“雙碳”戰(zhàn)略下的電氣能效思路與實施要點

韓 帥

(天津市天友建筑設(shè)計股份有限公司，天津 300384)

0 引言

近年來，“十四五” 規(guī)劃及兩會政府工作報告都提到了“碳達(dá)峰”“碳中和”，并要求國內(nèi)必須降低碳排放強度，支持有條件的地方率先達(dá)到碳排放峰值，制定2030 年前碳排放達(dá)峰行動方案。 落實2030 年應(yīng)對氣候變化國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)。 加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，協(xié)同推進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境高水平保護(hù)。

為實現(xiàn)2030 年碳達(dá)峰，煤、油、氣將先后達(dá)峰；火電將逐步由光伏和風(fēng)電接替以供應(yīng)電力需求；新能源車、低碳技術(shù)和清潔能源材料也將具有遼闊前景。

1 碳中和的背景與實現(xiàn)途徑

實現(xiàn)碳中和需要分析降低碳排放的必要的方向。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)上看，能源活動占碳排放85.5%[1]，是碳排放控制的重點。 能源活動分為能源生產(chǎn)和終端能源消費兩個部分，前者包含一次能源和二次能源。 一次能源主要為石油、天然氣、煤炭等化石能源，以及太陽能、風(fēng)能、核能、水利等非化石能源。一次能源能夠轉(zhuǎn)換為電能、氫能等二次能源，再由這些二次能源供給終端消費。

根據(jù)勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的統(tǒng)計[2]，在2017 年，中國的整體能源消耗量為13 000PJ(拍焦，1 拍焦＝1015焦耳)其中煤炭占82 000PJ，原油占25 000PJ，天然氣占8 200PJ，生物能占4 500PJ，可見由煤炭發(fā)電占主流地位的二次能源供給方式，使中國的碳排放居高不下。 將所有能源匯總后可見，全國能源使用的能源45 000PJ，被消耗與能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)損耗的能源78 000PJ。

對比一下發(fā)達(dá)國家的使用情況，美國的一次能源主要靠原油與天然氣。 在2021 年，美國總計消耗97.3 夸特(1 夸特＝1.06×1018焦耳)。 在此基礎(chǔ)上，美國一年能源使用了31.8 夸特，損耗能源65.4 夸特，可見美國的能源使用上也存在高度提升的可能。

結(jié)合美國2021 年碳排放流向情況發(fā)現(xiàn)，在使用的一次能源里，能夠造成碳排放的能源主要是天然氣、煤炭和原油三種。 因此，降低碳排放的首要任務(wù)就是降低這些一次能源的使用，通過太陽能、核能、氫能、風(fēng)能、地質(zhì)能等基本無碳的方案去逐步代換常見的高碳能源。

2 中國的碳中和與碳達(dá)峰的主要措施

對于中國來說，硬性指標(biāo)2050 年需要達(dá)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%。 在這一過程中，需要各行業(yè)在當(dāng)前計劃的基礎(chǔ)上推行更加積極的減碳舉措，并努力突破現(xiàn)行技術(shù)與社會認(rèn)知邊界。為實現(xiàn)1.5 ℃目標(biāo)，目前我國主要減碳技術(shù)見表1[3]。

表1 各行業(yè)減碳措施關(guān)鍵技術(shù)

可以看到，對于普通工業(yè)與建筑電氣行業(yè)來說，最重要的就是提升能源效率。

3 國內(nèi)及國際低碳節(jié)能電氣設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)體系

能源效率被國際能源機構(gòu)(IEA)定義為“可持續(xù)全球能源系統(tǒng)的第一燃料”。 它是一種具有成本效益的手段，用于支持不斷增長的能源需求，同時限制對環(huán)境的負(fù)面影響。 然而，它往往是一個被忽視的能源來源。 IEC 將能源效率定義為產(chǎn)出績效與能源投入之間的比率。 包括為相同的性能使用更少的能量，使用相同的能量來獲得更好的性能，或者改善能量轉(zhuǎn)化為電能。

節(jié)能低碳相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)主要是綠色建筑體系與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系，主要的標(biāo)準(zhǔn)性文件有《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378—2019、《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189—2015、《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 75—2012、《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 26—2010、《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51350—2019、《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51366—2019 及各地地方節(jié)能和綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)等。 無論是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量、覆蓋面，都形成了完善的監(jiān)管體系。《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB 55015—2021 更是直接提出了必要的強制性要求。

國際上現(xiàn)行主要是綠色建筑體系與能源管理體系標(biāo)準(zhǔn)，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。 同時也通過一些能源和綠色建筑的認(rèn)證來保證節(jié)能低碳，比如LEED、BREEAM等。 此外，各國政府也有一些對電工產(chǎn)品的能效規(guī)定。

4 IEC 60364-8-1 《能源效率》標(biāo)準(zhǔn)

IEC 60364-8-1 ed2.0 由TC64/MT41 工作組編寫于2019 年2 月發(fā)布。 本標(biāo)準(zhǔn)適用于住宅、商業(yè)、工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施，覆蓋新建及改造項目，旨在對能源管理體系ISO 50001 規(guī)定的電氣部分提出要求和建議，其概念和體系來源于IEC GUIDE 118。 技術(shù)核心理念是“能源效率管理不應(yīng)降低電能可用性和/或低于用戶希望的供電和運行水平”。[4]

IEC 60364-8-1 的思路是將建筑物等同一個電氣設(shè)備，來綜合多個方面考核其能效等級，通過分類為EE0～EE5 等幾個等級(圖1)，通過項目評價分?jǐn)?shù)的方式來參與評定。

圖1 能效等級劃分

在分?jǐn)?shù)的取值上，各個不同的項目有不同的權(quán)重和取值。 工業(yè)項目總分125 分，商業(yè)項目總分128 分，基礎(chǔ)設(shè)施項目總分127 分，住宅項目總分112 分。 能效等級評分詳見表2。

表2 電氣裝置能效等級

在技術(shù)措施上，IEC TC64 將主要的能效措施分為23 項，見表3。

表3 IEC TC64 能效措施分?jǐn)?shù)權(quán)重分配

這些措施通過不同的分?jǐn)?shù)權(quán)重的分配，體現(xiàn)出在不同項目中的典型重要性。 比如在工業(yè)中，明顯主變電站的位置確定、能源管理系統(tǒng)的實施都是最重要的問題。 而在住宅項目中，能耗范圍確定、供電網(wǎng)格和分項計量是最重要的得分點。 也由此表明雖然能效措施是各自有針對性的，但是一個綜合能效的達(dá)成，需要通過不同重要性的措施綜合應(yīng)用才能經(jīng)濟(jì)合理與全面的實現(xiàn)。

5 電氣裝置能效提高的實施要點

根據(jù)IEC 60364-8-1《能源效率》標(biāo)準(zhǔn)，為獲得較高的建筑物電氣裝置的能源效率，主要需考慮用電負(fù)載情況(主動及被動負(fù)載)、當(dāng)?shù)啬茉窗l(fā)電的可用性、用電設(shè)備及傳輸線路的節(jié)能措施、電路及控制的劃分、能源的使用需求以及能源供應(yīng)商的電價結(jié)構(gòu)等因素。

5.1 主變電站的位置和能耗

變電站的位置選擇是項目的重點，根據(jù)若干指標(biāo)(如所需的功率)，建筑平面圖和負(fù)載分布，高壓/低壓變電站和配電盤的布置會影響導(dǎo)體的長度和截面積，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)體上能耗的損失超出預(yù)期或項目高昂的初裝費用。

根據(jù)IEC TC64 能效評定，主變電站能耗評級參見表4，旨在評估采用的變電站應(yīng)對其所承接負(fù)載有較為全面的覆蓋，評估時可忽略個別難以計算能耗的小負(fù)荷，但在用電量方面不應(yīng)過于粗糙。

表4 主變電站能耗

在表5 中，對主變電站的位置應(yīng)與負(fù)載重心法(或類似方法)計算的最佳位置進(jìn)行對比。

表5 主變電站位置

式中，a 為主變電站與重心法計算的最優(yōu)位置之間的距離；b 為最遠(yuǎn)的負(fù)載與重心法或類似方法計算的最優(yōu)位置之間的距離。

本條中的重心法等計算最佳負(fù)荷中心方法的目的是將變壓器和配電盤安裝在一個基于各負(fù)載能耗的相對權(quán)重的位置，使更高能耗負(fù)載與重心的距離小于較低能耗負(fù)載。 重心法使設(shè)備位置得以確定，以便盡可能減少導(dǎo)線的長度和截面積。

由負(fù)載重心法定義的位置坐標(biāo)(xb、xb、zb)或(xb，yb)應(yīng)通過以下公式確定:

供電給這組n個負(fù)載的變壓器或配電柜宜盡量靠近這些電氣負(fù)載的重心。

根據(jù)公式(2)，對于基本無高差的廠區(qū)、建筑群，一般可采用二維計算即可。 但負(fù)荷中心法計算在建筑物內(nèi)部，可更多使用三維計算確定樓層負(fù)荷中心、建筑物內(nèi)部變/配電間位置等。 但無論如何計算，合理的負(fù)荷中心的確定必須結(jié)合電源方位和敷設(shè)、變配電裝置的安裝與管理方便和負(fù)載的接入合理等方面。 由于計算時電纜長度由于敷設(shè)方式的原因多數(shù)難以精確計算，各種設(shè)備的能耗狀況大多僅為預(yù)估值，因此無論采用何種計算方法，都存在其精度的受限和數(shù)值的合理偏差。

5.2 電壓降

本措施通過減少布線的電壓降來降低布線內(nèi)能量損耗。 根據(jù)IEC TC64 能效評定，電壓降考慮為裝置內(nèi)的平均電壓降，具體評分要求參見表6。 IEC 60364-5-52 ∶2009 第525 節(jié)提供了裝置內(nèi)最大電壓降建議。 同時國內(nèi)各低壓配電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，也有相關(guān)規(guī)定。 該評級要求對于各回路相加負(fù)載能耗超過80%以上耗電量，其每條回路的電壓降應(yīng)予確定(通過計算或測量)。 回路的平均電壓降計算公式如下所示:

表6 電壓降

式中，n為考慮的回路數(shù)量；Δui為考慮到回路的電壓降；ci是考慮到回路年能耗。

由表6 可知，獲得滿分的情況下，一個項目中80%用電量的回路的平均電壓降不能超過1%，這也要求項目必須采用小容量多布點的方式才可能達(dá)到節(jié)能的目的。 本條雖然只強調(diào)電壓降，但是電壓降的本質(zhì)是導(dǎo)體的阻抗導(dǎo)致的結(jié)果。 如果能夠保證較低的平均電壓降，也就能保證線路的較低損耗。 線路電壓降在計算中較為繁復(fù)，需要逐條回路根據(jù)負(fù)載進(jìn)行計算。 常規(guī)工程中可根據(jù)負(fù)載能耗預(yù)估水平，重度使用負(fù)載的線路可根據(jù)允許的電壓降上限在設(shè)計中根據(jù)查表確定，如表7所示。

表7 電壓降2%時的回路配線最大長度示例

表7 中負(fù)載為PVC 線纜，工作溫度70 ℃，使用在環(huán)境溫度30 ℃時的三相400V 系統(tǒng)的限值示例，用于單相系統(tǒng)時，長度應(yīng)乘以0.5。

在實際項目中，一般LED 照明的配電回路一般負(fù)載較小且多為寬電壓，用電量不高，一般可不計算，對于日用負(fù)載，因為其投資回報率較低，為其特意加大電纜截面一般也不經(jīng)濟(jì)。 對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的負(fù)載，則有必要準(zhǔn)確計算成本回收期。[5]

5.3 按用途測量

能耗分項計量是國內(nèi)節(jié)能與綠色設(shè)計的必要系統(tǒng)，在IEC 中，測量同樣是確定和評估建筑效率的關(guān)鍵。 在確定耗電量時需要測量電氣參數(shù)，還需要測量相關(guān)的驅(qū)動參數(shù)，如在場人數(shù)、溫度、空氣質(zhì)量(如CO2)、日光、運行時間、電力成本等。 對于電力測量，保證足夠的測量精度、測量功能和測量范圍等因素即可滿足需求。 對于一個典型的三級配電的低壓系統(tǒng)，需要的典型測量如表8。

表8 電力計量和監(jiān)測的需求概要

測量或監(jiān)測設(shè)備的位置和被測參數(shù)在圖2、表9中給出，并對每相進(jìn)行參數(shù)的測量和監(jiān)測。 《交流1000V 和直流1500V 以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全防護(hù)措施的試驗、測量或監(jiān)控設(shè)備- 第12 部分:性能測量和監(jiān)控設(shè)備(PMD)》 GB/T 18216.12/IEC 61557-12 定義了電力計量和監(jiān)控設(shè)備(PMD)及根據(jù)其用途所需的最小功能分類[6]。 如PMD-1 能效:用于能效評估的能源使用分析；PMD-2 基本電力監(jiān)控:用于裝置內(nèi)的配電的監(jiān)控和控制；PMD-3高級電力監(jiān)控和電網(wǎng)性能:高級的電力監(jiān)控和電網(wǎng)性能監(jiān)測。

圖2 測量設(shè)備安裝位置

表9 被測參數(shù)要求

根據(jù)IEC 的評定要求，考慮裝置內(nèi)按用途測量負(fù)載能耗RMU(該比值代表了相關(guān)的電力計量和監(jiān)測設(shè)備的實施情況)，具體評分要求參見表10。

表10 按用途測量

式中，a 為通過按負(fù)載用途測量的年耗電量；b 為全部裝置的年耗電量。

5.4 能源管理系統(tǒng)的實施

比值RI表示由能源管理系統(tǒng)管理或與其連接的負(fù)載能耗與總負(fù)載能耗相比。 RI是能源管理系統(tǒng)管理或接入的負(fù)載年能耗與裝置的年負(fù)載能耗之間的比值。 IEC 的評分要求如表11 所示。

表11 按能源管理系統(tǒng)

根據(jù)經(jīng)驗，只要了解能源在哪里使用和如何使用，只需改變程序和行為，就可以節(jié)省10%的能源，而無需任何資本投資。 這通常是通過將測量設(shè)備連接到能源管理系統(tǒng)來實現(xiàn)的，該系統(tǒng)綜合了能源效率的所有關(guān)鍵參數(shù)。

能效和負(fù)載管理系統(tǒng)控制了能源消費的使用，考慮了負(fù)載、本地發(fā)電和儲能和用戶需求，如圖3 所示。 容納多于 250 人的場所或用電量100 000kWh/年以上建筑物需要實施EEMS。 IEC進(jìn)行此項評估的意義在于，需要將項目中能耗值較大的負(fù)荷納入管理，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)手段可節(jié)約大量運行費用。 但不可忽視其管理系統(tǒng)的軟件實施方式，同類軟件需要進(jìn)行完善的設(shè)置、控制邏輯的合理設(shè)定、邊界條件的準(zhǔn)確輸入才可能達(dá)到準(zhǔn)確的控制結(jié)果。

圖3 能源效率和負(fù)載管理系統(tǒng)總覽

5.5 變壓器及用電設(shè)備性能

考慮到裝置里變壓器(或多臺)的工作點WPTFO由變壓器制造商提供，在正常運行期間，應(yīng)將變壓器在考慮的時間段內(nèi)的平均功率與變壓器的工作點WPTFO比較。

對于每臺變壓器，RWP是在考慮的時間段內(nèi)，變壓器在裝置運行期間的平均功率與變壓器工作點WPTFO對應(yīng)的功率之間的比值。 RET是比值RWP大于1.2 或小于0.8 的變壓器數(shù)量與電氣裝置的變壓器數(shù)量之間的比值。 IEC 對該參數(shù)的評分參見表12，意味著如果集中變壓器設(shè)置后，需要將變壓器負(fù)載率穩(wěn)定在合理范圍，除非可以布置多臺變壓器后才可能達(dá)到20%的變壓器持續(xù)運行在最佳性能。 這樣的評分要求也間接促進(jìn)負(fù)荷的就近與分散供電。

表12 按變壓器及用電設(shè)備性能

變壓器的工作點可以在變壓器的銘牌或技術(shù)樣本上找到。 變壓器的鐵損和銅損相等時效率最大，此時的負(fù)載功率多為變壓器額定功率的30%～50%。

5.6 生命周期方法的實施

電氣裝置同樣需要執(zhí)行ISO 的能源管理的體系，因此對于項目的全壽命周期需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的PDCA 的管理動作。 只有固定的執(zhí)行檢查計劃、進(jìn)行使用、采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，最終落實提升計劃和行動，并不斷的重復(fù)并迭代這個過程，這才能達(dá)到有效的循環(huán)并提升的結(jié)果。 IEC 對電氣裝置性能維護(hù)過程的實施也提出評定要求。 一旦進(jìn)行了測量(一次、偶爾或永久)就需要執(zhí)行確定的措施，隨后應(yīng)定期進(jìn)行驗證和維護(hù)。 應(yīng)重復(fù)測量指標(biāo)，然后實施新措施和新維護(hù)。 一個標(biāo)準(zhǔn)的電氣裝置的PDCA 過程如圖4 所示。

圖4 - 電能效率管理的迭代過程

5.7 可再生能源/BS02:電能存儲

本地可再生能源和其他本地發(fā)電本身不會提高電氣裝置的效率，但減少公用電網(wǎng)能源消費的同時也就是降低整個公用電網(wǎng)的能耗，這可以被認(rèn)為是一種間接的能效措施。

本地儲能系統(tǒng)可以優(yōu)化本地可再生能源的生產(chǎn)使用(如光伏發(fā)電)，優(yōu)化稅費同時限制對本地電力電網(wǎng)的影響。 其本身不會提高電氣裝置的效率，但至少會降低建筑整體的電源電網(wǎng)損耗，因此可以考慮成為電氣裝置的能源管理一部分。 也能夠考慮裝置間的儲能系統(tǒng)共享，這樣可以通過優(yōu)化設(shè)計來提高電力分配的整體效率。

6 結(jié)束語

IEC 將組成評價能效的各個分項按特性區(qū)分，即可看出宏觀的能效和節(jié)能思路。 能效主要宏觀分為變壓器設(shè)置、電能質(zhì)量管理、電能消耗和樓宇自動化4 個方面，從這4 個方面逐步入手去從各個細(xì)節(jié)措施組合使用情況下來達(dá)到綜合目的。 限于篇幅，本文無法將所有23 項措施都進(jìn)行介紹，但通過以上7 個主要的措施內(nèi)容簡介，也可了解IEC 對于能效和節(jié)能的基本思路。 國際上面重視實際結(jié)果，因此各措施所使用的基礎(chǔ)量綱都是采用kWh 作為計算依據(jù)，另外在結(jié)果考核上，都遠(yuǎn)超我們?nèi)粘９こ淘O(shè)計的習(xí)慣。 要求做到同等質(zhì)量的輸出情況下降低電能的消耗。 并且摒棄工程中復(fù)雜多變的設(shè)備的區(qū)別，將建筑物作為電氣裝置進(jìn)行整體能效的考核，更在宏觀方面給予了建筑物內(nèi)設(shè)計與運行工作的彈性和協(xié)調(diào)空間。 避免了局部高性能帶來整體損害的情況。

本文簡單介紹了“雙碳”政策的背景和碳排放的具體指標(biāo)來源，為“雙碳”戰(zhàn)略的落地指明方向。并在電氣節(jié)能和能效部分解讀了目前現(xiàn)有的國際和國內(nèi)政策與標(biāo)準(zhǔn)的背景，并根據(jù)現(xiàn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)簡單解釋了部分技術(shù)措施的含義。 根據(jù)國際統(tǒng)計預(yù)測，在未來雙碳戰(zhàn)略的前景下，能源的電氣化是不可避免的趨勢，因此無論是能源的清潔化，還是建筑端的能效的提高和其他非電氣能源設(shè)施的電氣化過程，都會為工業(yè)與電氣行業(yè)提供大好的發(fā)展機會。