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未来建筑新蓝图直流微电网系统

发布时间:2022年06月23日    点击:[0]人次

随着配电系统的发展,直流微电网比交流微电网更具优势,更能适应绿色、高效、可持续性的要求,在未来建筑能源系统的发展中有巨大的潜力。然而,目前在建筑中大规模引入直流系统仍然有较大挑战,直流配电节能效果究竟如何也难以评估,其影响因素有很多,比如建筑类型,可再生能源及储能技术的应用,电源转换组件的数量和效率,线路长度及其损耗,整个电力系统的配置等等。目前,一些国家已经纷纷开展了直流配电网的研究,提出了各自的直流配电网概念和发展目标。美国相对较早开始了直流配电网的研究。2015年2月,美国节能联盟(Allianceto Save Energy)发起了SEI(SystemsEfficiency Initiative)研究计划,致力于提高美国建筑系统能效,推动建筑节能的商业性发展。

2017年,美国节能联盟发布了 “Going Beyond Zero: A SystemsEfficiency Blueprint for Building Energy Optimization and Resilience”报告。该报告对美国建筑能效技术和政策背景进行了调研,总结了美国建筑能源优化和弹性电网方面的调研结果,并提出相应的一系列建议推动节能项目发展。本文节选报告中直流微电网相关内容进行介绍。

发现1:直流配电在美国国家能源政策、能源计划和项目实践中存在亟待填补的空白

目前,直流配电系统研发和部署工作尚未列入美国国家能源政策或计划之中。直流建筑系统涉及事项跨度广阔,各利益相关方比如政府,科研人士以及私营企业都有机会从中获益。美国能源部联邦能源管理计划(FEMP)已经确定了58个光伏项目,总计超过325兆瓦的发电容量。针对这一问题,报告给出如下建议:

建议1.1:能源部建筑技术办公室(BTO)应做到:

对现有规模的直流供电建筑进行持续评估,包括节能性,可靠性,弹性和经济性;

对目前进行中的建筑直流配电或终端设备示范项目进行展示

与行业或消费者合作,根据已有评估和示范项目,明确推广直流配电的技术、制度和市场障碍

综合能源部(DOE)已制定的能效和可再生能源目标,制定应对策略克服目前障碍

建议1.2:DOE / BTO应与其他联邦电力项目合作开展相关活动,加快直流供电系统的商业开发,提高其市场接受度。可采取以下措施:

为相关直流研究和推广计划项目提供资金支持

鼓励直流相关示范项目展示

利用ENERGY STAR, 80-Plus31 and LEED等评级认证激励电力公司采用直流供电系统(建筑直流供电系统现已纳入LEED等认证评分项)

加强业界各利益相关方对直流技术的市场意识,鼓励自行建立组织或行业联盟,营造火热的建筑直流供应链技术话题

全力消除直流供电系统的制度规章障碍,比如更新联邦检测方法,增添直流或混合HVAC&R检测方法

建议1.3:国会或主管机关应鼓励联邦机构在现有或新建建筑中采用直流配电或微电网,增加电网可靠性和运行弹性。

建议1.4:DOE应成立一个跨机构工作小组来专门应对建筑直流化障碍和机遇,邀请行业各利益相关方参与。该工作小组可进行多种能源项目,比如,联邦紧急事务管理局和国防部(DoD)为移动设施(例如临时住房,野战医院和厨房)进行直流配电,美国国际开发署鼓励发展中国家农村和其他服务欠缺地区的远程电力直流应用。

发现2:直流配电模式为系统集成和控制创造了有利条件

目前,直流配电主要用于数字化管理,如USB和以太网。未来以此为基础,可实现更多DC功能,包括本地发电或存储,即插即用安装,微电网,改进电网可靠性,安全性和系统管理。通过结构化布线将电力和通信相结合,使通信网络更安全。目前,已有一些直流供电建筑的示范项目,利用直流系统将电力,数据和控制集成至统一平台中,例如可持续科罗拉多办公楼。

建议2:能源部应与行业和标准制定机构合作,制定研发路线图,充分利用直流配电优势,提高建筑系统效率。

开发标准化机制,直流电网数字化管理;

与电气和电子工程师协会(IEEE)等机构合作,开发电网直流配电的标准架构;

与IEEE等机构合作,将架构集成到现有和新技术的每个物理层。

发现3:实现直流配电提高建筑系统效率仍存在多重障碍

目前,直流产品商业性低,无论是供应商,消费者还是相关技术人员直流配电相关知识储备不足,直流相关操作和规范要求的劳动力培训力度欠缺,直流电压压力等级问题缺乏行业共识,急需相关技术标准和电气规范。相关建议如下:

建议3.1:制造商应开发适用于多种建筑的直流建筑标准方案,并提供更具有成本效益的产品。

建议3.2:DOE应与国家项目或行业利益相关方进行合作,开发和测试新方法,降低在现有商业建筑中引入直流配电的复杂性,保证建筑无论翻新,装修还是内部设备更换都不费力。

建议3.3:IEEE应与其他标准、认证组织或行业组织(例如,以太网联盟,USB开发者论坛)合作,制定培训材料,帮助设计人员,相关操作人员更了解直流系统,从而更正确、安全应用并实现节能效果。

建议3.4:DOE应为协调劳动力培训工作提供指导,比如相关操作准则或规范要求。

发现4:扩大直流供电产品的市场,应为直流供电系统提高相关测试程序

建议4.1:DOE应主动审查其能源测试方法,并进行适当更新使其可以应用于直流系统,DOE还应向国会建议对现有法规措辞进行技术更改,不应只针对交流系统。

建议4.2:行业其他人士也可督促DOE改进测试程序。

建议4.2:在国际层面,应倡导在各国相关测试或标准组织中添加直流标准测试方法。

发现5:难以确定现有建筑电气规范和技术标准是否适用于直流建筑

现有国家电气规范(NEC)主要针对交流电,如果没有针对直流电的相关规范,直流配电很难适用于更广阔的场合,甚至技术人员和官方人员沟通也非常困难。这很可能会导致增加直流系统布线成本,难以实现商业性推广。

建议5.1:DOE应与规范制定机构和行业利益相关方合作,审查与直流电源相关的现有规范和标准,包括电气规范,建筑能源规范和产品安全标准,以评估它们是否囊括直流系统。

建议5.2:ASHRAE应考虑建立一个委员会,以确定标准90.1和其他标准所需的变更,以及支持新建和现有商业建筑中直流配电的指南和培训材料。

发现6:全球建筑直流市场非常广阔

除美国外,很多国家和地区都纷纷开展了直流配电网的研究,例如欧洲电子行业ENIAC赞助了一个直流微电网示范项目,以推进可再生能源在净零能耗建筑中的使用,此外,德国还出版了低压直流微电网标准化路线图,对直流建筑技术,市场和监管问题进行了讨论,同时介绍了区域直流配电优势,相关标准的发展和发展现状。中国住房和城乡建设部与美国DOE开展了双边合作项目——清洁能源研究中心CERC,研究建筑直流配电的优势。其他亚洲市场中也有很多制造商开始开发小型直流供电空调,并且可以直接连接光伏板。2015年,国际电工委员会(IEC)成立了“低压直流应用”的系统评估小组(SEG4),进行与低压直流(LVDC)标准和应用相关的研究,以制定相关技术标准的建议。预计2020年,全球直流建筑市场将从2013年的6.09亿美元增长到97亿美元。

建议6.1:DOE应与其他联邦机构以及行业利益相关方合作,了解国际直流建筑相关发展。

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