直流配電在凈零建筑競(jìng)爭(zhēng)中的作用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑環(huán)境排放量占全球年度排放量的 40%，使其成為應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵目標(biāo)。聯(lián)合國(guó)表示，到 2030 年，全球碳排放排放量必須下降 45%，并到 2050 年達(dá)到凈零排放，才能實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》中將全球氣溫升高限制在 1.5°C 以下的目標(biāo)。

如今，全球各國(guó)政府都制定明確的碳排放目標(biāo)，如果中國(guó)的“雙碳目標(biāo)”戰(zhàn)略，要在2030年達(dá)到碳排放峰值，并著2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。在美國(guó)，拜登政府的第 14057 號(hào)行政命令力求到 2045 年使所有聯(lián)邦政府設(shè)施達(dá)到凈零目標(biāo)，同時(shí)2022 年通貨膨脹削減法案則為建筑業(yè)主向清潔能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供了大量資金和激勵(lì)措施。

雖然實(shí)現(xiàn)凈零排放是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，但越來(lái)越多的智能建筑正在朝著這一里程碑邁進(jìn)。例如，2020年，美國(guó)新建筑研究所在北美驗(yàn)證了700個(gè)凈零設(shè)施，預(yù)計(jì)這一數(shù)字每?jī)赡陮⒃黾?0%之多。實(shí)現(xiàn)凈零排放的一種方法是使用直流 (DC) 配電系統(tǒng)，該系統(tǒng)將可再生微電網(wǎng)與儲(chǔ)能相結(jié)合，以生成和提供足夠的直流電力來(lái)支持建筑負(fù)載，同時(shí)消除傳統(tǒng)交流電網(wǎng)電力的低效率。因此，激勵(lì)措施和技術(shù)進(jìn)步可以促進(jìn)直流配電的采用。

更高效的用能方式

自 20 世紀(jì)初以來(lái)，電網(wǎng)一直使用交流電 (AC) 向建筑物供電。然而，幾乎所有電子設(shè)備和裝置內(nèi)部都通過(guò)印刷電路板、二極管、電阻器、晶體管和微芯片等組件使用直流電源運(yùn)行。智能建筑系統(tǒng)電器和設(shè)備中的 LED 照明、電動(dòng)汽車(chē)充電器、變速 HVAC 系統(tǒng)以及其他節(jié)能電機(jī)（例如變速風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)）也使用直流電源。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上 70%以上的交流電被轉(zhuǎn)換成直流電再消耗。提供直流電的傳統(tǒng)方法是使用帶有變壓器和整流器的電源，將交流電壓降壓并將其轉(zhuǎn)換為直流電。電源可以位于設(shè)備和裝置的內(nèi)部，也可以位于插入交流電源插座的外部適配器內(nèi)。然而，每次交流到直流轉(zhuǎn)換都會(huì)帶來(lái)高達(dá)30%的功率損耗，并且會(huì)給配電系統(tǒng)帶來(lái)失真，從而降低效率。

當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 存儲(chǔ)風(fēng)能、太陽(yáng)能和水力等可再生能源產(chǎn)生的能量，并提供直流電并轉(zhuǎn)換為交流電以便在整個(gè)建筑物內(nèi)分配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的損耗。

采用全直流配電系統(tǒng)的智能建筑通過(guò)消除大量的交流到直流轉(zhuǎn)換和建筑設(shè)備電源交流到直流變壓器的寄生負(fù)載，預(yù)計(jì)可節(jié)省 10% 到 20% 的能源。直流配電系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)可再生能源、配置為微電網(wǎng)的 BESS 以及在整個(gè)建筑物內(nèi)輸送電力的直流電力基礎(chǔ)設(shè)施組成。通過(guò)在因停電事件導(dǎo)致市電中斷時(shí)啟用操作，提高了建筑的彈性。它還通過(guò)存儲(chǔ)可再生能源發(fā)電高峰期間收集的能量以供非高峰時(shí)段使用，從而獨(dú)立于公用電網(wǎng)。

雖然具有直流配電系統(tǒng)的建筑物可能永遠(yuǎn)不會(huì)使用電網(wǎng)電力，但通過(guò)凈計(jì)量保持與電網(wǎng)的連接使其能夠?qū)⒍嘤嗟哪芰糠答伝仉娋W(wǎng)以獲得收入、稅收優(yōu)惠和整體提高電網(wǎng)效率。

例如，在美國(guó)根據(jù)《2022 年通脹削減法案》，直流配電系統(tǒng)有資格獲得稅收抵免，包括可再生能源 30% 的抵免、儲(chǔ)能 30% 的抵免以及千瓦時(shí)發(fā)電量的額外抵免?？偟膩?lái)說(shuō)，這些激勵(lì)措施可以降低直流配電系統(tǒng)的成本，使其與傳統(tǒng)交流電源具有競(jìng)爭(zhēng)力。直流配電系統(tǒng)不僅可以幫助建筑物實(shí)現(xiàn)凈零排放，還可以滿足 LEED 認(rèn)證積分和其他智能建筑認(rèn)證計(jì)劃的要求。

技術(shù)進(jìn)步鋪平了道路

直流配電在過(guò)去幾年中受到了廣泛關(guān)注，并且是美國(guó)能源部 (DOE) 的主要關(guān)注領(lǐng)域。雖然交流電源的普遍存在以及技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的缺乏此前限制了其采用，但直流配電技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在正在鋪平道路。

故障管理電源 (FMP) ，由VoltServer首創(chuàng)的數(shù)字電力 (DE)可以在整個(gè)建筑物內(nèi)安全地傳輸大容量直流電。FMP 系統(tǒng)被采用為 2023 年美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范 (NEC) 第 726 條中的 4 類(lèi)電源，電壓限制為 450V，它使用集中管理的發(fā)射器和遠(yuǎn)程接收器來(lái)檢測(cè)故障并立即停止傳輸，提供相同級(jí)別的電力保護(hù)作為安全超低電壓 (SELV) 2 類(lèi)電源系統(tǒng)，具有防沖擊和起火能力。

FMP 的功率和距離能力因供應(yīng)商的技術(shù)以及導(dǎo)體的數(shù)量和尺寸而異。例如，VoltServer 的 DE 系統(tǒng)在 336VDC 下運(yùn)行，通過(guò)一對(duì)和兩對(duì)導(dǎo)線分別向約 1,200 英尺的距離提供 300W 和 600W 的功率。使用多對(duì)較大的導(dǎo)體，它可以達(dá)到高達(dá) 2000W 的水平。

FMP 系統(tǒng)可以直接連接到直流電源，在整個(gè)建筑物內(nèi)分配數(shù)百或數(shù)千瓦的直流電源，從而無(wú)需交流電源。FMP 支持通過(guò)集中管理來(lái)監(jiān)控和控制能源使用情況，以進(jìn)一步節(jié)省能源。FMP 使用通過(guò)典型的低壓安裝實(shí)踐部署的小型輕量電纜，這些電纜可以與其他通信電纜一起保留在槽中，在大多數(shù)環(huán)境中無(wú)需導(dǎo)管。FMP 還可以將光纖組合到單根電纜中，為連接的電子設(shè)備和裝置匯聚電源和數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)供電 (PoE) 技術(shù)是智能建筑的另一種直流電源選擇。PoE 通過(guò)帶有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)布線，在 100 米范圍內(nèi)提供高達(dá) 90W 的直流電源。PoE 為 Wi-Fi 接入點(diǎn)、安全攝像頭、門(mén)禁讀卡器、LED 燈、智能窗簾、揚(yáng)聲器、傳感器等連接設(shè)備供電。

通用串行總線（USB）技術(shù)是另一種正在流行的選擇。傳統(tǒng)上用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的最新 USB 標(biāo)準(zhǔn)可以通過(guò)小型連接器將數(shù)據(jù)和高達(dá) 240W 的直流電源傳輸?shù)郊s 1 米的距離。USB 電源可為智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等個(gè)人設(shè)備充電，通過(guò)計(jì)算機(jī)、電源和數(shù)據(jù)渲染設(shè)備或由 FMP 或 PoE 供電的 USB 插座提供。

將直流微電網(wǎng)與 FMP、PoE 和 USB 基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合可以共同實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。

克服障礙

采用直流電源的一個(gè)主要障礙是缺乏無(wú)需交流到直流轉(zhuǎn)換即可直接接受直流電源的設(shè)備和裝置。美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (PNNL) 與美國(guó)能源部 (DOE) 聯(lián)合發(fā)布的2020 年 9 月報(bào)告《直流照明和建筑微電網(wǎng)：機(jī)遇和建議》指出，“缺乏接受直流輸入的可用設(shè)備”是最常見(jiàn)的障礙之一。該報(bào)告建議 PoE 交換機(jī)、照明、HVAC 和 EV 充電器制造商提供直流輸入選項(xiàng)。

基層努力和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系正在影響供應(yīng)商的技術(shù)路線圖?，F(xiàn)在市場(chǎng)上正在開(kāi)發(fā)無(wú)需轉(zhuǎn)換即可直接接受直流電的電子設(shè)備和裝置，包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、LED 照明驅(qū)動(dòng)器、HVAC 控制器?，F(xiàn)在可以通過(guò) FMP 直接為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)供電。然后，這些交換機(jī)將 PoE、USB 或其他形式的直流電源提供給整個(gè)建筑物內(nèi)各種連接的終端設(shè)備。其他直流電源的進(jìn)步（例如單對(duì)以太網(wǎng)）和電壓標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)將推動(dòng)供應(yīng)商將更多采用直流電源的電子設(shè)備和裝置推向市場(chǎng)。

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