布式电源的接入，建筑内的小型用户侧储能系统和可再生能源系统容量通常在十几千瓦到几百千瓦，通过交直流逆变或换流器环节接入电网的直流电压范围在300～600 V，可方便地连接到这个直流电压水平。再次，此电压范围要求的线缆绝缘耐压等级符合现有低压交流电缆的绝缘要求，有利于利用低压交流配电网的现有资源进行直流配电网的改造。最后，标称电压选择DC 375 V，与常用办公、家用电器内部宽范围输入电源的上限输入电压AC 265 V的峰值电压相对应，方便用户使用选择交直流通用的电器，从而最大程度地避免选择不到直流电器的情况。

图6 未来大厦直流配电系统方案Fig.6 Scheme of DC distribution system for the demo building

在光伏、储能等分布式能源接入方面，本项目储能配置总容量250 kWh，光伏装机容量150 kW。在储能配置形式方面，本项目依据储能电池使用目的、负载运行特点，采用了集中和分散2种储能形式。对于峰谷套利、光伏消纳等能量型应用，采用了价格低、安全性好的集中式铅碳储能电池。对于削峰运行、动态增容等功率型应用，本项目采用能量密度大、放电倍率高的分散式锂电池。在储能容量配置方面，本项目按照建筑用能的逐时负荷特性和光伏发电量的预测对储能配置容量进行优化设计，能够保证本项目全年80%的时间可以不依赖市政电网进行离网运行，全年建筑用电峰值负荷降低幅度达到63%，屋顶光伏发电的自用率达到97%。储能容量配置分析如图7所示。

2.3 未来大厦低压交直流用电系统

在直流用电方面，本项目选择了特低压DC 48 V，充分发挥直流供电安全优势。在建筑交流配电系统中并未明确区分配电电压和用电电压，通常单相AC 220 V交流电承担了能量输配和终端电器驱动的双重任务，使得建筑用电始终存在用电安全的问题。特低压直流配电系统首先是为了发挥直流的安全特性，相对于通常使用的交流电网具有更好的安全优势，特别是在人员接触频率高、触电风险大的应用场景[9-12]。其次，建筑内部特低压直流配电系统在发挥安全供电的特性之外，还具有节能和智能化应用2项优点。目前建筑室内小功率电器内部几乎完全由直流供电，普遍采用的方法是对每个电器使用单个AC 220 V到直流转换器，这类小功率AC/DC转换器效率一般不超过90%；而采用集中的DC/DC转换器，即使具有隔离功能，也能够容易地达到95%以上的效率[13-14]。并且，如果使用具有多输出通道DC/DC转换器，可使电源与负载之间的距离保持最小，从而显著减少布线和线路功率损失，提高整个配电系统的效率。最后，建筑内部特低压直流配电系统有利于供电功能与控制功能结合，即强弱电结合。直流配电设备和用电电器通过与相关传感器、分布式计算单元配合，能够构成模块化单元供电的“纳网”，实现更多智能化控制功能[15-16]。目前，以太网供电技术和直流载波通信技术都是在此范畴内。

图7 未来大厦储能系统配置分析Fig.7 Analysis of energy storage system configuration of the demo building

特低压直流由于电压较低，传输距离有限，尽可能选择较高的特低压直流有利于降低线路损失，提高供电距离。GB/T 3805—2008《特低电压(ELV)限值》中特低电压限值最低值为70 V，IEC 60038推荐的优选特低电压等级包括48 V、36 V、12 V和6 V。因此结合上述标准要求，推荐在建筑用电电压等级采用DC 48 V。在DC 48 V的电压等级下，一般建筑室内配电内常用的2.5～6 mm2电缆最大输电功率在2～4 kW，考虑控制5%的最大线路损失，在50 W/m2的配电功率密度下的可供电面积为40～60 m2；在电流为10 A和16 A的情况下，2.5 mm2电缆的最大输送距离可以达到27 m和17 m。因此，在建筑内部采用分区供电方式，使特低压直流电源尽可能靠近用电负荷，采用多路输出，降低线路损失。

本项目开发了集成DC 48 V直流电源、应急储能、智能群控制系统为一体的终端用电模块，不仅能够为桌面电脑、插座等500 W以下小功率电器供电，也同时实现了建筑强电系统与弱电系统的有机结合，解决了直流配电系统用电安全保护和智能控制的难题，直流终端用电系统组成和用户界面见图8和图9。该直流终端用电模块兼容无线及有线的设备信息接入形式，兼容多种用电接口，组网灵活性高，能够满足办公、会议、居住等不同建筑空间功能需求。直流终端用电模块在建筑中连接组网后，能够通过内置的分布式计算单元协调各用电终端完成建筑内泛光照明、空调通风、安防门禁、消防报警等智能化系统的监测与控制，不需要专门配置通信系统和控制机房，设备成本更低，可靠性更高，非常适合“点多、量大、面广”的民用建筑分散控制场合应用。

图8 未来大厦直流终端用电系统Fig.8 DC terminal power system of the demo building

图9 未来大厦智能群控制系统界面Fig.9 Schematic of the swarm control system of the demo building

目前，本交直流混合配用电示范项目已经全面建成，系统运行稳定，调控灵活，终端用电方便智能。研究团队基于本系统开展直流网架结构、安全保护配置、系统能效和多级储能调控策略等方面实验研究工作，希望能够积累更多工程运行数据和用户反馈意见，以夯实直流配电技术的发展基础。

3 结束语

低压直流配用电技术并非一项全新的技术，但在民用建筑中的应用却是全新领域的探索。虽然原理上直流电与交流电相比具有形式简单、易于控制、传输效率高等特点，但同时也要看到交流系统经历了百年的发展，形成了成熟的技术、产品和标准体系，在工程规模化应用方面具有巨大的优势。因此，民用建筑中采用直流配电不是单纯交流到直流电力变换技术，其对于民用建筑的价值体现应是将能源与信息技术融合，利用电力电子装置的高可控性，使建筑用电负荷具备灵活调整能力，能够与城市互动、与终端用户互动，实现城市建筑供能可靠性、用能经济性和环境友好性综合最优。