直流建筑技术概述与应用前景

韩 瀛, 乌聪敏

(天津大学建筑设计研究规划总院有限公司, 天津 300073)

0 引 言

分布式清洁能源是我国未来能源发展的重要方向。据统计,我国2018年分布式能源发电占比为4.79%,2020年预计将达到8.7%。分布式电源多为逆变型电源,交直流转换环节增加了额外的损耗。因此,直流供电作为充分消纳本地可再生能源的手段,将随之进一步扩展。此外,大约95%以上的建筑内交流负荷可以用更高效直流负荷替代。分布式电源与建筑一体化设计将是建筑供配电系统未来发展的重要方式,建筑直流供用电具有广阔的发展前景。

1 直流供电特性分析

与传统的交流供用电模式相比,建筑直流供用电在能源效率、控制模式、电能质量等方面优势明显[1-3]。

(1)能源效率高。直接采用直流输电,避免UPS等电源输出再次转换为交流输送电能,通过减少AC/DC的转换环节来减少不必要的电力损耗。

(2)控制灵活。建筑内直流供电使照明调光、电机调速更加简易可行,可以根据时间以及人员工作状况及时调整建筑的运行状态,在非高峰时间使建筑运行在低能耗状态,有效节省能源。配置储能的直流供电系统则能够结合“峰谷电价”有效降低运行成本。

此外,直流供电系统的电能质量及供电可靠性优于交流供电系统,同时电磁污染也低于交流系统。

2 直流建筑用电设备分析

2.1 照明负荷

LED的应用及快速发展为建筑直流技术应用掀开了序章。目前,不少直流建筑技术主要应用在直流照明及其调光方面。近年LED的发展更加迅速与全面,效率从70 lm/W提高到200 lm/W,常用的一般都在100～120 lm/W;很好地解决光源刺眼以及蓝光效应的问题,已经开发办公、商用、高大空间、泛光、景观、消防应急照明等全系列的光源与配套灯具,现在一般电器商店销售的基本都是LED灯,建筑内LED的应用为直流供电提供了基础。

2.2 机房负荷

办公类建筑要考虑到办公的安全便捷以及物业管理、楼宇运维等方面,在建立数据网络时一般除外网外还建立内网和物业网,因此楼内无论规模大小均建设有数据机房。数据机房传统供电方式一般为DC 48 V,但是对于大型机房多采用DC 220 V以上的供电。

2.3 办公负荷

电脑是办公建筑内用量最大的电器设备,其主机和显示屏都是采用直流工作的,但是机内使用直流电压等级较多,目前电力电子器件可以实现高效可靠的直流/直流变压和直流开关。对于1 kW以内的小功率装置,其成本已低于交流变压器。

2.4 空调负荷

部分办公建筑基于绿色节能的考虑,选择直流变频空调。直流变频空调一般多用于VRV机组,其工作原理是把50 Hz交流电转换为直流电源,并由功率模块输出电压可变的直流电源,为压缩机提供直流电。相对于交流变频，直流变频(直流变速空调器)没有逆变环节且使用永磁电机,省却交流电机的转子电流消耗,因而更加省电。

2.5 直流电梯

大多数高层办公建筑选择直流电梯,其具有梯速快(直流电梯的梯速一般都在2 m/s以上,相比交流电梯速度更快)、运行平稳等特点。

2.6 其他直流负荷

按照规范要求,办公类建筑需要至少按照停车位总数的10%设置充电桩,充电桩应考虑至少10%的速充方式。目前,水泵类设备,例如微型泵、小型泵多采用直流电机,功率一般多在200 W内。另外,建筑内变电时的直流屏也是直流运行的。

3 办公建筑的直流供电系统

对于办公建筑,照明、电脑、数据机房、直流空调、直流电梯、充电桩等直流负荷累计已经基本达到平常使用负荷总量的75%以上。其他建筑内常用负荷,如生活水泵、新风机、排风机等以交流电机为主;办公建筑常用的电器,如电开水器、饮水机等电热设备也可以采用直流供电。此情况下,办公建筑内直流用电设备的负荷占比将更高。所以对于设有分布式能源系统的办公建筑,应该优先考虑直流供电系统。

典型建筑直流供用电系统如图1所示。

图1 典型建筑直流供用电系统

图1中,平时常用的水泵、风机已经有变频节能的需求,进一步发展到直流电机不会太长时间。然而,目前建筑内消防类设备,如消防风机、消防水泵因为很少使用或者基本不用,没有节能以及启动平缓的要求,因而市面上产品基本都是交流型,预计很长时间内都不会改变,实现直流建筑还有一段路要走。

4 直流建筑的推广前景

用能模式上,直流供电优点很多,但是目前在推广上面临两方面制约。一方面受制于市场因素,当前用电设备基本都是交流供电,有不少电器虽然是直流设备,但在市场上常见的还是交流接口,选用直流型一般需要定制。另一方面受制于技术因素,建筑内直流用电设备电压等级较多,目前尚缺乏统一的用电设备电压等级标准。因而,不同电压等级的设备长时间共存,大功率直流调压困难。此外,对于高压直流,电流开断是一个技术难点。直流建筑内功率较大的负载设备还无法保证快速、安全地分断,但对于100 V、小功率低压直流,国内外电器厂家已有商用的断路器和直流接触器,规格通常为DC 48 V和DC 60 V两种,接触器规格通常为DC 60 V[4]。与低压直流空气断路器不同,直流安全插座的技术还有待完善,常用的交流插座在恒功率设备超过100 W时打火现象明显,故不可进行热插拔,超过100 W时应设置低压直流断路器。直流断路器、插座及家用直流型电器的普及将影响直流建筑的推广。

5 结 语

从节约能源、提高能效以及利于分布式能源接入等方面考虑,直流建筑的发展未来可期。现阶段,由于规范、标准、图集的不完备,产品、材料性能标准不全面,直流建筑推广还有一定难度。将设有分布式能源的办公建筑作为先行军,从设计、施工、验收、应用等环节发现问题,提出需求和解决问题,对于探索直流系统在建筑产业的发展路径有实际意义。