“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“碳達峰”“碳中和”，并要求國內必須降低碳排放強度，支持有條件的地方率先達到碳排放峰值，制定2030 年前碳排放達峰行動方案。 落實2030 年應對氣候變化國家自主貢獻目標。 加快發(fā)展方式綠色轉型，協(xié)同推進經(jīng)濟高質量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境高水平保護。

為實現(xiàn)2030 年碳達峰，煤、油、氣將先后達峰；火電將逐步由光伏和風電接替以供應電力需求；新能源車、低碳技術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、風能、核能、水利等非化石能源。一次能源能夠轉換為電能、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，被消耗與能源轉換環(huán)節(jié)損耗的能源78 000PJ。

對比一下發(fā)達國家的使用情況，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就是降低這些一次能源的使用，通過太陽能、核能、氫能、風能、地質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峰的主要措施

對于中國來說，硬性指標2050 年需要達到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)在當前計劃的基礎上推行更加積極的減碳舉措，并努力突破現(xiàn)行技術與社會認知邊界。為實現(xiàn)1.5 ℃目標，目前我國主要減碳技術見表1[3]。

表1 各行業(yè)減碳措施關鍵技術

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 國內及國際低碳節(jié)能電氣設計的標準體系

能源效率被國際能源機構(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，或者改善能量轉化為電能。

節(jié)能低碳相關標準，在國內主要是綠色建筑體系與節(jié)能標準體系，主要的標準性文件有《綠色建筑評價標準》GB/T 50378—2019、《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189—2015、《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》JGJ 75—2012、《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》JGJ 26—2010、《近零能耗建筑技術標準》GB/T 51350—2019、《建筑碳排放計算標準》GB/T 51366—2019 及各地地方節(jié)能和綠色建筑標準等。 無論是標準數(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準，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》標準

IEC 60364-8-1 ed2.0 由TC64/MT41 工作組編寫于2019 年2 月發(fā)布。 本標準適用于住宅、商業(yè)、工業(yè)、基礎設施，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。 技術核心理念是“能源效率管理不應降低電能可用性和/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)，通過項目評價分數(shù)的方式來參與評定。

圖1 能效等級劃分

在分數(shù)的取值上，各個不同的項目有不同的權重和取值。 工業(yè)項目總分125 分，商業(yè)項目總分128 分，基礎設施項目總分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 能效措施分數(shù)權重分配

這些措施通過不同的分數(shù)權重的分配，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成，需要通過不同重要性的措施綜合應用才能經(jīng)濟合理與全面的實現(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》標準，為獲得較高的建筑物電氣裝置的能源效率，主要需考慮用電負載情況(主動及被動負載)、當?shù)啬茉窗l(fā)電的可用性、用電設備及傳輸線路的節(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商的電價結構等因素。

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(如所需的功率)，建筑平面圖和負載分布，高壓/低壓變電站和配電盤的布置會影響導體的長度和截面積，進而導致導體上能耗的損失超出預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對其所承接負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荷，但在用電量方面不應過于粗糙。

表4 主變電站能耗

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

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 為最遠的負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載能耗的相對權重的位置，使更高能耗負載與重心的距離小于較低能耗負載。 重心法使設備位置得以確定，以便盡可能減少導線的長度和截面積。

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

供電給這組n個負載的變壓器或配電柜宜盡量靠近這些電氣負載的重心。

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。 但負荷中心法計算在建筑物內部，可更多使用三維計算確定樓層負荷中心、建筑物內部變/配電間位置等。 但無論如何計算，合理的負荷中心的確定必須結合電源方位和敷設、變配電裝置的安裝與管理方便和負載的接入合理等方面。 由于計算時電纜長度由于敷設方式的原因多數(shù)難以精確計算，各種設備的能耗狀況大多僅為預估值，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能量損耗。 根據(jù)IEC TC64 能效評定，電壓降考慮為裝置內的平均電壓降，具體評分要求參見表6。 IEC 60364-5-52 ∶2009 第525 節(jié)提供了裝置內最大電壓降建議。 同時國內各低壓配電相關的標準中，也有相關規(guī)定。 該評級要求對于各回路相加負載能耗超過80%以上耗電量，其每條回路的電壓降應予確定(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到節(jié)能的目的。 本條雖然只強調電壓降，但是電壓降的本質是導體的阻抗導致的結果。 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，需要逐條回路根據(jù)負載進行計算。 常規(guī)工程中可根據(jù)負載能耗預估水平，重度使用負載的線路可根據(jù)允許的電壓降上限在設計中根據(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，長度應乘以0.5。

在實際項目中，一般LED 照明的配電回路一般負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。 對于連續(xù)運轉的負載，則有必要準確計算成本回收期。[5]

5.3 按用途測量

能耗分項計量是國內節(jié)能與綠色設計的必要系統(tǒng)，在IEC 中，測量同樣是確定和評估建筑效率的關鍵。 在確定耗電量時需要測量電氣參數(shù)，還需要測量相關的驅動參數(shù)，如在場人數(shù)、溫度、空氣質量(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)測設備的位置和被測參數(shù)在圖2、表9中給出，并對每相進行參數(shù)的測量和監(jiān)測。 《交流1000V 和直流1500V 以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全防護措施的試驗、測量或監(jiān)控設備- 第12 部分:性能測量和監(jiān)控設備(PMD)》 GB/T 18216.12/IEC 61557-12 定義了電力計量和監(jiān)控設備(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，考慮裝置內按用途測量負載能耗RMU(該比值代表了相關的電力計量和監(jiān)測設備的實施情況)，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載能耗與總負載能耗相比。 RI是能源管理系統(tǒng)管理或接入的負載年能耗與裝置的年負載能耗之間的比值。 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鍵參數(shù)。

能效和負載管理系統(tǒng)控制了能源消費的使用，考慮了負載、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進行此項評估的意義在于，需要將項目中能耗值較大的負荷納入管理，從經(jīng)濟技術手段可節(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，同類軟件需要進行完善的設置、控制邏輯的合理設定、邊界條件的準確輸入才可能達到準確的控制結果。

圖3 能源效率和負載管理系統(tǒng)總覽

5.5 變壓器及用電設備性能

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，應將變壓器在考慮的時間段內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，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置后，需要將變壓器負載率穩(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負荷的就近與分散供電。

表12 按變壓器及用電設備性能

變壓器的工作點可以在變壓器的銘牌或技術樣本上找到。 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行標準的PDCA 的管理動作。 只有固定的執(zhí)行檢查計劃、進行使用、采集數(shù)據(jù)并進行分析，最終落實提升計劃和行動，并不斷的重復并迭代這個過程，這才能達到有效的循環(huán)并提升的結果。 IEC 對電氣裝置性能維護過程的實施也提出評定要求。 一旦進行了測量(一次、偶爾或永久)就需要執(zhí)行確定的措施，隨后應定期進行驗證和維護。 應重復測量指標，然后實施新措施和新維護。 一個標準的電氣裝置的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)化設計來提高電力分配的整體效率。

6 結束語

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置、電能質量管理、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節(jié)措施組合使用情況下來達到綜合目的。 限于篇幅，本文無法將所有23 項措施都進行介紹，但通過以上7 個主要的措施內容簡介，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果，因此各措施所使用的基礎量綱都是采用kWh 作為計算依據(jù)，另外在結果考核上，都遠超我們日常工程設計的習慣。 要求做到同等質量的輸出情況下降低電能的消耗。 并且摒棄工程中復雜多變的設備的區(qū)別，將建筑物作為電氣裝置進行整體能效的考核，更在宏觀方面給予了建筑物內設計與運行工作的彈性和協(xié)調空間。 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)有的國際和國內政策與標準的背景，并根據(jù)現(xiàn)行的國際標準簡單解釋了部分技術措施的含義。 根據(jù)國際統(tǒng)計預測，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。