交流（AC）和直流（DC）電實際上是兩種不同類型的電。絕大多數電網都分配交流電，但交流電成為標準已有100多年了。從那時起，情況發(fā)生了很大變化。例如，現(xiàn)代建筑中越來越多的電力要么“以直流電形式消耗，要么在被消耗的過程中經歷瞬態(tài)直流狀態(tài)”。由于這一點以及直流電的其他固有優(yōu)勢，許多專家一致認為，在商業(yè)和住宅電力系統(tǒng)中采用直流電可以打造更安全、更舒適、更節(jié)能的建筑。
一項新的研究表明，專家們普遍認為，在商業(yè)和住宅建筑中廣泛采用直流 (DC) 電力系統(tǒng)可能比交流 (AC) 系統(tǒng)更具有顯著優(yōu)勢。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于改變行業(yè)專業(yè)人士對直流電的看法，從而有可能帶來更安全、更可靠、更節(jié)能的建筑。
美國卡內基梅隆大學的布洛克·格拉斯戈 (Brock Glasgo)及其同事調查了來自各個行業(yè)和學術領域的17名專家，確定了更廣泛采用直流電源系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時也承認了其潛在的挑戰(zhàn)。
我們社會的電力使用正在迅速變化。盡管可再生能源發(fā)電的發(fā)展使電網來源變得更加分散，但建筑物中現(xiàn)代電氣元件和設備的增加導致電力消耗穩(wěn)步增長。鑒于這些變化，許多科學家鼓勵在商業(yè)和住宅建筑中更多地采用直流配電。
格拉斯戈說表示，直流電源的應用具有三個關鍵方面?！笆紫?，我們現(xiàn)在擁有基于半導體的電力電子設備，可用作DC-DC變壓器，并且?guī)缀跖c現(xiàn)代AC-DC和DC-AC變壓器一樣高效。其次，我們看到太陽能光伏發(fā)電和其他產生直流電的分布式發(fā)電源的安裝量持續(xù)增長。第三，現(xiàn)代建筑中越來越多的電力要么以直流電形式消耗，要么在消耗過程中經歷瞬態(tài)直流狀態(tài)。”
對于一些人來說，這些優(yōu)勢證明同時采用交流和直流的電力系統(tǒng)正在變得過于復雜和過時?！巴ㄟ^分配直流電來消除不必要的直流-交流和交流-直流轉換不僅可以簡化我們的建筑級供電，而且還可以節(jié)省能源，”格拉斯戈說。
然而，盡管DC具有技術和經濟優(yōu)勢，但它的廣泛采用在其他領域面臨著重大障礙。通過調查，格拉斯戈說團隊發(fā)現(xiàn)了兩個最大的障礙：行業(yè)專業(yè)人士對DC不熟悉，以及市場上DC設備和組件的代表性不足。
“交流電網已經存在了120多年，交流電所有物理組件、設計、維護、施工、運行以及最終用戶與輸配電系統(tǒng)的交互都基于悠久的歷史和物理原理?！备窭垢缯f?！跋蛑绷鞴╇娊ㄖ倪^渡將不僅僅取決于系統(tǒng)本身的技術可行性?！比欢?，專家們普遍仍對克服這些挑戰(zhàn)抱有希望。
格拉斯哥表示：“專家建議對工程師和電工進行直流系統(tǒng)方面的培訓，并確定直流配電相對于交流電具有明顯優(yōu)勢的利基用例，并建立試點項目，以幫助建立直流設備和組件的市場?！薄柏撠熤绷麟娫聪到y(tǒng)的專業(yè)人員以及支持它們所需的市場需要經歷重大轉型，然后才能使用[直流電源系統(tǒng)]來更高效、安全、可靠地滿足未來建筑的需求。”
交流電何時被選擇作標準？
直流電是由托馬斯·愛迪生發(fā)明的。愛迪生于1879年發(fā)明了一種可以持續(xù)14.5小時的白熾燈泡，并使用直流電為其供電。不久之后，當尼古拉·特斯拉通過他的許多發(fā)明普及交流電時，交流電便開始出現(xiàn)了。特斯拉于1893年在芝加哥舉行的世界哥倫布博覽會上首次展示了他的交流電。特斯拉最終贏得了所謂的“電流之戰(zhàn)”，從此交流電一直被用作標準。
但自 19 世紀以來，技術、設備和基礎設施發(fā)生了巨大變化，這就引出了一個問題：交流電是否仍應成為用電標準？
接下來，我們將簡要探討一下交流電和直流電之間的差異，以及這些差異對于考慮使用直流電為其建筑系統(tǒng)（如照明和HVAC）供電的建筑管理者和設計師意味著什么。
交流電和直流電有什么區(qū)別？
本質上，直流電在電壓與時間的關系圖上沿直線（直接）傳播，這意味著它沒有頻率，并且其電壓保持恒定。而與之相反，交流電每秒交替極性50-60次（具體取決于你位于哪個地區(qū)）。這也意味著交流電的電壓隨著時間的推移并不恒定（它會增加和減少）。
所謂頻率，即交流電每秒完整交替的次數。下圖圖表直觀地顯示了在示波器上查看兩種類型的電流的情況：
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建筑物中使用直流配電的好處
消除對低效電源轉換器的需求提升智能建筑系統(tǒng)運行效率直流電處理起來更安全許多直流供電設備本質上都是高效的更易于獲得綠色建筑認證和財政補貼1. 消除對低效電源轉換器的需求
如今，越來越多的現(xiàn)代設備使用直流電，包括LED燈、HVAC系統(tǒng)、筆記本電腦、微波爐等。事實上，直流消耗目前約占總能源負荷的32%，在擁有電動汽車和帶直流電機的HVAC設備的建筑物中，這一比例可能高達74%。目前，電網將交流電分配給家庭和建筑物，這意味著這些設備必須將獲得的交流電轉換為所需的直流電。
為了做到這一點，這些設備配備了驅動器和轉換器，在不考慮成本的情況下，它們的效率可以達到96%，但當制造商削減生產成本時，首先要犧牲的就是效率。這意味著制造商通常會購買更便宜的驅動程序來生產更便宜的產品。例如，在LED燈中的驅動器效率低的情況很常見。
低效的驅動器本質上是在交流電轉換為直流電的過程中以熱量的形式消耗能量。有機構專門對不同的LED燈泡進行了比較測試，發(fā)現(xiàn)大多數LED燈驅動器效率低下（平均 80%），特別是在住宅照明中。事實上，在轉換過程中平均損失了約20%的能量。因此，如果通過直接為這些系統(tǒng)和設備提供直流電源，就不再需要這些低效的驅動器。
為什么交流電是傳輸系統(tǒng)的標準？
知道了我們今天主要使用直流電源，簡單地將直流電源直接分配到建筑物和直流供電設備似乎很合理，并且也有多種不同的方法。而大多數分配隔離直流電源的系統(tǒng)都是通過使用變壓器來實現(xiàn)的，變壓器有兩個主要用途：
升高或降低電壓隔離電力，提高電路的安全性，并降低電氣火災的風險但問題是變壓器僅適用于交流電，這是交流電的優(yōu)點之一，也是交流電在高壓輸電系統(tǒng)中成為標準使用的本質原因。
那么，當直流電與變壓器不兼容時，直流配電和輸電系統(tǒng)如何使用變壓器呢？
如果直流電與變壓器兼容，那么直流電將成為配電和輸電系統(tǒng)中更便宜、更高效的選擇。這是因為，與交流電源相比，直流電源完全由有功功率組成，這意味著當直流電源長距離傳輸時，幾乎不會因電線的電容而產生損耗。事實上，高壓交流輸電系統(tǒng)的地上輸電損耗為7%至15% 。
然而不幸的是，現(xiàn)實情況是直流電與變壓器不兼容，但在分配直流電時仍然需要升高和降低電壓。即使有這種限制，仍然有數十個高壓直流輸電系統(tǒng)存在于當今世界，這是可能的，因為工程師開發(fā)了一種在直流配電中大部分時間使用的解決方法。
例如，如果將交流電傳輸到建筑物中，則將使用變壓器將電壓降壓至所需水平，然后將交流電轉換為直流電，并將直流電分配到整個建筑物。然而，如果需要進一步降低電壓，則需要使用逆變器將電轉換回交流電，然后再使用變壓器降壓，然后再轉換回直流電。當傳輸系統(tǒng)大規(guī)模完成時，這個過程有點麻煩，而且成本高昂。
那么，什么時候值得在整個建筑物或通過傳輸系統(tǒng)分配直流電呢？需要使用低效的解決方法嗎？這個問題的答案取決于以下幾種情況：
在以下情況下，在整個建筑物內分配直流電是值得的：通過將直流電直接分配給設備來節(jié)省能源 > 在交流電轉換為直流電的過程中，低效的驅動器浪費了能源
在以下情況下，通過輸電線路分配高壓直流電是值得的：電力可在水下、地下、陸地上或跨越國界傳輸超過600公里。在這些情況下，在傳輸交流電的過程中會損失足夠的能量，因此整流站的成本是合理的。
為什么直流電源與變壓器不兼容？
這個問題的答案與電力的工作原理有很大關系，但這超出了本文要探討的范圍。如果想了解更多信息，可以查看相關資料。 簡單說就是因為直流電的特性和變壓器的工作原理等等。
當設計出更好的解決方案來升壓、降壓和隔離高壓直流電并使其安全傳輸時，直流電將成為全世界電力系統(tǒng)的標準。一旦技術取得進步，直流輸電的好處將遠遠超過交流輸電的好處。反過來，一旦高壓直流輸電系統(tǒng)標準化，建筑物將獲得直流電，并且將消除從交流電到直流電的低效轉換的需要。
事實上，ScienceDirect上的一項研究重點介紹了如何通過減少電力轉換和促進向高效直流電器的過渡，證明分配直流電是減少商業(yè)建筑用電量的有效方法。在研究中，他們還表明，當太陽能光伏發(fā)電分配給所有家用電器，并且考慮電池存儲多余太陽能時（太陽能提供直流電，電池存儲直流電），住宅建筑可節(jié)省高達25% 的成本。
這些結果很有希望，但建筑物接收直流電的最佳方式是由電網供電。當設計出一種技術解決方案來取代高壓直流輸電系統(tǒng)中昂貴的整流站的需求或降低其成本時，就會發(fā)生這種情況。
2. 直流電智能建筑高效運行的關鍵
如上所述，大多數現(xiàn)代設備和系統(tǒng)都需要直流電，這對于智能建筑或家庭來說也不例外。傳感器、攝像頭、LED燈和智能建筑所需的其他設備均由直流電供電。
智能建筑的設計目標是更加節(jié)能。例如，他們通?？梢允占嘘P環(huán)境質量和空間占用的數據，以便優(yōu)化能源使用。但如果LED照明和HVAC等高消耗設備仍然需要將交流電轉換為直流電，那么能源仍然會被浪費。因此，有專家表示“在我們的許多智能建筑技術真正得到實施之前，我們需要在基本電力方面進行一場革命”。
3. 直流電更安全
無論使用的是交流電還是直流電，都不是絕對安全的。所以一定要采取預防措施，雖然兩者都很危險，但由于以下原因，使用交流電更加危險：
人體對直流電流的阻抗高于交流電流；人類可以承受比交流電更高的直流電壓。簡而言之，交流電會產生交變磁場，可以穿透絕緣體。我們的皮膚是絕緣體（雖然很薄），所以交流電產生的磁場可以超越我們的皮膚，與我們的神經系統(tǒng)發(fā)生反應，這就是我們感受到電擊引起的疼痛的原因。相反，直流電沒有頻率，因此不會產生交變磁場，因此直流電更難以穿透我們的皮膚并與我們的神經系統(tǒng)發(fā)生反應。實驗表明，與交流電路相比，釋放直流電路的帶電部分更容易。當然，這樣可以更輕松地限制接觸有害電壓，因為可以簡單地擺脫電擊源。即使直流電能夠穿透我們的皮膚，交流電的穿透仍然會造成更大的傷害。這是因為交流電本質上的交替行為會導致心臟起搏器神經元發(fā)生心房顫動，而直流電在發(fā)生電擊時可能會導致心臟停頓（由于心室顫動）。兩者聽起來都很可怕。然而，與顫動的心臟（由交流電引起）相比，由直流電引起的恢復正常的機會更大。因此直流電在技術上也更安全。4. 許多直流供電設備本質上是高效的
LED 燈是高效直流供電設備的一個很好的例子；與交流供電的白熾燈相比，它們的能耗減少了 75%。如果建筑物由直流電供電，則建筑物管理者將更有動力將節(jié)能直流供電設備納入其建筑系統(tǒng)。例如，如果建筑物的 HVAC系統(tǒng)配備交流電機，他們可能會決定將其HVAC系統(tǒng)升級為配備更高效的直流電機。直流HVAC電機的運行效率比交流電機至少高50%，因此僅此開關就可以節(jié)省大量能源。將更多的直流配電系統(tǒng)集成到我們的生活方式中會激勵更多能夠提高建筑物內效率的直流供電技術。
更易獲得綠色建筑認證及相關財務激勵
據美國綠色建筑委員會（USGBC）網站介紹，LEED（能源與環(huán)境設計先鋒獎）是全球使用最廣泛的綠色建筑評級體系。一座建筑獲得LEED認證，意味著它已被全球公認為可持續(xù)發(fā)展、成就和領導力的象征。LEED 認證確實為直流供電建筑提供了積分，從而也推動了直流供電建筑在市場上的擴散。
但為什么要關心綠色建筑認證？首先，各個國家都出臺了綠色建筑建設標準，有強制性的節(jié)能規(guī)定。另外，以LEED認證為例，獲得 LEED 認證的好處有：
獲得競爭優(yōu)勢：USGBC網站提到“61% 的企業(yè)領導人認為可持續(xù)發(fā)展會帶來市場差異化并改善財務業(yè)績”。此外，綠色建筑吸引了關心可持續(xù)發(fā)展的潛在員工，因此優(yōu)化工作場所的能源使用有助于使企業(yè)成為理想的工作場所。成為凈零能耗建筑（NZEB）：最近的IPCC報告明確指出，我們需要減少能源消耗，以應對氣候變化。作為回應，越來越多的企業(yè)開始優(yōu)先考慮減少碳排放。事實上，已有100多家企業(yè)和組織簽署了世界綠色建筑委員會的凈零碳建筑承諾，該承諾旨在到2050年實現(xiàn)建筑行業(yè)脫碳。此外，還有200多家企業(yè)簽署了2019年推出的氣候承諾。如亞馬遜和Global Optimism于2019年達成一致，同意到2040年實現(xiàn)脫碳，比《巴黎協(xié)定》的目標提前十年。吸引更高質量的租戶：根據 USGBC 網站，LEED認證的建筑租金最高，綠色建筑的空置率預計比非綠色建筑低4% 。提高管理建筑物性能的能力：LEED 計劃定義了一個框架，建筑物決策者可以遵循該框架來優(yōu)化建筑物的能源消耗。隨著優(yōu)化建筑物能源消耗的能力不斷增強，控制和自動化建筑系統(tǒng)的能力也隨之增強。當你可以控制照明和HVAC等建筑系統(tǒng)時，不僅可以優(yōu)化這些系統(tǒng)的能耗，還可以優(yōu)化室內空間以提高舒適度和空氣質量。數據支持的框架：LEED消除了設計綠色建筑或將現(xiàn)有建筑改造為綠色時的猜測。綠色建筑具有成本效益：雖然優(yōu)化建筑的能源效率最初可能是一項昂貴的投資，但它只是一項投資。通常，將建筑物改造為可持續(xù)的成本，或設計考慮到可持續(xù)性的建筑物的成本，是通過運營最初幾年的節(jié)能來支付的。此外，USGBC還提到，采用LEED框架設計綠色建筑的額外好處包括：對居住者和員工的健康益處、減少污染、減少能源使用和碳排放、節(jié)約用水以及減少浪費。
LEED還補充了LEED 的電網協(xié)調積分，因為太陽能光伏 (PV) 電力系統(tǒng)（如太陽能電池板）提供直流電源。這意味著直流電力信貸還鼓勵人們投資可再生能源。
盡管交流電被選為標準，但那是一個多世紀前的事了。當時，特斯拉在交流配電方面的進步被選為長距離輸電的標準方式，因為它的基礎設施更便宜。交流電長距離傳輸更便宜，因為它與變壓器兼容。正如我們在本文中所討論的，這些站點的效率相對較低，而且價格昂貴。
目前，盡管世界上有一些直流輸電系統(tǒng)，但許多商業(yè)建筑并未連接到任何直流輸電系統(tǒng)。因此，獲得將直流電分配到建筑系統(tǒng)的好處的唯一方法是在本地實施直流配電系統(tǒng)。未來，當直流電技術進一步發(fā)展，直流輸電系統(tǒng)的基礎設施成本降低時，直流電可以直接輸送到建筑物。這將消除負載級別低效電源轉換的需要，從而為我們的許多直流供電設備節(jié)省大量能源。
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