导语
要点
- 本文探讨了智能建筑中电力的未来
- 150 多年来，建筑一直围绕交流电（AC, Alternating Current）设计
作者： Paul Singer, ABB 电气化首席技术官
Paul Singer 是 ABB 电气化部门的首席技术官。本文探讨了智能建筑中电力的未来。
150 多年来，建筑一直围绕交流电（AC, Alternating Current）设计。AC 实现了从集中式发电厂到远距离的高效输电，塑造了从商业建筑到工业设施的电气架构。
然而今天，建筑内部的能源配置正在发生变化。建筑内的供电侧和用电侧越来越多地使用原生直流电（DC, Direct Current）。太阳能电池板产生 DC 电源，电池储能系统以 DC 方式充放电。此外，许多现代建筑负载——如 LED 照明、电子设备、EV（电动汽车）充电器和 IT 设备——内部也以 DC 运行。
随着 DC 的持续增长，建筑正越来越多地在混合 AC-DC 环境中运行。DC 供电的技术通常需要在运行前将输入的 AC 电源转换为 DC。每次转换都会导致能量损失和额外的设备。通过建立一种建筑能源架构，将 DC 电力更直接地输送到需要的地方，同时仍然支持 AC 负载，设施可以消除不必要的转换、提高效率，并实现可再生能源发电和储能的集成。
提高效率带来显著节省
在大型智能建筑、数据中心或高能耗的工业设施中，即使是很小的低效率也会在财务报表上累积起来。因此，基于 DC 的新型架构较低运营成本可以迅速抵消其较高的初始投资成本。
这些设施通常拥有数百万美元的电费账单，并且其能耗受到密切关注。通过消除不必要的转换，运营者可以实现六位数的显著节省。ABB 的研究表明，基于 DC 的架构可将建筑的总能源成本降低约 9%。
效率提升还带来了另一个好处：更少的转换意味着产生的热量更少，因此建筑的 HVAC 和热管理系统不需要那么努力地防止设备过热。
通过更高功率密度最大化收益
转向 DC 还解决了物理空间的限制，这是现代开发商面临的最紧迫问题之一。每一厘米的电气基础设施都意味着一厘米从创收资产中削减的空间。例如，在办公楼中，这可能意味着释放出大量额外空间用于增加租户。
传统的 AC 系统需要庞大的变压器和复杂的配电盘。然而，DC 原生架构，尤其是使用固态变压器（SST, Solid State Transformer）的架构，可以消除多达两个转换层级。
结果是电气占地面积显著减小和减轻。这在重工业制造中已经显现，高容量的工业机械正在被集成到更紧凑的 DC 原生供电系统中。通过将传统 AC 变压器替换为高功率变换器，可以在相同的物理空间内实现更高的功率密度。
克服通往 DC 未来的障碍
从历史上看，先进电力电子设备的初期成本冲击以及缺乏传统行业标准，是 DC 采用的主要障碍。我们整个电气生态系统是建立在 AC 系统一个世纪以来既定的安全和电网合规标准之上的。自然，设施管理者在没有稳定性和安全性保证的情况下，不愿连接复杂的 DC 系统。
然而，技术正在缩小这一差距。例如，电力电子的进步显著降低了 DC 电源变换器的成本，而超快固态断路器为数据中心等高能耗建筑中安全管理 DC 电源提供了所需的保护和控
制。对于现代智能建筑而言，这意味着设施管理者可以安全地直接供电给大规模 DC 原生负载，如先进 HVAC 系统、LED 照明网络和现场 EV 充电站，同时将它们与屋顶太阳能和电池存储无缝集成。由于这些进步，高能耗设施的投资回报率（ROI）几乎是立竿见影的，因为 DC 架构释放了传统 AC 系统根本无法支持的效率和功率密度。
为了进一步降低风险，行业持续使用先进的数字孪生（digital twin）仿真。设施设计师和建筑师无需依赖猜测，即可虚拟测试其现场太阳能电池板、电池存储和高容量负载在混合生态系统中的交互方式。然后，工程师可以在铺设实体线缆之前展示 DC 微电网的稳定性、安全性和效率，确保系统满足严格的公用事业标准。
更精简、更高性能的基础设施
通过深思熟虑地平衡 DC 和 AC 基础设施，设施可以提高整体系统的可靠性和安全性。这种混合方法允许建筑利用 AC 电网经过验证的稳定性，同时策略性地集成 DC 系统，尽可能消除浪费的转换过程。
无论您是在运营 EV 充电基础设施、数据中心还是现代办公楼，这种平衡的过渡都提供了一条通向更精简、更可靠、显著更高效的建筑的道路。