配電站零碳實施路徑研究

【關(guān)鍵詞】配電站；零碳；預(yù)制艙

引言

氣候變化問題需要全人類共同面對，我國一直致力于引導(dǎo)國際合作以應(yīng)對氣候變化，努力在全球生態(tài)文明建設(shè)中扮演重要角色，體現(xiàn)大國擔(dān)當(dāng)。第七十五屆聯(lián)合國大會提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更有力的政策和舉措，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”電力低碳發(fā)展是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的重要路徑，配電站具有數(shù)量多、分布廣等特點，如果能有效解決配電站等電力建筑的能耗問題，便能助力“雙碳”目標(biāo)的早日實現(xiàn)。為推動城市電網(wǎng)建設(shè)綠色高質(zhì)量發(fā)展，亟需開展零碳配電站的實現(xiàn)路徑研究。

為此，本文首先分析了零碳配電站的發(fā)展現(xiàn)狀，包括國內(nèi)外試點應(yīng)用情況；其次，確認了配電房全生命周期碳排放的系統(tǒng)邊界和排放來源，選定了科學(xué)實用的排放量測算方法；最后從建筑和設(shè)備兩方面梳理了配電房實現(xiàn)零碳需要的關(guān)鍵技術(shù)。

一、零碳配電站發(fā)展現(xiàn)狀

（一）定義

零碳配電站定義可參考《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51350-2019）[1]，指根據(jù)氣候特點和場地條件，采用被動式建筑設(shè)計最大化降低空調(diào)、照明需求，應(yīng)用主動技術(shù)措施最大化用能效率，高比例滲透可再生能源，最大限度減少配電站全生命周期碳排放，用最少的能耗滿足配電站的用能需求。

（二）試點示范情況

目前，國內(nèi)外零碳項目多為示范、商業(yè)類建筑[2～4]，主要通過使用環(huán)保建材、化石能源替代、設(shè)備節(jié)能等手段減排增吸，實現(xiàn)建筑內(nèi)碳排放產(chǎn)銷平衡。為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，促進電力系統(tǒng)低碳建設(shè)，2021年9月，首個單層零碳配電站示范項目在廣東省廣州市花都區(qū)投產(chǎn)[5]，該配電站應(yīng)用多種施工技術(shù)手段，達成現(xiàn)場“零加工”、“零排放”的目標(biāo)，并通過光伏、照明、建筑一體化，實現(xiàn)特殊情況下供電上網(wǎng)，提高供電可靠性，促進城市電網(wǎng)建設(shè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。2023年1月，首座雙層裝配式零碳數(shù)字化配電站[6]在番禺區(qū)市橋建成投產(chǎn)，集成低碳裝配建筑、綜合能源管控和數(shù)字化管理技術(shù)，形成一套高效、節(jié)能且可推廣的現(xiàn)代化配電站建設(shè)方法，推動電力系統(tǒng)低碳建設(shè)。

二、邊界確定

（一）系統(tǒng)邊界

配電站碳排放核算系統(tǒng)邊界如圖1所示，本研究從四階段對配電站開展碳足跡測算，包括建材生產(chǎn)運輸、配電房施工、配電站運維、拆除回收利用，分析配電站全生命周期碳排放。

（二）配電房碳排放來源

1.建材生產(chǎn)運輸

建材生產(chǎn)運輸過程中的碳排放由原料開采和加工生產(chǎn)時消耗的化石、電力等一次、二次能源，以及運輸至施工現(xiàn)場時運輸工具所產(chǎn)生，其運輸距離、建材數(shù)量、運輸方式均會影響排放量。

2.配電房施工

即施工機械耗能、施工照明耗能和運輸建筑垃圾過程中產(chǎn)生的碳排放，包括工地居住區(qū)照明、取暖、制冷。其中機械設(shè)備能耗是施工階段主要碳源。

3.配電站運維

配電站運行維護階段的碳排放主要由系統(tǒng)設(shè)備消耗產(chǎn)生，如排風(fēng)、空調(diào)、照明、可再生能源等，以及配電房維護時，建材、構(gòu)件等生產(chǎn)、施工、運輸、安裝產(chǎn)生碳排放。

4.拆除回收利用

此階段碳排放由配電房現(xiàn)場拆除機械作業(yè)、廢棄物外運時交通運輸能源消耗和可再生建筑廢棄物回收利用時產(chǎn)生。

三、碳排放測算方法

常用的碳排放測算方法有碳排放系數(shù)法、物料衡算法、實測法和投入產(chǎn)出法等，配電站碳排放測算中宜采用碳排放系數(shù)法。即根據(jù)清單測算各階段消耗數(shù)據(jù)與因子的乘積，作為碳排放估算值。碳排放系數(shù)法主要應(yīng)用政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on" Climate Change，IPCC）發(fā)布的碳排放因子作為碳排放系數(shù)，有公認的測算公式[7]，具有應(yīng)用范圍廣泛、社會認可度高、結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)點。

式中：

E——碳排放總量，單位tCO₂;

i——能源類型;

AD_i——第i種排放源的活動數(shù)據(jù)，即核算期內(nèi)生產(chǎn)過程中化石燃料的消耗量、原材料的使用量及購入或輸出的電量，固體或液體燃料單位t，氣體燃料單位10⁴m³；

EF_i——第i種排放源的碳排放因子，即碳排放系數(shù)，缺省值可參考IPCC指南。

四、零碳配電房關(guān)鍵技術(shù)

為全面挖掘配電站零碳技術(shù)，需要充分考慮電力設(shè)備節(jié)能降耗（含綜合能源管理）技術(shù)、建筑低碳技術(shù)的綜合應(yīng)用。各技術(shù)預(yù)期成效及其應(yīng)用場景如表1所示。

表1 零碳配電房關(guān)鍵技術(shù)

（一）零碳建筑

1.新型光伏屋頂（屋面光伏+微電網(wǎng)儲能）

建筑的屋面是建筑表面中最適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的空間[8]。屋面接收太陽輻射量最大，可選擇面積更大，安裝光伏系統(tǒng)對建筑美學(xué)和城市景觀影響更小，屋面應(yīng)用光伏技術(shù)較為成熟、安裝維護較為方便，故相較于立面，建筑屋面更適于安裝光伏系統(tǒng)。因此配電站可結(jié)合微電網(wǎng)儲能，應(yīng)用屋面光伏技術(shù)，建設(shè)新型光伏屋頂，實現(xiàn)站內(nèi)用電“自給自足”，促進節(jié)能減排。

2.被動式通風(fēng)系統(tǒng)

在配電房后墻和房頂安裝可開啟的通風(fēng)百葉，在陽光照射下，光伏電池板和屋面、墻壁間縫隙產(chǎn)生溫差，形成煙囪效應(yīng)，加速空氣流動，同時冷空氣從墻壁下方通風(fēng)百葉流入，再從屋頂排出，將配電房中的熱量帶走，達到自然通風(fēng)和降溫的效果。

3.全預(yù)制配電站

如圖1所示，預(yù)制式建站模式可以充分提高建設(shè)效率、節(jié)省建筑占地、節(jié)約運維成本、降低能耗、降低污染，在各高排放領(lǐng)域均已得到廣泛應(yīng)用。配電站可采用整體預(yù)制及吊裝，實現(xiàn)施工現(xiàn)場“零加工”、“零排放”。

4.粉煤灰混凝土應(yīng)用

粉煤灰作為燃煤電廠排放煙氣中的主要成分，是我國目前主要的工業(yè)廢渣之一。粉煤灰砼是一種在建筑業(yè)較成熟、應(yīng)用較廣的工藝，可以用于配電房基礎(chǔ)建設(shè)。同時粉煤灰砼作為可再生資源，拆除后可以回收利用，在設(shè)計配電房時應(yīng)加以考慮。

（5）墻體保溫技術(shù)

配電站建設(shè)可以采用墻體保溫技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能：保溫隔熱墻體是在墻體中加入隔熱材料，形成保溫隔熱層，以降低熱傳遞效率的一種墻體。通過實現(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境溫差，達到節(jié)能的目的；熱反射隔熱墻體即在墻體外側(cè)涂上熱反射涂層，涂層可令墻體在太陽光照射下實現(xiàn)一定的溫度自調(diào)節(jié)。當(dāng)室外熱量輻射進入室內(nèi)時，熱反射涂層折射92%的非可見光，實現(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境溫差。

（二）節(jié)能設(shè)備

1.敞開式立體卷鐵心干式變壓器

敞開式立體卷鐵心干式變壓器具有低損耗、高過載能力、使用綠色可回收絕緣材料、噪音低、易維護等獨特優(yōu)勢，可大大降低變壓器周圍的雜散磁場（如圖2所示），能夠很好地滿足綠色制造的需求，在配電領(lǐng)域能得到廣泛應(yīng)用。

2.便攜式儲能電源

如圖3所示，便攜式儲能電源在室內(nèi)外均可應(yīng)用，可以為施工臨時供電、黑啟動等緊急情況提供電源，減少對柴油發(fā)電機組的依賴，降低配電站施工運維過程的碳排放。

3.能耗管理系統(tǒng)

應(yīng)用綜合能源管理系統(tǒng)，管理配電房自身用電情況，提高用能用電效率，促進配電站節(jié)能減排。

五、展望

在“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn)過程中，電力系統(tǒng)的低碳建設(shè)都必須先于更大范圍的整體經(jīng)濟低碳。電力低碳發(fā)展不應(yīng)局限于發(fā)電側(cè)，配電也是其中的重要環(huán)節(jié)，配電站建設(shè)更是配電業(yè)務(wù)中關(guān)鍵排放環(huán)節(jié)，研究零碳配電站的實施路徑，可以為配電站建設(shè)提供設(shè)計思路，對構(gòu)建新型電力系統(tǒng)有重要意義。