配電站零碳實施路徑研究

【關鍵詞】配電站；零碳；預制艙

引言

氣候變化問題需要全人類共同面對，我國一直致力于引導國際合作以應對氣候變化，努力在全球生態(tài)文明建設中扮演重要角色，體現大國擔當。第七十五屆聯合國大會提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更有力的政策和舉措，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和?！彪娏Φ吞及l(fā)展是實現碳達峰、碳中和的重要路徑，配電站具有數量多、分布廣等特點，如果能有效解決配電站等電力建筑的能耗問題，便能助力“雙碳”目標的早日實現。為推動城市電網建設綠色高質量發(fā)展，亟需開展零碳配電站的實現路徑研究。

為此，本文首先分析了零碳配電站的發(fā)展現狀，包括國內外試點應用情況；其次，確認了配電房全生命周期碳排放的系統邊界和排放來源，選定了科學實用的排放量測算方法；最后從建筑和設備兩方面梳理了配電房實現零碳需要的關鍵技術。

一、零碳配電站發(fā)展現狀

（一）定義

零碳配電站定義可參考《近零能耗建筑技術標準》（GB/T51350-2019）[1]，指根據氣候特點和場地條件，采用被動式建筑設計最大化降低空調、照明需求，應用主動技術措施最大化用能效率，高比例滲透可再生能源，最大限度減少配電站全生命周期碳排放，用最少的能耗滿足配電站的用能需求。

（二）試點示范情況

目前，國內外零碳項目多為示范、商業(yè)類建筑[2～4]，主要通過使用環(huán)保建材、化石能源替代、設備節(jié)能等手段減排增吸，實現建筑內碳排放產銷平衡。為實現“雙碳”目標，促進電力系統低碳建設，2021年9月，首個單層零碳配電站示范項目在廣東省廣州市花都區(qū)投產[5]，該配電站應用多種施工技術手段，達成現場“零加工”、“零排放”的目標，并通過光伏、照明、建筑一體化，實現特殊情況下供電上網，提高供電可靠性，促進城市電網建設綠色高質量發(fā)展。2023年1月，首座雙層裝配式零碳數字化配電站[6]在番禺區(qū)市橋建成投產，集成低碳裝配建筑、綜合能源管控和數字化管理技術，形成一套高效、節(jié)能且可推廣的現代化配電站建設方法，推動電力系統低碳建設。

二、邊界確定

（一）系統邊界

配電站碳排放核算系統邊界如圖1所示，本研究從四階段對配電站開展碳足跡測算，包括建材生產運輸、配電房施工、配電站運維、拆除回收利用，分析配電站全生命周期碳排放。

（二）配電房碳排放來源

1.建材生產運輸

建材生產運輸過程中的碳排放由原料開采和加工生產時消耗的化石、電力等一次、二次能源，以及運輸至施工現場時運輸工具所產生，其運輸距離、建材數量、運輸方式均會影響排放量。

2.配電房施工

即施工機械耗能、施工照明耗能和運輸建筑垃圾過程中產生的碳排放，包括工地居住區(qū)照明、取暖、制冷。其中機械設備能耗是施工階段主要碳源。

3.配電站運維

配電站運行維護階段的碳排放主要由系統設備消耗產生，如排風、空調、照明、可再生能源等，以及配電房維護時，建材、構件等生產、施工、運輸、安裝產生碳排放。

4.拆除回收利用

此階段碳排放由配電房現場拆除機械作業(yè)、廢棄物外運時交通運輸能源消耗和可再生建筑廢棄物回收利用時產生。

三、碳排放測算方法

常用的碳排放測算方法有碳排放系數法、物料衡算法、實測法和投入產出法等，配電站碳排放測算中宜采用碳排放系數法。即根據清單測算各階段消耗數據與因子的乘積，作為碳排放估算值。碳排放系數法主要應用政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on" Climate Change，IPCC）發(fā)布的碳排放因子作為碳排放系數，有公認的測算公式[7]，具有應用范圍廣泛、社會認可度高、結果數據準確的優(yōu)點。

式中：

E——碳排放總量，單位tCO₂;

i——能源類型;

AD_i——第i種排放源的活動數據，即核算期內生產過程中化石燃料的消耗量、原材料的使用量及購入或輸出的電量，固體或液體燃料單位t，氣體燃料單位10⁴m³；

EF_i——第i種排放源的碳排放因子，即碳排放系數，缺省值可參考IPCC指南。

四、零碳配電房關鍵技術

為全面挖掘配電站零碳技術，需要充分考慮電力設備節(jié)能降耗（含綜合能源管理）技術、建筑低碳技術的綜合應用。各技術預期成效及其應用場景如表1所示。

表1 零碳配電房關鍵技術

（一）零碳建筑

1.新型光伏屋頂（屋面光伏+微電網儲能）

建筑的屋面是建筑表面中最適合安裝光伏發(fā)電系統的空間[8]。屋面接收太陽輻射量最大，可選擇面積更大，安裝光伏系統對建筑美學和城市景觀影響更小，屋面應用光伏技術較為成熟、安裝維護較為方便，故相較于立面，建筑屋面更適于安裝光伏系統。因此配電站可結合微電網儲能，應用屋面光伏技術，建設新型光伏屋頂，實現站內用電“自給自足”，促進節(jié)能減排。

2.被動式通風系統

在配電房后墻和房頂安裝可開啟的通風百葉，在陽光照射下，光伏電池板和屋面、墻壁間縫隙產生溫差，形成煙囪效應，加速空氣流動，同時冷空氣從墻壁下方通風百葉流入，再從屋頂排出，將配電房中的熱量帶走，達到自然通風和降溫的效果。

3.全預制配電站

如圖1所示，預制式建站模式可以充分提高建設效率、節(jié)省建筑占地、節(jié)約運維成本、降低能耗、降低污染，在各高排放領域均已得到廣泛應用。配電站可采用整體預制及吊裝，實現施工現場“零加工”、“零排放”。

4.粉煤灰混凝土應用

粉煤灰作為燃煤電廠排放煙氣中的主要成分，是我國目前主要的工業(yè)廢渣之一。粉煤灰砼是一種在建筑業(yè)較成熟、應用較廣的工藝，可以用于配電房基礎建設。同時粉煤灰砼作為可再生資源，拆除后可以回收利用，在設計配電房時應加以考慮。

（5）墻體保溫技術

配電站建設可以采用墻體保溫技術實現節(jié)能：保溫隔熱墻體是在墻體中加入隔熱材料，形成保溫隔熱層，以降低熱傳遞效率的一種墻體。通過實現室內外環(huán)境溫差，達到節(jié)能的目的；熱反射隔熱墻體即在墻體外側涂上熱反射涂層，涂層可令墻體在太陽光照射下實現一定的溫度自調節(jié)。當室外熱量輻射進入室內時，熱反射涂層折射92%的非可見光，實現室內外環(huán)境溫差。

（二）節(jié)能設備

1.敞開式立體卷鐵心干式變壓器

敞開式立體卷鐵心干式變壓器具有低損耗、高過載能力、使用綠色可回收絕緣材料、噪音低、易維護等獨特優(yōu)勢，可大大降低變壓器周圍的雜散磁場（如圖2所示），能夠很好地滿足綠色制造的需求，在配電領域能得到廣泛應用。

2.便攜式儲能電源

如圖3所示，便攜式儲能電源在室內外均可應用，可以為施工臨時供電、黑啟動等緊急情況提供電源，減少對柴油發(fā)電機組的依賴，降低配電站施工運維過程的碳排放。

3.能耗管理系統

應用綜合能源管理系統，管理配電房自身用電情況，提高用能用電效率，促進配電站節(jié)能減排。

五、展望

在“碳達峰、碳中和”目標的實現過程中，電力系統的低碳建設都必須先于更大范圍的整體經濟低碳。電力低碳發(fā)展不應局限于發(fā)電側，配電也是其中的重要環(huán)節(jié)，配電站建設更是配電業(yè)務中關鍵排放環(huán)節(jié)，研究零碳配電站的實施路徑，可以為配電站建設提供設計思路，對構建新型電力系統有重要意義。