“双碳”战略下的电气能效思路与实施要点

韩 帅

(天津市天友建筑设计股份有限公司，天津 300384)

0 引言

近年来，“十四五” 规划及两会政府工作报告都提到了“碳达峰”“碳中和”，并要求国内必须降低碳排放强度，支持有条件的地方率先达到碳排放峰值，制定2030 年前碳排放达峰行动方案。 落实2030 年应对气候变化国家自主贡献目标。 加快发展方式绿色转型，协同推进经济高质量发展和生态环境高水平保护。

为实现2030 年碳达峰，煤、油、气将先后达峰；火电将逐步由光伏和风电接替以供应电力需求；新能源车、低碳技术和清洁能源材料也将具有辽阔前景。

1 碳中和的背景与实现途径

实现碳中和需要分析降低碳排放的必要的方向。从现有数据上看，能源活动占碳排放85.5%[1]，是碳排放控制的重点。 能源活动分为能源生产和终端能源消费两个部分，前者包含一次能源和二次能源。 一次能源主要为石油、天然气、煤炭等化石能源，以及太阳能、风能、核能、水利等非化石能源。一次能源能够转换为电能、氢能等二次能源，再由这些二次能源供给终端消费。

根据劳伦斯利弗莫尔国家实验室的统计[2]，在2017 年，中国的整体能源消耗量为13 000PJ(拍焦，1 拍焦＝1015焦耳)其中煤炭占82 000PJ，原油占25 000PJ，天然气占8 200PJ，生物能占4 500PJ，可见由煤炭发电占主流地位的二次能源供给方式，使中国的碳排放居高不下。 将所有能源汇总后可见，全国能源使用的能源45 000PJ，被消耗与能源转换环节损耗的能源78 000PJ。

对比一下发达国家的使用情况，美国的一次能源主要靠原油与天然气。 在2021 年，美国总计消耗97.3 夸特(1 夸特＝1.06×1018焦耳)。 在此基础上，美国一年能源使用了31.8 夸特，损耗能源65.4 夸特，可见美国的能源使用上也存在高度提升的可能。

结合美国2021 年碳排放流向情况发现，在使用的一次能源里，能够造成碳排放的能源主要是天然气、煤炭和原油三种。 因此，降低碳排放的首要任务就是降低这些一次能源的使用，通过太阳能、核能、氢能、风能、地质能等基本无碳的方案去逐步代换常见的高碳能源。

2 中国的碳中和与碳达峰的主要措施

对于中国来说，硬性指标2050 年需要达到1.5 ℃的方案降低碳排放75%～85%。 即便采用更高可行性的2 ℃方案，也需要降低碳排放50%～60%。 在这一过程中，需要各行业在当前计划的基础上推行更加积极的减碳举措，并努力突破现行技术与社会认知边界。为实现1.5 ℃目标，目前我国主要减碳技术见表1[3]。

表1 各行业减碳措施关键技术

可以看到，对于普通工业与建筑电气行业来说，最重要的就是提升能源效率。

3 国内及国际低碳节能电气设计的标准体系

能源效率被国际能源机构(IEA)定义为“可持续全球能源系统的第一燃料”。 它是一种具有成本效益的手段，用于支持不断增长的能源需求，同时限制对环境的负面影响。 然而，它往往是一个被忽视的能源来源。 IEC 将能源效率定义为产出绩效与能源投入之间的比率。 包括为相同的性能使用更少的能量，使用相同的能量来获得更好的性能，或者改善能量转化为电能。

节能低碳相关标准，在国内主要是绿色建筑体系与节能标准体系，主要的标准性文件有《绿色建筑评价标准》GB/T 50378—2019、《公共建筑节能设计标准》GB 50189—2015、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ 75—2012、《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 26—2010、《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350—2019、《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366—2019 及各地地方节能和绿色建筑标准等。 无论是标准数量、覆盖面，都形成了完善的监管体系。《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015—2021 更是直接提出了必要的强制性要求。

国际上现行主要是绿色建筑体系与能源管理体系标准，包括ISO 50001:2018 Energy management systems — Requirements with guidance for use；IEC Guide 118:2017 Inclusion of energy efficiency aspects in electrotechnical publications；IEC Guide 119 ∶2017 Preparation of energy efficiency publications and the use of basic energy efficiency publications and group energy efficiency publications 等。 同时也通过一些能源和绿色建筑的认证来保证节能低碳，比如LEED、BREEAM等。 此外，各国政府也有一些对电工产品的能效规定。

4 IEC 60364-8-1 《能源效率》标准

IEC 60364-8-1 ed2.0 由TC64/MT41 工作组编写于2019 年2 月发布。 本标准适用于住宅、商业、工业、基础设施，覆盖新建及改造项目，旨在对能源管理体系ISO 50001 规定的电气部分提出要求和建议，其概念和体系来源于IEC GUIDE 118。 技术核心理念是“能源效率管理不应降低电能可用性和/或低于用户希望的供电和运行水平”。[4]

IEC 60364-8-1 的思路是将建筑物等同一个电气设备，来综合多个方面考核其能效等级，通过分类为EE0～EE5 等几个等级(图1)，通过项目评价分数的方式来参与评定。

图1 能效等级划分

在分数的取值上，各个不同的项目有不同的权重和取值。 工业项目总分125 分，商业项目总分128 分，基础设施项目总分127 分，住宅项目总分112 分。 能效等级评分详见表2。

表2 电气装置能效等级

在技术措施上，IEC TC64 将主要的能效措施分为23 项，见表3。

表3 IEC TC64 能效措施分数权重分配

这些措施通过不同的分数权重的分配，体现出在不同项目中的典型重要性。 比如在工业中，明显主变电站的位置确定、能源管理系统的实施都是最重要的问题。 而在住宅项目中，能耗范围确定、供电网格和分项计量是最重要的得分点。 也由此表明虽然能效措施是各自有针对性的，但是一个综合能效的达成，需要通过不同重要性的措施综合应用才能经济合理与全面的实现。

5 电气装置能效提高的实施要点

根据IEC 60364-8-1《能源效率》标准，为获得较高的建筑物电气装置的能源效率，主要需考虑用电负载情况(主动及被动负载)、当地能源发电的可用性、用电设备及传输线路的节能措施、电路及控制的划分、能源的使用需求以及能源供应商的电价结构等因素。

5.1 主变电站的位置和能耗

变电站的位置选择是项目的重点，根据若干指标(如所需的功率)，建筑平面图和负载分布，高压/低压变电站和配电盘的布置会影响导体的长度和截面积，进而导致导体上能耗的损失超出预期或项目高昂的初装费用。

根据IEC TC64 能效评定，主变电站能耗评级参见表4，旨在评估采用的变电站应对其所承接负载有较为全面的覆盖，评估时可忽略个别难以计算能耗的小负荷，但在用电量方面不应过于粗糙。

表4 主变电站能耗

在表5 中，对主变电站的位置应与负载重心法(或类似方法)计算的最佳位置进行对比。

表5 主变电站位置

式中，a 为主变电站与重心法计算的最优位置之间的距离；b 为最远的负载与重心法或类似方法计算的最优位置之间的距离。

本条中的重心法等计算最佳负荷中心方法的目的是将变压器和配电盘安装在一个基于各负载能耗的相对权重的位置，使更高能耗负载与重心的距离小于较低能耗负载。 重心法使设备位置得以确定，以便尽可能减少导线的长度和截面积。

由负载重心法定义的位置坐标(xb、xb、zb)或(xb，yb)应通过以下公式确定:

供电给这组n个负载的变压器或配电柜宜尽量靠近这些电气负载的重心。

根据公式(2)，对于基本无高差的厂区、建筑群，一般可采用二维计算即可。 但负荷中心法计算在建筑物内部，可更多使用三维计算确定楼层负荷中心、建筑物内部变/配电间位置等。 但无论如何计算，合理的负荷中心的确定必须结合电源方位和敷设、变配电装置的安装与管理方便和负载的接入合理等方面。 由于计算时电缆长度由于敷设方式的原因多数难以精确计算，各种设备的能耗状况大多仅为预估值，因此无论采用何种计算方法，都存在其精度的受限和数值的合理偏差。

5.2 电压降

本措施通过减少布线的电压降来降低布线内能量损耗。 根据IEC TC64 能效评定，电压降考虑为装置内的平均电压降，具体评分要求参见表6。 IEC 60364-5-52 ∶2009 第525 节提供了装置内最大电压降建议。 同时国内各低压配电相关的标准中，也有相关规定。 该评级要求对于各回路相加负载能耗超过80%以上耗电量，其每条回路的电压降应予确定(通过计算或测量)。 回路的平均电压降计算公式如下所示:

表6 电压降

式中，n为考虑的回路数量；Δui为考虑到回路的电压降；ci是考虑到回路年能耗。

由表6 可知，获得满分的情况下，一个项目中80%用电量的回路的平均电压降不能超过1%，这也要求项目必须采用小容量多布点的方式才可能达到节能的目的。 本条虽然只强调电压降，但是电压降的本质是导体的阻抗导致的结果。 如果能够保证较低的平均电压降，也就能保证线路的较低损耗。 线路电压降在计算中较为繁复，需要逐条回路根据负载进行计算。 常规工程中可根据负载能耗预估水平，重度使用负载的线路可根据允许的电压降上限在设计中根据查表确定，如表7所示。

表7 电压降2%时的回路配线最大长度示例

表7 中负载为PVC 线缆，工作温度70 ℃，使用在环境温度30 ℃时的三相400V 系统的限值示例，用于单相系统时，长度应乘以0.5。

在实际项目中，一般LED 照明的配电回路一般负载较小且多为宽电压，用电量不高，一般可不计算，对于日用负载，因为其投资回报率较低，为其特意加大电缆截面一般也不经济。 对于连续运转的负载，则有必要准确计算成本回收期。[5]

5.3 按用途测量

能耗分项计量是国内节能与绿色设计的必要系统，在IEC 中，测量同样是确定和评估建筑效率的关键。 在确定耗电量时需要测量电气参数，还需要测量相关的驱动参数，如在场人数、温度、空气质量(如CO2)、日光、运行时间、电力成本等。 对于电力测量，保证足够的测量精度、测量功能和测量范围等因素即可满足需求。 对于一个典型的三级配电的低压系统，需要的典型测量如表8。

表8 电力计量和监测的需求概要

测量或监测设备的位置和被测参数在图2、表9中给出，并对每相进行参数的测量和监测。 《交流1000V 和直流1500V 以下低压配电系统电气安全防护措施的试验、测量或监控设备- 第12 部分:性能测量和监控设备(PMD)》 GB/T 18216.12/IEC 61557-12 定义了电力计量和监控设备(PMD)及根据其用途所需的最小功能分类[6]。 如PMD-1 能效:用于能效评估的能源使用分析；PMD-2 基本电力监控:用于装置内的配电的监控和控制；PMD-3高级电力监控和电网性能:高级的电力监控和电网性能监测。

图2 测量设备安装位置

表9 被测参数要求

根据IEC 的评定要求，考虑装置内按用途测量负载能耗RMU(该比值代表了相关的电力计量和监测设备的实施情况)，具体评分要求参见表10。

表10 按用途测量

式中，a 为通过按负载用途测量的年耗电量；b 为全部装置的年耗电量。

5.4 能源管理系统的实施

比值RI表示由能源管理系统管理或与其连接的负载能耗与总负载能耗相比。 RI是能源管理系统管理或接入的负载年能耗与装置的年负载能耗之间的比值。 IEC 的评分要求如表11 所示。

表11 按能源管理系统

根据经验，只要了解能源在哪里使用和如何使用，只需改变程序和行为，就可以节省10%的能源，而无需任何资本投资。 这通常是通过将测量设备连接到能源管理系统来实现的，该系统综合了能源效率的所有关键参数。

能效和负载管理系统控制了能源消费的使用，考虑了负载、本地发电和储能和用户需求，如图3 所示。 容纳多于 250 人的场所或用电量100 000kWh/年以上建筑物需要实施EEMS。 IEC进行此项评估的意义在于，需要将项目中能耗值较大的负荷纳入管理，从经济技术手段可节约大量运行费用。 但不可忽视其管理系统的软件实施方式，同类软件需要进行完善的设置、控制逻辑的合理设定、边界条件的准确输入才可能达到准确的控制结果。

图3 能源效率和负载管理系统总览

5.5 变压器及用电设备性能

考虑到装置里变压器(或多台)的工作点WPTFO由变压器制造商提供，在正常运行期间，应将变压器在考虑的时间段内的平均功率与变压器的工作点WPTFO比较。

对于每台变压器，RWP是在考虑的时间段内，变压器在装置运行期间的平均功率与变压器工作点WPTFO对应的功率之间的比值。 RET是比值RWP大于1.2 或小于0.8 的变压器数量与电气装置的变压器数量之间的比值。 IEC 对该参数的评分参见表12，意味着如果集中变压器设置后，需要将变压器负载率稳定在合理范围，除非可以布置多台变压器后才可能达到20%的变压器持续运行在最佳性能。 这样的评分要求也间接促进负荷的就近与分散供电。

表12 按变压器及用电设备性能

变压器的工作点可以在变压器的铭牌或技术样本上找到。 变压器的铁损和铜损相等时效率最大，此时的负载功率多为变压器额定功率的30%～50%。

5.6 生命周期方法的实施

电气装置同样需要执行ISO 的能源管理的体系，因此对于项目的全寿命周期需要进行标准的PDCA 的管理动作。 只有固定的执行检查计划、进行使用、采集数据并进行分析，最终落实提升计划和行动，并不断的重复并迭代这个过程，这才能达到有效的循环并提升的结果。 IEC 对电气装置性能维护过程的实施也提出评定要求。 一旦进行了测量(一次、偶尔或永久)就需要执行确定的措施，随后应定期进行验证和维护。 应重复测量指标，然后实施新措施和新维护。 一个标准的电气装置的PDCA 过程如图4 所示。

图4 - 电能效率管理的迭代过程

5.7 可再生能源/BS02:电能存储

本地可再生能源和其他本地发电本身不会提高电气装置的效率，但减少公用电网能源消费的同时也就是降低整个公用电网的能耗，这可以被认为是一种间接的能效措施。

本地储能系统可以优化本地可再生能源的生产使用(如光伏发电)，优化税费同时限制对本地电力电网的影响。 其本身不会提高电气装置的效率，但至少会降低建筑整体的电源电网损耗，因此可以考虑成为电气装置的能源管理一部分。 也能够考虑装置间的储能系统共享，这样可以通过优化设计来提高电力分配的整体效率。

6 结束语

IEC 将组成评价能效的各个分项按特性区分，即可看出宏观的能效和节能思路。 能效主要宏观分为变压器设置、电能质量管理、电能消耗和楼宇自动化4 个方面，从这4 个方面逐步入手去从各个细节措施组合使用情况下来达到综合目的。 限于篇幅，本文无法将所有23 项措施都进行介绍，但通过以上7 个主要的措施内容简介，也可了解IEC 对于能效和节能的基本思路。 国际上面重视实际结果，因此各措施所使用的基础量纲都是采用kWh 作为计算依据，另外在结果考核上，都远超我们日常工程设计的习惯。 要求做到同等质量的输出情况下降低电能的消耗。 并且摒弃工程中复杂多变的设备的区别，将建筑物作为电气装置进行整体能效的考核，更在宏观方面给予了建筑物内设计与运行工作的弹性和协调空间。 避免了局部高性能带来整体损害的情况。

本文简单介绍了“双碳”政策的背景和碳排放的具体指标来源，为“双碳”战略的落地指明方向。并在电气节能和能效部分解读了目前现有的国际和国内政策与标准的背景，并根据现行的国际标准简单解释了部分技术措施的含义。 根据国际统计预测，在未来双碳战略的前景下，能源的电气化是不可避免的趋势，因此无论是能源的清洁化，还是建筑端的能效的提高和其他非电气能源设施的电气化过程，都会为工业与电气行业提供大好的发展机会。