零碳建筑电气与智能化技术体系研究与构建

 

在全球气候治理与我国“双碳”目标推动下，建筑行业作为碳排放核心领域，零碳转型成为必然趋势。零碳建筑通过优化用能结构、高效利用可再生能源、提升系统智能化水平，实现全生命周期碳排放趋近于零。电气与智能化技术是零碳建筑的核心支撑，贯穿能源生产、供配、消费及监控全过程，但当前存在技术碎片化、系统集成度低、标准不统一等问题，制约了规模化发展。

国家建筑标准设计图集25DX016 – 1《零碳建筑电气与智能化设计》（下文简称《图集》）系统总结零碳建筑电气与智能化各项低碳节能技术，以及零碳建筑电气与智能化设计方法，提供了包括光伏系统、风力发电系统、电化学储能系统等分布式电源、新型供配电系统的设计要点、系统架构、系统设计及工程示例，为零碳建筑电气与智能化设计提供标准化的指导。

本文以《图集》为核心，结合清洁能源产业发展背景，研究零碳建筑电气与智能化技术体系，深化技术体系构建，以期为工程实践提供理论与技术支撑。

>>>>  政策与能源趋势

国家“十四五”规划明确“构建新能源发展顶层设计”，二十大报告深化“能源革命与绿色转型”，2025年施行的《能源法》为清洁能源发展提供制度保障。中国能源领域呈现出以下几个清晰且强劲的趋势：① 可再生能源的飞速发展，集中式与分布式并举；② 煤炭从“主体能源”向“支撑性和调节性能源”过渡的角色转变；③ 终端能源消费电气化率将持续提升；④ 传统以煤电为主的电力系统转向以新能源为主体的新型电力系统等。同时，能源转型也带来了巨大的挑战：① 能源安全与低碳转型的平衡问题；② 电网消纳能力问题；③ 技术经济性问题，储能、氢能等关键技术的成本居高不下，大规模商业化应用难；④ 区域协调问题等。因此，能源转型不仅在发电侧，同时在电网、储能、消费侧以及市场机制方面都在进行系统性改革。

>>>>  清洁能源技术进展

>>  风电技术

2024年，我国风力发电累计并网装机容量达521 GW，大型风力发电设备技术进步显著，相比2014年，风机轮毂高度从100 m提升至160 m，叶轮直径从100 m扩展至250 m，“捕风能力”达到十年前的5倍以上；同时，相关风机技术在低风速领域也在不断发展、提升效率，适配于建筑屋顶、裙楼等场景。当前，部分风电主机厂也在开发适合建筑场景的分布式风电系统应用设备，仅从叶片材料来讲，从玻璃纤维升级到碳纤维，重量可以减轻40 %，主机材质的轻量化将更有利于建筑结构设计。

>>  光伏技术

光伏电池技术迭代趋势（见图1），晶硅电池从第一代、第二代（当前主流电池技术、量产光电转换效率约23 %），向第三代异质结电池（HJT，量产效率超24.5 %）等类型迭代，第四代晶硅 – 薄膜叠层电池还处于技术突破阶段，理论效率达43 %，当前HJT – 钙钛矿叠层电池效率已达31.3 %。光伏产业生态上游是硅料、硅片企业；中游涵盖电池片、组件、逆变器等；下游关联电网和建筑等应用方。转换效率的提升意味着在同等光伏发电量的需求条件下能够降低建筑光伏组件的面积，直接节省材料成本并节约建筑空间。

>>  储能技术

建筑领域以电化学储能应用为主，代表产品有锂离子电池（磷酸铁锂电池）、铅酸（碳）电池、液流电池（全钒液流电池）。2025年，国家发展改革委和国家能源局联合发布《关于深化新能源上网电价市场化改革促进新能源高质量发展的通知》文件明确提出“不得将配置储能作为新建新能源项目核准、并网、上网等的前置条件”，使得建筑领域关于储能的设计可以更加灵活。储能在电力系统发 – 输 – 变 – 配 – 用全环节发挥作用，在建筑场景中可实现峰谷套利、需求侧响应、备用电源等功能。

>>  电网技术

现代电网技术正从传统的“刚性”电网，向数字化、智能化、电力电子化的新型电力系统演进。其技术发展的核心驱动力是服务于“双碳”目标，解决高比例可再生能源接入带来的挑战，最终构建一个源、网、荷、储深度融合,双向互动的智慧能源互联网。而在配用电侧，智能电网技术发展迅速，微电网技术日益成熟，因其既可以与主网并网运行，也可以在主网故障时脱离主网独立运行，特别适用于提高园区、海岛、重要设施的供电可靠性。虚拟电厂技术通过聚合分散的分布式电源、储能系统、可控负荷，整体作为一个“虚拟”的电厂参与电网调度，提供调峰、调频等辅助服务，是解决新能源消纳难题的关键技术，如图2所示。

>>>>  技术背景

当前，国内可执行的相关标准主要有：GB / T 51366 — 2019《建筑碳排放计算标准》；GB / T 51350 — 2019《近零能耗建筑技术标准》；GB / T 50378 — 2019《绿色建筑评价标准》(2024版)；T / CABEE 080 – 2024《零碳建筑测评标准（试行）》；JGJ / T 449 – 2018《民用建筑绿色性能计算标准》；GB 55015 — 2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》；GB / T 16895.35 — 2023 / IEC 60364 – 8 – 1：2019《低压电气装置 第8 – 1部分:功能方面 能源效率》等；国外标准有加拿大《CaGBC Zero Carbon Building Standard v2 Design》《LEED Carbon》等。可以看出，各国都在逐步完善适合本国国情的碳排放技术标准，零碳电气技术理论基础和标准体系已基本形成，但目前行业内缺乏针对零碳建筑电气与智能化系统的专项设计标准与指导文件，设计过程中存在系统集成度低、技术选用不当、能效目标难以量化等问题。

>>>>   适用范围与研究深度

《图集》主要用于指导技术人员了解、掌握建筑电气与智能化各项低碳节能技术，进一步指导技术人员将各种技术进行有机结合，从而优化建筑用能结构，提升能源使用效率，降低建筑运行能耗，推动绿色建筑电气先进技术发展。《图集》旨在实质性推进建筑绿色低碳转型、积极落实国家“双碳”目标，适用范围确定为新建、改建、扩建的低碳、近零碳、零碳建筑，涵盖超低能耗、近零能耗建筑及既有建筑降碳改造，工业建筑可参考使用。

《图集》技术范畴聚焦于建筑领域的零碳建筑电气与智能化相关技术，包括分布式电源（光伏系统、风力发电系统、电化学储能系统）、新型供配电系统（微电网、产消式电气系统）、荷、智（建筑设备监控系统）等。在零碳建筑设计的方案策划阶段、工程设计阶段、产品选型阶段均可使用。

目前已发布和在编的标准中，对于零碳建筑的定义已基本达成一致：指建筑运行阶段实现零碳排放，聚焦于单位建筑运行周期。因此零碳建筑设计是以降低建筑运行碳排放为目的，以实现零碳排放为目标的整体建筑设计策略，涵盖建筑、结构、暖通空调、给排水、电气与智能化、景观等专业。图3为零碳建筑的技术路线全景图，红色点划线框内表达了零碳建筑的电气与智能化主要技术，通过整合能源生产、供配电、智能管控等关键技术，形成零碳建筑的“源 – 网 – 荷 – 储 – 智”的协同架构。

在技术体系构建方面，深入分析电气与智能化技术在零碳建筑中的作用原理、系统构成及技术之间的协同关系，形成完整的技术体系框架。

零碳建筑电气与智能化技术体系通过整合能源生产、供配电、智能管控等关键技术，形成“源 – 网 – 荷 – 储 – 智”的协同架构。该体系立足建筑自身资源与用能需求，以可再生能源高效利用为基础，新型供配电系统为纽带，智能管控为手段，强化各环节技术协同与全周期管控，最终实现建筑能源自给与高效利用的有机统一，为零碳建筑的规模化落地提供系统性技术支撑。

>>>>   能源生产与接入

围绕建筑零碳目标，构建分布式、多能互补的能源生产与接入方式。以太阳能、风能等可再生能源利用为核心，依据建筑场地资源禀赋，合理布局光伏系统，采用BIPV或BAPV模式，同时配置风力发电系统，按容量匹配并网电压。光伏、风电等分布式电源接入建筑供配电系统时，需遵循分布式能源并网的通用技术要求，包括并网接口特性、电能质量控制、安全保护措施等，确保分布式电源与电网间的可靠交互，避免对电网稳定运行产生冲击，并满足相关标准。通过精准组串设计，契合逆变器MPPT电压范围，规范发电量计算，高效采集、转换清洁能源。虽然光伏系统是建筑能源生产的核心来源之一，但建筑环境的复杂性使其面临更高的直流电弧火灾风险。关于光伏系统直流电弧的成因、分类、国内外标准保护要求及针对不同建筑场景（BIPV、屋顶光伏）的防护措施，详见本专栏文章《建筑光伏系统直流电弧保护措施简析》。

零碳建筑配置储能系统是提升光伏系统自消纳率的有效措施，同时储能系统还有支撑离网系统、平滑光伏发电曲线、改善电能质量、动态增容等应用场景。建筑用户侧储能一般采用电化学储能，可选用锂离子电池、铅酸（碳）电池，液流电池等。基于不同应用场景应选择适合的储能电池及进行合理的容量配置。相关研究详见本专栏文章《夏热冬冷地区办公建筑光伏储能系统规划探讨》。

>>>>    新型供配电系统

随着光伏系统、风力发电系统、储能等分布式电源的发展应用，建筑新型供配电系统作为城市电网的补充供电形式，正日益成为满足负荷增长需求和减少环境污染的有效能源供应解决方案。由于新能源的多样性及其不同的应用场景，新型供配电系统体现为多种不同形式，如各种类型的光伏储能并网系统、微电网、光储直柔系统等。《图集》参照IEC相关标准确定新型供配电系统功能，是以最大化消纳可再生能源为目标，通过利用先进能源技术、数字化技术、智能化技术等手段与传统配电系统有机结合，可根据用户需求、环境参数，协调城市电网、本地发电、储能等能源和用电负荷的供需平衡，实现系统安全可靠和成本效益最佳运行。建筑新型供配电系统是零碳建筑实现“源 – 网 – 荷 – 储 – 智”协同的核心系统形态，也是能源互联网的重要组成部分。建筑新型供配电系统相关内容详见本专栏文章《建筑新型供配电系统探讨》。

微电网在全球范围内发展迅速，我国自2018年以来，制定了一系列微电网和分布式电源并网的相关国家、行业、团体标准。如GB / T 42731 — 2023《微电网技术要求》，GB / T 51341 — 2018《微电网工程设计标准》等可作为微电网工程设计的标准规范。这些标准为微电网工程设计提供了基础依据，但随着国内外微电网工程不断进行试点示范和应用，微电网的应用场景还会不断演变，如根据微电网在大电网中扮演的角色，其可以作为虚拟电厂的一个分布式电源并网运行，也可以作为电网故障时重要用户的后备或保障电源。IEC TR 62898 – 4 – 2023《Microgrids — Part 4:Use cases》提供了微电网的用例，可以作为微电网建设的参考。产消式电气系统作为新型供配电体系的一种重要类型，因兼具“能源生产”与“能源消费”双重属性，其安全防护需适配多运行模式下的故障特征。关于产消式电气装置在模式转换、电击防护、热效应防护、过电流保护及系统接地等方面的专项安全要求与实施措施，详见本专栏文章《零碳建筑产消式电气装置安全防护简析》。

负荷能耗预测和功率预测是建立新型供配电系统的重要基础，负荷预测按时间可分为短期、中期和长期预测。负荷预测时间尺度根据设计需要确定。如通过采集不同类型建筑的历史运行数据进行短期负荷预测，用于确定新型供配电系统参与电力需求响应的基线负荷。