建筑物中直流电应取代交流电的5个原因
交流（AC）和直流（DC）电实际上是两种不同类型的电。绝大多数电网都分配交流电，但交流电成为标准已有100多年了。从那时起，情况发生了很大变化。例如，现代建筑中越来越多的电力要么“以直流电形式消耗，要么在被消耗的过程中经历瞬态直流状态”。由于这一点以及直流电的其他固有优势，许多专家一致认为，在商业和住宅电力系统中采用直流电可以打造更安全、更舒适、更节能的建筑。
一项新的研究表明，专家们普遍认为，在商业和住宅建筑中广泛采用直流 (DC) 电力系统可能比交流 (AC) 系统更具有显着优势。这一发现可能有助于改变行业专业人士对直流电的看法，从而有可能带来更安全、更可靠、更节能的建筑。
美国卡内基梅隆大学的布洛克·格拉斯戈 (Brock Glasgo)及其同事调查了来自各个行业和学术领域的17名专家，确定了更广泛采用直流电源系统的优势，同时也承认了其潜在的挑战。
我们社会的电力使用正在迅速变化。尽管可再生能源发电的发展使电网来源变得更加分散，但建筑物中现代电气元件和设备的增加导致电力消耗稳步增长。鉴于这些变化，许多科学家鼓励在商业和住宅建筑中更多地采用直流配电。
格拉斯戈说表示，直流电源的应用具有三个关键方面。“首先，我们现在拥有基于半导体的电力电子设备，可用作DC-DC变压器，并且几乎与现代AC-DC和DC-AC变压器一样高效。其次，我们看到太阳能光伏发电和其他产生直流电的分布式发电源的安装量持续增长。第三，现代建筑中越来越多的电力要么以直流电形式消耗，要么在消耗过程中经历瞬态直流状态。”
对于一些人来说，这些优势证明同时采用交流和直流的电力系统正在变得过于复杂和过时。“通过分配直流电来消除不必要的直流-交流和交流-直流转换不仅可以简化我们的建筑级供电，而且还可以节省能源，”格拉斯戈说。
然而，尽管DC具有技术和经济优势，但它的广泛采用在其他领域面临着重大障碍。通过调查， 格拉斯戈说团队发现了两个最大的障碍：行业专业人士对DC不熟悉，以及市场上DC设备和组件的代表性不足。
“交流电网已经存在了120多年，交流电所有物理组件、设计、维护、施工、运行以及最终用户与输配电系统的交互都基于悠久的历史和物理原理。”格拉斯哥说。“向直流供电建筑的过渡将不仅仅取决于系统本身的技术可行性。”然而，专家们普遍仍对克服这些挑战抱有希望。
格拉斯哥表示：“专家建议对工程师和电工进行直流系统方面的培训，并确定直流配电相对于交流电具有明显优势的利基用例，并建立试点项目，以帮助建立直流设备和组件的市场。” “负责直流电源系统的专业人员以及支持它们所需的市场需要经历重大转型，然后才能使用[直流电源系统]来更高效、安全、可靠地满足未来建筑的需求。”
交流电何时被选择作标准？
直流电是由托马斯·爱迪生发明的。爱迪生于1879年发明了一种可以持续14.5小时的白炽灯泡，并使用直流电为其供电。不久之后，当尼古拉·特斯拉通过他的许多发明普及交流电时，交流电便开始出现了。特斯拉于1893年在芝加哥举行的世界哥伦布博览会上首次展示了他的交流电。特斯拉最终赢得了所谓的“电流之战”，从此交流电一直被用作标准。
但自 19 世纪以来，技术、设备和基础设施发生了巨大变化，这就引出了一个问题：交流电是否仍应成为用电标准？
接下来，我们将简要探讨一下交流电和直流电之间的差异，以及这些差异对于考虑使用直流电为其建筑系统（如照明和HVAC）供电的建筑管理者和设计师意味着什么。
交流电和直流电有什么区别？
本质上，直流电在电压与时间的关系图上沿直线（直接）传播，这意味着它没有频率，并且其电压保持恒定。而与之相反，交流电每秒交替极性50-60次（具体取决于你位于哪个地区）。这也意味着交流电的电压随着时间的推移并不恒定（它会增加和减少）。
所谓频率，即交流电每秒完整交替的次数。下图图表直观地显示了在示波器上查看两种类型的电流的情况：
建筑物中使用直流配电的好处
- 消除对低效电源转换器的需求
- 提升智能建筑系统运行效率
- 直流电处理起来更安全
- 许多直流供电设备本质上都是高效的
- 更易于获得绿色建筑认证和财政补贴
1. 消除对低效电源转换器的需求
如今，越来越多的现代设备使用直流电，包括LED灯、HVAC系统、笔记本电脑、微波炉等。事实上，直流消耗目前约占总能源负荷的32%，在拥有电动汽车和带直流电机的HVAC设备的建筑物中，这一比例可能高达74%。目前，电网将交流电分配给家庭和建筑物，这意味着这些设备必须将获得的交流电转换为所需的直流电。
为了做到这一点，这些设备配备了驱动器和转换器，在不考虑成本的情况下，它们的效率可以达到96%，但当制造商削减生产成本时，首先要牺牲的就是效率。这意味着制造商通常会购买更便宜的驱动程序来生产更便宜的产品。例如，在LED灯中的驱动器效率低的情况很常见。
低效的驱动器本质上是在交流电转换为直流电的过程中以热量的形式消耗能量。有机构专门对不同的LED灯泡进行了比较测试，发现大多数LED灯驱动器效率低下（平均 80%），特别是在住宅照明中。事实上，在转换过程中平均损失了约20%的能量。因此，如果通过直接为这些系统和设备提供直流电源，就不再需要这些低效的驱动器。
为什么交流电是传输系统的标准？
知道了我们今天主要使用直流电源，简单地将直流电源直接分配到建筑物和直流供电设备似乎很合理，并且也有多种不同的方法。而大多数分配隔离直流电源的系统都是通过使用变压器来实现的，变压器有两个主要用途：
- 升高或降低电压
- 隔离电力，提高电路的安全性，并降低电气火灾的风险
但问题是变压器仅适用于交流电，这是交流电的优点之一，也是交流电在高压输电系统中成为标准使用的本质原因。
那么，当直流电与变压器不兼容时，直流配电和输电系统如何使用变压器呢？
如果直流电与变压器兼容，那么直流电将成为配电和输电系统中更便宜、更高效的选择。这是因为，与交流电源相比，直流电源完全由有功功率组成，这意味着当直流电源长距离传输时，几乎不会因电线的电容而产生损耗。事实上，高压交流输电系统的地上输电损耗为7%至15% 。
然而不幸的是，现实情况是直流电与变压器不兼容，但在分配直流电时仍然需要升高和降低电压。即使有这种限制，仍然有数十个高压直流输电系统存在于当今世界，这是可能的，因为工程师开发了一种在直流配电中大部分时间使用的解决方法。
例如，如果将交流电传输到建筑物中，则将使用变压器将电压降压至所需水平，然后将交流电转换为直流电，并将直流电分配到整个建筑物。然而，如果需要进一步降低电压，则需要使用逆变器将电转换回交流电，然后再使用变压器降压，然后再转换回直流电。当传输系统大规模完成时，这个过程有点麻烦，而且成本高昂。
那么，什么时候值得在整个建筑物或通过传输系统分配直流电呢？需要使用低效的解决方法吗？这个问题的答案取决于以下几种情况：
- 在以下情况下，在整个建筑物内分配直流电是值得的：
通过将直流电直接分配给设备来节省能源 > 在交流电转换为直流电的过程中，低效的驱动器浪费了能源
- 在以下情况下，通过输电线路分配高压直流电是值得的：
电力可在水下、地下、陆地上或跨越国界传输超过600公里。在这些情况下，在传输交流电的过程中会损失足够的能量，因此整流站的成本是合理的。
为什么直流电源与变压器不兼容？
这个问题的答案与电力的工作原理有很大关系，但这超出了本文要探讨的范围。如果想了解更多信息，可以查看相关资料。 简单说就是因为直流电的特性和变压器的工作原理等等。
当设计出更好的解决方案来升压、降压和隔离高压直流电并使其安全传输时，直流电将成为全世界电力系统的标准。一旦技术取得进步，直流输电的好处将远远超过交流输电的好处。反过来，一旦高压直流输电系统标准化，建筑物将获得直流电，并且将消除从交流电到直流电的低效转换的需要。
事实上，ScienceDirect上的一项研究重点介绍了如何通过减少电力转换和促进向高效直流电器的过渡，证明分配直流电是减少商业建筑用电量的有效方法。在研究中，他们还表明，当太阳能光伏发电分配给所有家用电器，并且考虑电池存储多余太阳能时（太阳能提供直流电，电池存储直流电），住宅建筑可节省高达25% 的成本。
这些结果很有希望，但建筑物接收直流电的最佳方式是由电网供电。当设计出一种技术解决方案来取代高压直流输电系统中昂贵的整流站的需求或降低其成本时，就会发生这种情况。
2. 直流电智能建筑高效运行的关键
如上所述，大多数现代设备和系统都需要直流电，这对于智能建筑或家庭来说也不例外。传感器、摄像头、LED灯和智能建筑所需的其他设备均由直流电供电。
智能建筑的设计目标是更加节能。例如，他们通常可以收集有关环境质量和空间占用的数据，以便优化能源使用。但如果LED照明和HVAC等高消耗设备仍然需要将交流电转换为直流电，那么能源仍然会被浪费。因此，有专家表示“在我们的许多智能建筑技术真正得到实施之前，我们需要在基本电力方面进行一场革命”。
3. 直流电更安全
无论使用的是交流电还是直流电，都不是绝对安全的。所以一定要采取预防措施，虽然两者都很危险，但由于以下原因，使用交流电更加危险：
- 人体对直流电流的阻抗高于交流电流；人类可以承受比交流电更高的直流电压。简而言之，交流电会产生交变磁场，可以穿透绝缘体。我们的皮肤是绝缘体（虽然很薄），所以交流电产生的磁场可以超越我们的皮肤，与我们的神经系统发生反应，这就是我们感受到电击引起的疼痛的原因。相反，直流电没有频率，因此不会产生交变磁场，因此直流电更难以穿透我们的皮肤并与我们的神经系统发生反应。
- 实验表明，与交流电路相比，释放直流电路的带电部分更容易。当然，这样可以更轻松地限制接触有害电压，因为可以简单地摆脱电击源。
- 即使直流电能够穿透我们的皮肤，交流电的穿透仍然会造成更大的伤害。这是因为交流电本质上的交替行为会导致心脏起搏器神经元发生心房颤动，而直流电在发生电击时可能会导致心脏停顿（由于心室颤动）。两者听起来都很可怕。然而，与颤动的心脏（由交流电引起）相比，由直流电引起的恢复正常的机会更大。因此直流电在技术上也更安全。
4. 许多直流供电设备本质上是高效的
LED 灯是高效直流供电设备的一个很好的例子；与交流供电的白炽灯相比，它们的能耗减少了 75%。如果建筑物由直流电供电，则建筑物管理者将更有动力将节能直流供电设备纳入其建筑系统。例如，如果建筑物的 HVAC系统配备交流电机，他们可能会决定将其HVAC系统升级为配备更高效的直流电机。直流HVAC电机的运行效率比交流电机至少高50%，因此仅此开关就可以节省大量能源。将更多的直流配电系统集成到我们的生活方式中会激励更多能够提高建筑物内效率的直流供电技术。
更易获得绿色建筑认证及相关财务激励
据美国绿色建筑委员会（USGBC）网站介绍，LEED（能源与环境设计先锋奖）是全球使用最广泛的绿色建筑评级体系。一座建筑获得LEED认证，意味着它已被全球公认为可持续发展、成就和领导力的象征。LEED 认证确实为直流供电建筑提供了积分，从而也推动了直流供电建筑在市场上的扩散。
但为什么要关心绿色建筑认证？首先，各个国家都出台了绿色建筑建设标准，有强制性的节能规定。另外，以LEED认证为例，获得 LEED 认证的好处有：
- 获得竞争优势：USGBC网站提到“61% 的企业领导人认为可持续发展会带来市场差异化并改善财务业绩”。此外，绿色建筑吸引了关心可持续发展的潜在员工，因此优化工作场所的能源使用有助于使企业成为理想的工作场所。
- 成为净零能耗建筑（NZEB）：最近的IPCC报告明确指出，我们需要减少能源消耗，以应对气候变化。作为回应，越来越多的企业开始优先考虑减少碳排放。事实上，已有100多家企业和组织签署了世界绿色建筑委员会的净零碳建筑承诺，该承诺旨在到2050年实现建筑行业脱碳。此外，还有200多家企业签署了2019年推出的气候承诺。如亚马逊和Global Optimism于2019年达成一致，同意到2040年实现脱碳，比《巴黎协定》的目标提前十年。
- 吸引更高质量的租户： 根据 USGBC 网站，LEED认证的建筑租金最高，绿色建筑的空置率预计比非绿色建筑低4% 。
- 提高管理建筑物性能的能力：LEED 计划定义了一个框架，建筑物决策者可以遵循该框架来优化建筑物的能源消耗。随着优化建筑物能源消耗的能力不断增强，控制和自动化建筑系统的能力也随之增强。当你可以控制照明和HVAC等建筑系统时，不仅可以优化这些系统的能耗，还可以优化室内空间以提高舒适度和空气质量。
- 数据支持的框架：LEED消除了设计绿色建筑或将现有建筑改造为绿色时的猜测。
- 绿色建筑具有成本效益：虽然优化建筑的能源效率最初可能是一项昂贵的投资，但它只是一项投资。通常，将建筑物改造为可持续的成本，或设计考虑到可持续性的建筑物的成本，是通过运营最初几年的节能来支付的。
此外，USGBC还提到，采用LEED框架设计绿色建筑的额外好处包括：对居住者和员工的健康益处、减少污染、减少能源使用和碳排放、节约用水以及减少浪费。
LEED还补充了LEED 的电网协调积分，因为太阳能光伏 (PV) 电力系统（如太阳能电池板）提供直流电源。这意味着直流电力信贷还鼓励人们投资可再生能源。
尽管交流电被选为标准，但那是一个多世纪前的事了。当时，特斯拉在交流配电方面的进步被选为长距离输电的标准方式，因为它的基础设施更便宜。交流电长距离传输更便宜，因为它与变压器兼容。正如我们在本文中所讨论的，这些站点的效率相对较低，而且价格昂贵。
目前，尽管世界上有一些直流输电系统，但许多商业建筑并未连接到任何直流输电系统。因此，获得将直流电分配到建筑系统的好处的唯一方法是在本地实施直流配电系统。未来，当直流电技术进一步发展，直流输电系统的基础设施成本降低时，直流电可以直接输送到建筑物。这将消除负载级别低效电源转换的需要，从而为我们的许多直流供电设备节省大量能源。
