碳中和背景下建筑电气行业变革与对策

张永明， 于杰生， 颜 哲

(同济大学，上海 200092)

0 引言

21 世纪，能源与环境已成为全球化的问题。 按照目前温室气体排放速度，到本世纪末，温度升幅控制将远超《巴黎协定》规定的高于工业化前水平1.5～2.0℃的目标。 据测算，2019 年我国城市建筑总碳排放为24 亿t，约占当年我国总CO2排放量的1/4，建筑碳中和面临巨大挑战[1]。

在“双碳目标”下，建筑能源系统将会发生重大变革，包括技术路线、规划设计方法、商业模式等。既要节能，还要减碳；既要考虑电力需求，还要考虑冷热负荷需求；既要考虑电源侧新能源发电和电网不确定性，又要考虑需求侧电动汽车充电的冲击。

针对这些需求，笔者从能碳“双控”的角度，探讨了建筑节能优先的原则；从综合能源利用的角度，进行综合能源规划，以提高建筑能源系统的综合能效；从智能配电的角度，给出了需求侧智能配电网的架构体系，以应对供需双边不确定性等问题；最后，对行业发展新趋势作简单梳理和点评，希望对业内同行能有一些启发和帮助。

需要强调的是，建筑电气行业从传统建筑供配电转向智能配电，是行业的重大变革，从设计到运行、再到相关电气设备均有较大的变化，需要业内同行共同努力。

1 建筑节能优先

1.1 能耗限额与碳排限额管理

“双碳”战略背景下，建筑行业制定了《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021、《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366-2019 等标准规范，其中建筑碳排放计算(特别是建筑运行阶段)是基于能耗的换算，因此碳排限额管理还是要从能耗限额管理出发。

自2015 年起，我国实行能源消耗总量和强度的“双控”，加强节能管理。 但因为建筑能耗的复杂性和多样性，直到实行“双碳”目标后，各地方(如北京市和上海市)才开始制定各类建筑的能耗限额标准。 因此，只有实行了建筑能耗限额，才有可能完成区域的建筑运行碳排放配额。

1.2 从静态节能到动态节能

建筑节能分类方法较多，大都从建筑、材料、水、暖、电各专业出发，被动式建筑节能、保温/节能材料选取，以及节能型变压器、空调、电梯、照明灯具等建筑设备选择等节能方式，往往是设计层面的静态节能，前期比较重视也取得了较好的效果。

在“双碳”战略下，建筑供配电系统转变为复杂的智能配电网，特别是电力市场、电力交易以及碳交易等对建筑用能行为及控制策略也将会产生影响，进行动态控制实现节能(即动态节能)，如空调系统的优化运行节能、照明智能控制节能等变得越来越重要。 这同时也对设计工作提出了更高要求。

1.3 建筑节能与建筑柔性负荷资源化

建筑节能是实现建筑碳中和的基础，节能可降低能源需求，因此节能也被称为“第六大能源”。 同时，节能可以减少甚至避免能源系统扩容(电力系统扩容)，节省资源投入。

在大规模新能源发电接入电力系统后，建筑柔性负荷的调节能力也将逐步被资源化，既可以参与需求侧响应/管理，大规模的建筑柔性可构成“虚拟电厂”参与电力市场，还可以主动柔性调节，保障电力供需动态平衡，降低系统设计容量。 特别是在建筑电气“光储直柔”系统中，将发挥更大的作用。

2 综合能源规划与提高综合能效

2.1 综合能源规划概念

中国正处在城镇化的关键时期，面临人口、资源和环境的多重压力，其中能源是核心资源，城市能源系统规划是城市最重要的规划之一。 宏观层面，城市能源战略规划是顶层目标；中观层面，包括电力规划、燃气规划和热力供应规划在内的能源规划；微观层面，有建筑层面的能源系统设计。

目前，中观层面的能源规划如电力规划、燃气规划和热力供应规划，管理机制上各自归属不同部门分别独立进行，对各种能源的互补性和协调性考虑不足。 联合国环境计划署(UNEP)在综合资源规划方法基础上提出来了综合能源规划，可在能源战略规划目标的基础上，为微观建筑层面的能源系统设计提供了顶层设计规划。 图1 所示为能源规划体系和城市规划体系。

图1 能源规划体系与城市规划体系

2.2 综合能源规划原理及能效

综合能源系统的多能源输入与多能源输出，如图2 所示。

图2 综合能源系统多能源输入与多能源输出示意图

其中能源输入侧，除电网、可再生能源发电外，还包括但不限于天然气、地热资源等低品位能源；能源输出侧，包括冷、热、电、氢等多态能源形式；中间综合能源系统，涉及能量的传输、转换、存储(储能)等环节。 综合能源规划的原理是基于热力学“温度对口”和“梯级利用”原则，利用综合能源系统对建筑进行供能，来提高综合能效。

综合能源系统模型是进行综合能源规划的依据，在综合能源系统中，输出能源L和输入能量R之间的耦合关系可用耦合矩阵C线性表示(式(1))。

式中，Lm和Rn分别表示第m类输出能量和第n类输入能量源；cmn表示耦合因子，表征多种能源系统间的耦合关系，该耦合关系是进行综合能源规划的关键。

2.3 综合能源规划专业协同

综合能源需要多专业协同开展，设计阶段主要涉及的专业包括建筑电气、暖通空调、电力系统。以太阳能在建筑中应用为例，建筑屋顶空间有限，面对太阳能光伏利用、太阳能光热利用以及屋顶绿化如何设计等问题，若建筑有生活热水需求，则按照“温度对口”原则，暖通空调优先设计太阳能光热利用系统，在满足生活热水需求的基础上，电气专业才考虑太阳能光伏利用(若仅用太阳能光伏发电满足生活热水需求，不能算高能效的方案)。 屋顶绿化的减碳效果，则远远小于屋顶太阳能光伏利用和光热利用方式。

运营阶段，由于综合能源的多主体特征，综合能源服务的商业模式就显得尤为重要，在设计商业模式时，希望能够均衡考虑各方利益，本文给出基于纳什均衡博弈论思路的综合能源MAPPER 商业模式构建思路(图3)。

图3 基于纳什均衡博弈论的综合能源商业模式构建思路

3 建筑供配电转向需求侧智能配电网

与传统建筑供配电不同，需求侧智能配电网是一种“源网荷储”一体化的配电网，是从负荷侧建筑出发的“自底向上”配电网。 目前行业“光储直柔”系统是需求侧智能配电网的一种典型系统。

需求侧智能配电网以建筑供配电为核心，接入了新能源发电，在综合考虑需求侧综合能源和储能的基础上，进行“源网荷储”一体化能源管理，其具有绿色、低碳、高效、友好等特征，是电力市场改革和需求侧综合能源的发展方向。

3.1 需求侧智能配电网架构体系

需求侧智能配电网主要由“源网荷储”+“管理”五部分组成，架构如4 图所示。 其中，“源”包括新能源发电和大电网，“网”主要是建筑侧的配电网，“荷”主要是建筑分项计量/分类计量负荷，“储”主要是蓄电或蓄冷蓄热(暖通空调)。 “管理”主要是基于分项计量/分类计量的能耗监测，以及建筑设备管理(BMS)或楼宇自动化系统(BA)的设备运行数据，进行动态能源管理。

图4 需求侧智能配电网

3.2 分布式发电接入消纳

目前，在建筑及园区层面具有可用性的可再生能源/清洁能源主要有太阳能、风能、生物质能、地热能、氢能等形式能源，分布式发电主要有光伏发电、电梯再生电能回收利用、风力发电、燃料电池等[2-3]。

(1)光伏

需求侧智能配电网接入的光伏发电分为建筑周边的分布式光伏、建筑屋顶光伏、建筑一体化光伏等形式。

(2)电梯再生电能回收利用

我国城市化进程中，土地规划容积率较高，高层建筑较多，电梯保有量大。 高层建筑中，电梯再生电能回收利用，可以使电梯节能20%以上，回收利用潜力很大，效益甚至大于建筑光伏，应引起行业重视。

(3)风电

建筑及周边的风能利用一般采用小型或微型风力发电机。 在工业厂区、园区及周边具有较好的应用潜力，特别是大中型机组，具有投资成本低、发电效率高等优点。

风力发电的规划及接入，选择微风发电的小型分布式风力机组或大中型机组，除了考虑空间情况，还要考虑噪声、美观等因素。

(4)燃料电池

燃料电池发电效率高、过负载能力强、机组容量灵活，具有较好的调节能力，是可控性的电源，对配电网性能提升具有重要意义。 同时，可以适应多种燃料，生物质气、天然气和煤气(NOX及SOX等排出量少)等都可作为燃料，是具有潜力接入建筑的低碳新能源，未来还可以作为直流电源接入直流建筑。

当前，发达国家非常重视燃料电池的应用，一方面重视燃料电池新能源交通工具的研发，另一方面也重视燃料电池冷热电联供系统在建筑中应用。燃料电池在建筑热电冷联供中的应用已到了实用阶段，日本、美国都有一些有相当规模的示范项目。

3.3 交直流混合配电网

需求侧智能配电网，包括传统交流配电网，以及未来可能的直流配电网，可形成建筑级及园区级的交直流混合配电网络[4]。

分布式发电的直流电源、直流储能(含电动汽车充电)及直流负载高效地接入直流配电网，交流负载接入传统交流配电网，直流网络和交流网络通过双向变换器(AC/DC)互联支撑，是行业“光储直柔”系统的典型场景[5]。

3.4 建筑能效监管系统

建筑能耗主要有电能、热能、冷能、可再生能源等形式，通过建筑能耗分项计量和分类计量，可建立建筑能耗监测系统，实现对各种类型建筑能耗的在线监测和动态分析，为建筑节能运行管理、实施建筑节能改造提供数据支撑。

3.5 需求侧多元储能

需求侧智能配电网中，建筑侧储能属于用户侧储能，即需求侧储能。 按照蓄能类型划分，分为蓄电、蓄冷或蓄热。 按照主要功能划分，用户侧储能主要分为能量型应用、功率型应用和应急供电应用三种形式。 其中，能量型应用主要服务于提高光伏等新能源发电消纳能力、削峰填谷、节约电费支出等；功率型应用主要服务于削减峰值负荷、系统的电力安全和可靠性保障等；应急供电应用主要服务于重要设备的供电保障。

民用建筑直流配电系统的储能系统可采用铅酸电池、锂电池等电化学储能元件，部分应用(如电梯制动)可采用超级电容储能元件[6]。 储能系统主要包括电池、电池管理系统、电力变换器、保护设备、监控系统和其他部分。

3.6 能源管理智慧化

能源管理主要是基于分项计量和分类计量的能耗监测及建筑设备管理(BMS)或楼宇自动化系统(BA)的设备运行数据，进行能耗统计、能耗分析、能耗诊断、负荷预测、需求侧响应、碳排管理等功能。

综合考虑分布式发电就近接入消纳、电动汽车灵活充放电、空调等需求侧响应，以及建筑储能、分时电价等因素，进行“源网荷储”一体化的能源规划，荷随源动“柔性”的能源管理，可提高总体能效、降低综合成本。

4 建筑电气行业的新趋势与对策

笔者分析了建筑电气行业的八大发展趋势和影响，如表1 所示，希望共同探索应对之策。 能源及碳排金融化对建筑电气运行方式较大影响，从而影响建筑能源系统的设计，应该引起足够重视。

表1 建筑电气行业新趋势、特征与对策

“双碳”战略背景下，一方面，建筑能源供应的低碳化和多元化，增加了能源供应侧的不确定性；另一方面，建筑再电气化和新能源车辆家电化使得能源需求侧负荷的不确定性增大。 在供需“双边”不确定约束下，亟需探索新型的建筑供配电系统，建筑供配电智能化成为必然选项，因此探索一种需求侧智能配电网以解决上述问题，是笔者对行业趋势逻辑的思考。 建筑直流化“光储直柔”方案，是需求侧智能配电网的一个典型特例。 在适于安装光伏且具有大量变频设备的工业建筑甚至工厂配电等场合，建筑直流配电前景可期。

电梯既是负荷又是电源，建筑设计中目前由建筑专业负责，又因其为特种设备，亟需多专业协同，利用好电梯发电这一宝贵资源。

针对容易忽视的几点问题，简要介绍如下。

4.1 能源及碳排金融化

随着“双碳”战略目标的实施，以及电力市场改革深入，建筑电气行业将迎来重大变革，特别是分时电价、电力交易、碳交易逐步与需求侧建筑用能深度融合，这将改变用户(特别是工厂、大用户等)的用能行为，导致负荷曲线的不确定性增大，传统的建筑电气设计、空调设计的经验负荷曲线难以为继。

面对电力市场改革能源及碳排金融化，建筑供配电系统应该更具有灵活性，以及类似电网的弹性和韧性特性，需要对多种场景、多种工况进行分析与模拟才能给出更优的设计方案。

4.2 新能源车辆家电化

我国正处于新能源汽车技术迅速发展的阶段，据公安部数据显示，截止2021 年9 月底，我国新能源汽车保有量近680 万辆，占全国汽车总量的2.28%。 这其中纯电动汽车保有量达552 万辆，若百公里耗电平均按15kWh，按行驶50km/天计算，年耗电量约151 亿kWh，相当于0.15 个三峡电站年发电量。

随着未来电动汽车的普及，大规模电动汽车充电负荷将带来新一轮的负荷增长，对配电系统将带来一系列问题。 电动汽车充电对电力系统的影响主要在配电网层面，特别是对老旧小区、城区可能会引起电力容量(尤其是变压器)不足问题，加剧了老旧区域电力扩容难问题，成为老旧区域改造的难题。

通过采用有序充电技术、“光-储-充”直流一体化技术、需求侧响应等技术经济手段，可以缓解老旧区域电力扩容难问题，为“新基建”既有建筑改造提供技术支撑[7]。

4.3 电梯发电回收资源化

自1889 年，人类发明电力驱动电梯以来，电梯已经成为人类不可或缺的垂直交通工具。 截止到2020 年底，我国电梯保有量786.55 万台(不含中国港澳台地区)，按早晚客流高峰模式、层间模式及待机模式转化为等效运行小时数3 小时/天，运行功率按10kW 计算按年工作日250 天初步估算年耗电超过590 亿kWh，按课题组研究技术节电19.43%计算[8]，可节电近115 亿kWh/天。

2020 年我国建筑总面积约700 亿m2，按可利用面积为100 亿m2计算，可装机容量1 亿kW，按年等效发电小时数1 000 估算，发电潜力约1 000 亿kWh/天，相当于1 个三峡电站年发电量。

综上分析，电梯发电回收节能潜力的资源具备相当规模，在“双碳”约束节能优先背景下，电梯节能具有重要意义。

当前，将电梯节能供给电动汽车充电，可覆盖汽车能耗的75%以上，可保障建筑电力容量扩容压力。 电梯节能“节约”等效“新增”1/10 的建筑光伏。 可见，将电梯发电、电动汽车充电车有效结合，为建筑节能减排提供了有效路径。

5 结论与展望

本文首先给出“双碳”背景下，建筑领域节能优先的理念和基本原则，分析了能耗限额与碳排限额管理的关系，表明了节能和能耗限额的重要性。 指出节能中应该关注的动态节能思路、建筑节能资源化、建筑柔性负荷资源化等行业观念转变问题。

给出了综合能源规划的概念、原理及能效情况，通过热力学“温度对口、梯级利用”原理，实现冷热电能源微网全局优化运行，提高综合能源系统的总体能效，实现建筑能效的总体最大化。 综合能源规划需要多专业协同、多主体参与实现共赢。

给出了需求侧智能配电网架构体系，与传统建筑供配电不同，它是一种“源网荷储”+“智能管理”的一体化智能配电网，是一种从负荷侧建筑出发的“自底向上”的需求侧智能配电网，通过以建筑供配电为核心，接入了新能源发电，考虑建筑的柔性调节，基于能耗分项计量/分类计量和建筑BMS/BA进行“源网荷储”一体化能源管理，其具有绿色、低碳、高效、友好等特征，是电力市场改革和需求侧综合能源的发展方向。 目前行业“光储直柔”系统是需求侧智能配电网的一种典型系统。

笔者分析了建筑电气行业能源及碳排金融化、能源供应低碳多元化、建筑供配电智能化、建筑再电气化、新能源车辆家电化、建筑直流化、电梯发电回收资源化、建筑全面智慧化八大发展趋势和影响，希望与各位同行共同探索应对之策。