直流建筑技術概述與應用前景

韓 瀛, 烏聰敏

(天津大學建筑設計研究規劃總院有限公司, 天津 300073)

0 引 言

分布式清潔能源是我國未來能源發展的重要方向。據統計,我國2018年分布式能源發電占比為4.79%,2020年預計將達到8.7%。分布式電源多為逆變型電源,交直流轉換環節增加了額外的損耗。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計將是建筑供配電系統未來發展的重要方式,建筑直流供用電具有廣闊的發展前景。

1 直流供電特性分析

與傳統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、電能質量等方面優勢明顯[1-3]。

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

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

此外,直流供電系統的電能質量及供電可靠性優于交流供電系統,同時電磁污染也低于交流系統。

2 直流建筑用電設備分析

2.1 照明負荷

LED的應用及快速發展為建筑直流技術應用掀開了序章。目前,不少直流建筑技術主要應用在直流照明及其調光方面。近年LED的發展更加迅速與全面,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的問題,已經開發辦公、商用、高大空間、泛光、景觀、消防應急照明等全系列的光源與配套燈具,現在一般電器商店銷售的基本都是LED燈,建筑內LED的應用為直流供電提供了基礎。

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管理、樓宇運維等方面,在建立數據網絡時一般除外網外還建立內網和物業網,因此樓內無論規模大小均建設有數據機房。數據機房傳統供電方式一般為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

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

2.4 空調負荷

部分辦公建筑基于綠色節能的考慮,選擇直流變頻空調。直流變頻空調一般多用于VRV機組,其工作原理是把50 Hz交流電轉換為直流電源,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(直流變速空調器)沒有逆變環節且使用永磁電機,省卻交流電機的轉子電流消耗,因而更加省電。

2.5 直流電梯

大多數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)、運行平穩等特點。

2.6 其他直流負荷

按照規范要求,辦公類建筑需要至少按照停車位總數的10%設置充電樁,充電樁應考慮至少10%的速充方式。目前,水泵類設備,例如微型泵、小型泵多采用直流電機,功率一般多在200 W內。另外,建筑內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

對于辦公建筑,照明、電腦、數據機房、直流空調、直流電梯、充電樁等直流負荷累計已經基本達到平常使用負荷總量的75%以上。其他建筑內常用負荷,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、飲水機等電熱設備也可以采用直流供電。此情況下,辦公建筑內直流用電設備的負荷占比將更高。所以對于設有分布式能源系統的辦公建筑,應該優先考慮直流供電系統。

典型建筑直流供用電系統如圖1所示。

圖1 典型建筑直流供用電系統

圖1中,平時常用的水泵、風機已經有變頻節能的需求,進一步發展到直流電機不會太長時間。然而,目前建筑內消防類設備,如消防風機、消防水泵因為很少使用或者基本不用,沒有節能以及啟動平緩的要求,因而市面上產品基本都是交流型,預計很長時間內都不會改變,實現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,當前用電設備基本都是交流供電,有不少電器雖然是直流設備,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因素,建筑內直流用電設備電壓等級較多,目前尚缺乏統一的用電設備電壓等級標準。因而,不同電壓等級的設備長時間共存,大功率直流調壓困難。此外,對于高壓直流,電流開斷是一個技術難點。直流建筑內功率較大的負載設備還無法保證快速、安全地分斷,但對于100 V、小功率低壓直流,國內外電器廠家已有商用的斷路器和直流接觸器,規格通常為DC 48 V和DC 60 V兩種,接觸器規格通常為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還有待完善,常用的交流插座在恒功率設備超過100 W時打火現象明顯,故不可進行熱插拔,超過100 W時應設置低壓直流斷路器。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 語

從節約能源、提高能效以及利于分布式能源接入等方面考慮,直流建筑的發展未來可期。現階段,由于規范、標準、圖集的不完備,產品、材料性能標準不全面,直流建筑推廣還有一定難度。將設有分布式能源的辦公建筑作為先行軍,從設計、施工、驗收、應用等環節發現問題,提出需求和解決問題,對于探索直流系統在建筑產業的發展路徑有實際意義。