碳中和背景下建筑電氣行業變革與對策

張永明， 于杰生， 顏 哲

(同濟大學，上海 200092)

0 引言

21 世紀，能源與環境已成為全球化的問題。 按照目前溫室氣體排放速度，到本世紀末，溫度升幅控制將遠超《巴黎協定》規定的高于工業化前水平1.5～2.0℃的目標。 據測算，2019 年我國城市建筑總碳排放為24 億t，約占當年我國總CO2排放量的1/4，建筑碳中和面臨巨大挑戰[1]。

在“雙碳目標”下，建筑能源系統將會發生重大變革，包括技術路線、規劃設計方法、商業模式等。既要節能，還要減碳；既要考慮電力需求，還要考慮冷熱負荷需求；既要考慮電源側新能源發電和電網不確定性，又要考慮需求側電動汽車充電的沖擊。

針對這些需求，筆者從能碳“雙控”的角度，探討了建筑節能優先的原則；從綜合能源利用的角度，進行綜合能源規劃，以提高建筑能源系統的綜合能效；從智能配電的角度，給出了需求側智能配電網的架構體系，以應對供需雙邊不確定性等問題；最后，對行業發展新趨勢作簡單梳理和點評，希望對業內同行能有一些啟發和幫助。

需要強調的是，建筑電氣行業從傳統建筑供配電轉向智能配電，是行業的重大變革，從設計到運行、再到相關電氣設備均有較大的變化，需要業內同行共同努力。

1 建筑節能優先

1.1 能耗限額與碳排限額管理

“雙碳”戰略背景下，建筑行業制定了《建筑節能與可再生能源利用通用規范》GB 55015-2021、《建筑碳排放計算標準》GB/T 51366-2019 等標準規范，其中建筑碳排放計算(特別是建筑運行階段)是基于能耗的換算，因此碳排限額管理還是要從能耗限額管理出發。

自2015 年起，我國實行能源消耗總量和強度的“雙控”，加強節能管理。 但因為建筑能耗的復雜性和多樣性，直到實行“雙碳”目標后，各地方(如北京市和上海市)才開始制定各類建筑的能耗限額標準。 因此，只有實行了建筑能耗限額，才有可能完成區域的建筑運行碳排放配額。

1.2 從靜態節能到動態節能

建筑節能分類方法較多，大都從建筑、材料、水、暖、電各專業出發，被動式建筑節能、保溫/節能材料選取，以及節能型變壓器、空調、電梯、照明燈具等建筑設備選擇等節能方式，往往是設計層面的靜態節能，前期比較重視也取得了較好的效果。

在“雙碳”戰略下，建筑供配電系統轉變為復雜的智能配電網，特別是電力市場、電力交易以及碳交易等對建筑用能行為及控制策略也將會產生影響，進行動態控制實現節能(即動態節能)，如空調系統的優化運行節能、照明智能控制節能等變得越來越重要。 這同時也對設計工作提出了更高要求。

1.3 建筑節能與建筑柔性負荷資源化

建筑節能是實現建筑碳中和的基礎，節能可降低能源需求，因此節能也被稱為“第六大能源”。 同時，節能可以減少甚至避免能源系統擴容(電力系統擴容)，節省資源投入。

在大規模新能源發電接入電力系統后，建筑柔性負荷的調節能力也將逐步被資源化，既可以參與需求側響應/管理，大規模的建筑柔性可構成“虛擬電廠”參與電力市場，還可以主動柔性調節，保障電力供需動態平衡，降低系統設計容量。 特別是在建筑電氣“光儲直柔”系統中，將發揮更大的作用。

2 綜合能源規劃與提高綜合能效

2.1 綜合能源規劃概念

中國正處在城鎮化的關鍵時期，面臨人口、資源和環境的多重壓力，其中能源是核心資源，城市能源系統規劃是城市最重要的規劃之一。 宏觀層面，城市能源戰略規劃是頂層目標；中觀層面，包括電力規劃、燃氣規劃和熱力供應規劃在內的能源規劃；微觀層面，有建筑層面的能源系統設計。

目前，中觀層面的能源規劃如電力規劃、燃氣規劃和熱力供應規劃，管理機制上各自歸屬不同部門分別獨立進行，對各種能源的互補性和協調性考慮不足。 聯合國環境計劃署(UNEP)在綜合資源規劃方法基礎上提出來了綜合能源規劃，可在能源戰略規劃目標的基礎上，為微觀建筑層面的能源系統設計提供了頂層設計規劃。 圖1 所示為能源規劃體系和城市規劃體系。

圖1 能源規劃體系與城市規劃體系

2.2 綜合能源規劃原理及能效

綜合能源系統的多能源輸入與多能源輸出，如圖2 所示。

圖2 綜合能源系統多能源輸入與多能源輸出示意圖

其中能源輸入側，除電網、可再生能源發電外，還包括但不限于天然氣、地熱資源等低品位能源；能源輸出側，包括冷、熱、電、氫等多態能源形式；中間綜合能源系統，涉及能量的傳輸、轉換、存儲(儲能)等環節。 綜合能源規劃的原理是基于熱力學“溫度對口”和“梯級利用”原則，利用綜合能源系統對建筑進行供能，來提高綜合能效。

綜合能源系統模型是進行綜合能源規劃的依據，在綜合能源系統中，輸出能源L和輸入能量R之間的耦合關系可用耦合矩陣C線性表示(式(1))。

式中，Lm和Rn分別表示第m類輸出能量和第n類輸入能量源；cmn表示耦合因子，表征多種能源系統間的耦合關系，該耦合關系是進行綜合能源規劃的關鍵。

2.3 綜合能源規劃專業協同

綜合能源需要多專業協同開展，設計階段主要涉及的專業包括建筑電氣、暖通空調、電力系統。以太陽能在建筑中應用為例，建筑屋頂空間有限，面對太陽能光伏利用、太陽能光熱利用以及屋頂綠化如何設計等問題，若建筑有生活熱水需求，則按照“溫度對口”原則，暖通空調優先設計太陽能光熱利用系統，在滿足生活熱水需求的基礎上，電氣專業才考慮太陽能光伏利用(若僅用太陽能光伏發電滿足生活熱水需求，不能算高能效的方案)。 屋頂綠化的減碳效果，則遠遠小于屋頂太陽能光伏利用和光熱利用方式。

運營階段，由于綜合能源的多主體特征，綜合能源服務的商業模式就顯得尤為重要，在設計商業模式時，希望能夠均衡考慮各方利益，本文給出基于納什均衡博弈論思路的綜合能源MAPPER 商業模式構建思路(圖3)。

圖3 基于納什均衡博弈論的綜合能源商業模式構建思路

3 建筑供配電轉向需求側智能配電網

與傳統建筑供配電不同，需求側智能配電網是一種“源網荷儲”一體化的配電網，是從負荷側建筑出發的“自底向上”配電網。 目前行業“光儲直柔”系統是需求側智能配電網的一種典型系統。

需求側智能配電網以建筑供配電為核心，接入了新能源發電，在綜合考慮需求側綜合能源和儲能的基礎上，進行“源網荷儲”一體化能源管理，其具有綠色、低碳、高效、友好等特征，是電力市場改革和需求側綜合能源的發展方向。

3.1 需求側智能配電網架構體系

需求側智能配電網主要由“源網荷儲”+“管理”五部分組成，架構如4 圖所示。 其中，“源”包括新能源發電和大電網，“網”主要是建筑側的配電網，“荷”主要是建筑分項計量/分類計量負荷，“儲”主要是蓄電或蓄冷蓄熱(暖通空調)。 “管理”主要是基于分項計量/分類計量的能耗監測，以及建筑設備管理(BMS)或樓宇自動化系統(BA)的設備運行數據，進行動態能源管理。

圖4 需求側智能配電網

3.2 分布式發電接入消納

目前，在建筑及園區層面具有可用性的可再生能源/清潔能源主要有太陽能、風能、生物質能、地熱能、氫能等形式能源，分布式發電主要有光伏發電、電梯再生電能回收利用、風力發電、燃料電池等[2-3]。

(1)光伏

需求側智能配電網接入的光伏發電分為建筑周邊的分布式光伏、建筑屋頂光伏、建筑一體化光伏等形式。

(2)電梯再生電能回收利用

我國城市化進程中，土地規劃容積率較高，高層建筑較多，電梯保有量大。 高層建筑中，電梯再生電能回收利用，可以使電梯節能20%以上，回收利用潛力很大，效益甚至大于建筑光伏，應引起行業重視。

(3)風電

建筑及周邊的風能利用一般采用小型或微型風力發電機。 在工業廠區、園區及周邊具有較好的應用潛力，特別是大中型機組，具有投資成本低、發電效率高等優點。

風力發電的規劃及接入，選擇微風發電的小型分布式風力機組或大中型機組，除了考慮空間情況，還要考慮噪聲、美觀等因素。

(4)燃料電池

燃料電池發電效率高、過負載能力強、機組容量靈活，具有較好的調節能力，是可控性的電源，對配電網性能提升具有重要意義。 同時，可以適應多種燃料，生物質氣、天然氣和煤氣(NOX及SOX等排出量少)等都可作為燃料，是具有潛力接入建筑的低碳新能源，未來還可以作為直流電源接入直流建筑。

當前，發達國家非常重視燃料電池的應用，一方面重視燃料電池新能源交通工具的研發，另一方面也重視燃料電池冷熱電聯供系統在建筑中應用。燃料電池在建筑熱電冷聯供中的應用已到了實用階段，日本、美國都有一些有相當規模的示范項目。

3.3 交直流混合配電網

需求側智能配電網，包括傳統交流配電網，以及未來可能的直流配電網，可形成建筑級及園區級的交直流混合配電網絡[4]。

分布式發電的直流電源、直流儲能(含電動汽車充電)及直流負載高效地接入直流配電網，交流負載接入傳統交流配電網，直流網絡和交流網絡通過雙向變換器(AC/DC)互聯支撐，是行業“光儲直柔”系統的典型場景[5]。

3.4 建筑能效監管系統

建筑能耗主要有電能、熱能、冷能、可再生能源等形式，通過建筑能耗分項計量和分類計量，可建立建筑能耗監測系統，實現對各種類型建筑能耗的在線監測和動態分析，為建筑節能運行管理、實施建筑節能改造提供數據支撐。

3.5 需求側多元儲能

需求側智能配電網中，建筑側儲能屬于用戶側儲能，即需求側儲能。 按照蓄能類型劃分，分為蓄電、蓄冷或蓄熱。 按照主要功能劃分，用戶側儲能主要分為能量型應用、功率型應用和應急供電應用三種形式。 其中，能量型應用主要服務于提高光伏等新能源發電消納能力、削峰填谷、節約電費支出等；功率型應用主要服務于削減峰值負荷、系統的電力安全和可靠性保障等；應急供電應用主要服務于重要設備的供電保障。

民用建筑直流配電系統的儲能系統可采用鉛酸電池、鋰電池等電化學儲能元件，部分應用(如電梯制動)可采用超級電容儲能元件[6]。 儲能系統主要包括電池、電池管理系統、電力變換器、保護設備、監控系統和其他部分。

3.6 能源管理智慧化

能源管理主要是基于分項計量和分類計量的能耗監測及建筑設備管理(BMS)或樓宇自動化系統(BA)的設備運行數據，進行能耗統計、能耗分析、能耗診斷、負荷預測、需求側響應、碳排管理等功能。

綜合考慮分布式發電就近接入消納、電動汽車靈活充放電、空調等需求側響應，以及建筑儲能、分時電價等因素，進行“源網荷儲”一體化的能源規劃，荷隨源動“柔性”的能源管理，可提高總體能效、降低綜合成本。

4 建筑電氣行業的新趨勢與對策

筆者分析了建筑電氣行業的八大發展趨勢和影響，如表1 所示，希望共同探索應對之策。 能源及碳排金融化對建筑電氣運行方式較大影響，從而影響建筑能源系統的設計，應該引起足夠重視。

表1 建筑電氣行業新趨勢、特征與對策

“雙碳”戰略背景下，一方面，建筑能源供應的低碳化和多元化，增加了能源供應側的不確定性；另一方面，建筑再電氣化和新能源車輛家電化使得能源需求側負荷的不確定性增大。 在供需“雙邊”不確定約束下，亟需探索新型的建筑供配電系統，建筑供配電智能化成為必然選項，因此探索一種需求側智能配電網以解決上述問題，是筆者對行業趨勢邏輯的思考。 建筑直流化“光儲直柔”方案，是需求側智能配電網的一個典型特例。 在適于安裝光伏且具有大量變頻設備的工業建筑甚至工廠配電等場合，建筑直流配電前景可期。

電梯既是負荷又是電源，建筑設計中目前由建筑專業負責，又因其為特種設備，亟需多專業協同，利用好電梯發電這一寶貴資源。

針對容易忽視的幾點問題，簡要介紹如下。

4.1 能源及碳排金融化

隨著“雙碳”戰略目標的實施，以及電力市場改革深入，建筑電氣行業將迎來重大變革，特別是分時電價、電力交易、碳交易逐步與需求側建筑用能深度融合，這將改變用戶(特別是工廠、大用戶等)的用能行為，導致負荷曲線的不確定性增大，傳統的建筑電氣設計、空調設計的經驗負荷曲線難以為繼。

面對電力市場改革能源及碳排金融化，建筑供配電系統應該更具有靈活性，以及類似電網的彈性和韌性特性，需要對多種場景、多種工況進行分析與模擬才能給出更優的設計方案。

4.2 新能源車輛家電化

我國正處于新能源汽車技術迅速發展的階段，據公安部數據顯示，截止2021 年9 月底，我國新能源汽車保有量近680 萬輛，占全國汽車總量的2.28%。 這其中純電動汽車保有量達552 萬輛，若百公里耗電平均按15kWh，按行駛50km/天計算，年耗電量約151 億kWh，相當于0.15 個三峽電站年發電量。

隨著未來電動汽車的普及，大規模電動汽車充電負荷將帶來新一輪的負荷增長，對配電系統將帶來一系列問題。 電動汽車充電對電力系統的影響主要在配電網層面，特別是對老舊小區、城區可能會引起電力容量(尤其是變壓器)不足問題，加劇了老舊區域電力擴容難問題，成為老舊區域改造的難題。

通過采用有序充電技術、“光-儲-充”直流一體化技術、需求側響應等技術經濟手段，可以緩解老舊區域電力擴容難問題，為“新基建”既有建筑改造提供技術支撐[7]。

4.3 電梯發電回收資源化

自1889 年，人類發明電力驅動電梯以來，電梯已經成為人類不可或缺的垂直交通工具。 截止到2020 年底，我國電梯保有量786.55 萬臺(不含中國港澳臺地區)，按早晚客流高峰模式、層間模式及待機模式轉化為等效運行小時數3 小時/天，運行功率按10kW 計算按年工作日250 天初步估算年耗電超過590 億kWh，按課題組研究技術節電19.43%計算[8]，可節電近115 億kWh/天。

2020 年我國建筑總面積約700 億m2，按可利用面積為100 億m2計算，可裝機容量1 億kW，按年等效發電小時數1 000 估算，發電潛力約1 000 億kWh/天，相當于1 個三峽電站年發電量。

綜上分析，電梯發電回收節能潛力的資源具備相當規模，在“雙碳”約束節能優先背景下，電梯節能具有重要意義。

當前，將電梯節能供給電動汽車充電，可覆蓋汽車能耗的75%以上，可保障建筑電力容量擴容壓力。 電梯節能“節約”等效“新增”1/10 的建筑光伏。 可見，將電梯發電、電動汽車充電車有效結合，為建筑節能減排提供了有效路徑。

5 結論與展望

本文首先給出“雙碳”背景下，建筑領域節能優先的理念和基本原則，分析了能耗限額與碳排限額管理的關系，表明了節能和能耗限額的重要性。 指出節能中應該關注的動態節能思路、建筑節能資源化、建筑柔性負荷資源化等行業觀念轉變問題。

給出了綜合能源規劃的概念、原理及能效情況，通過熱力學“溫度對口、梯級利用”原理，實現冷熱電能源微網全局優化運行，提高綜合能源系統的總體能效，實現建筑能效的總體最大化。 綜合能源規劃需要多專業協同、多主體參與實現共贏。

給出了需求側智能配電網架構體系，與傳統建筑供配電不同，它是一種“源網荷儲”+“智能管理”的一體化智能配電網，是一種從負荷側建筑出發的“自底向上”的需求側智能配電網，通過以建筑供配電為核心，接入了新能源發電，考慮建筑的柔性調節，基于能耗分項計量/分類計量和建筑BMS/BA進行“源網荷儲”一體化能源管理，其具有綠色、低碳、高效、友好等特征，是電力市場改革和需求側綜合能源的發展方向。 目前行業“光儲直柔”系統是需求側智能配電網的一種典型系統。

筆者分析了建筑電氣行業能源及碳排金融化、能源供應低碳多元化、建筑供配電智能化、建筑再電氣化、新能源車輛家電化、建筑直流化、電梯發電回收資源化、建筑全面智慧化八大發展趨勢和影響，希望與各位同行共同探索應對之策。