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，但交流電成爲標准已有100多年了。從那時起，情況發生了很大變化。例如，現代建築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直流狀態”。由於這一點以及直流電的其他固有優勢，許多專家一致認爲，在商業和住宅電力系統中採用直流電可以打造更安全、更舒適、更節能的建築。
一項新的研究表明，專家們普遍認爲，在商業和住宅建築中廣泛採用直流 (DC) 電力系統可能比交流 (AC) 系統更具有顯着優勢。這一發現可能有助於改變行業專業人士對直流電的看法，從而有可能帶來更安全、更可靠、更節能的建築。
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和學術領域的17名專家，確定了更廣泛採用直流電源系統的優勢，同時也承認了其潛在的挑战。
我們社會的電力使用正在迅速變化。盡管可再生能源發電的發展使電網來源變得更加分散，但建築物中現代電氣元件和設備的增加導致電力消耗穩步增長。鑑於這些變化，許多科學家鼓勵在商業和住宅建築中更多地採用直流配電。
格拉斯戈說表示，直流電源的應用具有三個關鍵方面。“首先，我們現在擁有基於半導體的電力電子設備，可用作DC-DC變壓器，並且幾乎與現代AC-DC和DC-AC變壓器一樣高效。其次，我們看到太陽能光伏發電和其他產生直流電的分布式發電源的安裝量持續增長。第三，現代建築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直流狀態。”
對於一些人來說，這些優勢證明同時採用交流和直流的電力系統正在變得過於復雜和過時。“通過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築級供電，而且還可以節省能源，”格拉斯戈說。
然而，盡管DC具有技術和經濟優勢，但它的廣泛採用在其他領域面臨着重大障礙。通過調查， 格拉斯戈說團隊發現了兩個最大的障礙：行業專業人士對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的交互都基於悠久的歷史和物理原理。”格拉斯哥說。“向直流供電建築的過渡將不僅僅取決於系統本身的技術可行性。”然而，專家們普遍仍對克服這些挑战抱有希望。
格拉斯哥表示：“專家建議對工程師和電工進行直流系統方面的培訓，並確定直流配電相對於交流電具有明顯優勢的利基用例，並建立試點項目，以幫助建立直流設備和組件的市場。” “負責直流電源系統的專業人員以及支持它們所需的市場需要經歷重大轉型，然後才能使用[直流電源系統]來更高效、安全、可靠地滿足未來建築的需求。”
交流電何時被選擇作標准？
直流電是由托馬斯·愛迪生發明的。愛迪生於1879年發明了一種可以持續14.5小時的白熾燈泡，並使用直流電爲其供電。不久之後，當尼古拉·特斯拉通過他的許多發明普及交流電時，交流電便开始出現了。特斯拉於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“電流之战”，從此交流電一直被用作標准。
但自 19 世紀以來，技術、設備和基礎設施發生了巨大變化，這就引出了一個問題：交流電是否仍應成爲用電標准？
接下來，我們將簡要探討一下交流電和直流電之間的差異，以及這些差異對於考慮使用直流電爲其建築系統（如照明和HVAC）供電的建築管理者和設計師意味着什么。
交流電和直流電有什么區別？
本質上，直流電在電壓與時間的關系圖上沿直线（直接）傳播，這意味着它沒有頻率，並且其電壓保持恆定。而與之相反，交流電每秒交替極性50-60次（具體取決於你位於哪個地區）。這也意味着交流電的電壓隨着時間的推移並不恆定（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：
建築物中使用直流配電的好處
- 消除對低效電源轉換器的需求
- 提升智能建築系統運行效率
- 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
- 更易於獲得綠色建築認證和財政補貼
1. 消除對低效電源轉換器的需求
如今，越來越多的現代設備使用直流電，包括LED燈、HVAC系統、筆記本電腦、微波爐等。事實上，直流消耗目前約佔總能源負荷的32%，在擁有電動汽車和帶直流電機的HVAC設備的建築物中，這一比例可能高達74%。目前，電網將交流電分配給家庭和建築物，這意味着這些設備必須將獲得的交流電轉換爲所需的直流電。
爲了做到這一點，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。這意味着制造商通常會購买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爲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，發現大多數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，如果通過直接爲這些系統和設備提供直流電源，就不再需要這些低效的驅動器。
爲什么交流電是傳輸系統的標准？
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築物和直流供電設備似乎很合理，並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都是通過使用變壓器來實現的，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，並降低電氣火災的風險
但問題是變壓器僅適用於交流電，這是交流電的優點之一，也是交流電在高壓輸電系統中成爲標准使用的本質原因。
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，那么直流電將成爲配電和輸電系統中更便宜、更高效的選擇。這是因爲，與交流電源相比，直流電源完全由有功功率組成，這意味着當直流電源長距離傳輸時，幾乎不會因電线的電容而產生損耗。事實上，高壓交流輸電系統的地上輸電損耗爲7%至15% 。
然而不幸的是，現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存在於當今世界，這是可能的，因爲工程師开發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築物中，則將使用變壓器將電壓降壓至所需水平，然後將交流電轉換爲直流電，並將直流電分配到整個建築物。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，然後再使用變壓器降壓，然後再轉換回直流電。當傳輸系統大規模完成時，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築物或通過傳輸系統分配直流電呢？需要使用低效的解決方法嗎？這個問題的答案取決於以下幾種情況：
- 在以下情況下，在整個建築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省能源 > 在交流電轉換爲直流電的過程中，低效的驅動器浪費了能源
- 在以下情況下，通過輸電线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公裏。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。
爲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範圍。如果想了解更多信息，可以查看相關資料。 簡單說就是因爲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並使其安全傳輸時，直流電將成爲全世界電力系統的標准。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標准化，建築物將獲得直流電，並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建築用電量的有效方法。在研究中，他們還表明，當太陽能光伏發電分配給所有家用電器，並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），住宅建築可節省高達25% 的成本。
這些結果很有希望，但建築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中昂貴的整流站的需求或降低其成本時，就會發生這種情況。
2. 直流電智能建築高效運行的關鍵
如上所述，大多數現代設備和系統都需要直流電，這對於智能建築或家庭來說也不例外。傳感器、攝像頭、LED燈和智能建築所需的其他設備均由直流電供電。
智能建築的設計目標是更加節能。例如，他們通常可以收集有關環境質量和空間佔用的數據，以便優化能源使用。但如果LED照明和HVAC等高消耗設備仍然需要將交流電轉換爲直流電，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築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。所以一定要採取預防措施，雖然兩者都很危險，但由於以下原因，使用交流電更加危險：
- 人體對直流電流的阻抗高於交流電流；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，與我們的神經系統發生反應，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並與我們的神經系統發生反應。
- 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，因爲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。這是因爲交流電本質上的交替行爲會導致心髒起搏器神經元發生心房顫動，而直流電在發生電擊時可能會導致心髒停頓（由於心室顫動）。兩者聽起來都很可怕。然而，與顫動的心髒（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%。如果建築物由直流電供電，則建築物管理者將更有動力將節能直流供電設備納入其建築系統。例如，如果建築物的 HVAC系統配備交流電機，他們可能會決定將其HVAC系統升級爲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%，因此僅此开關就可以節省大量能源。將更多的直流配電系統集成到我們的生活方式中會激勵更多能夠提高建築物內效率的直流供電技術。
更易獲得綠色建築認證及相關財務激勵
據美國綠色建築委員會（USGBC）網站介紹，LEED（能源與環境設計先鋒獎）是全球使用最廣泛的綠色建築評級體系。一座建築獲得LEED認證，意味着它已被全球公認爲可持續發展、成就和領導力的象徵。LEED 認證確實爲直流供電建築提供了積分，從而也推動了直流供電建築在市場上的擴散。
但爲什么要關心綠色建築認證？首先，各個國家都出台了綠色建築建設標准，有強制性的節能規定。另外，以LEED認證爲例，獲得 LEED 認證的好處有：
- 獲得競爭優勢：USGBC網站提到“61% 的企業領導人認爲可持續發展會帶來市場差異化並改善財務業績”。此外，綠色建築吸引了關心可持續發展的潛在員工，因此優化工作場所的能源使用有助於使企業成爲理想的工作場所。
- 成爲淨零能耗建築（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。作爲回應，越來越多的企業开始優先考慮減少碳排放。事實上，已有100多家企業和組織籤署了世界綠色建築委員會的淨零碳建築承諾，該承諾旨在到2050年實現建築行業脫碳。此外，還有200多家企業籤署了2019年推出的氣候承諾。如亞馬遜和Global Optimism於2019年達成一致，同意到2040年實現脫碳，比《巴黎協定》的目標提前十年。
- 吸引更高質量的租戶： 根據 USGBC 網站，LEED認證的建築租金最高，綠色建築的空置率預計比非綠色建築低4% 。
- 提高管理建築物性能的能力：LEED 計劃定義了一個框架，建築物決策者可以遵循該框架來優化建築物的能源消耗。隨着優化建築物能源消耗的能力不斷增強，控制和自動化建築系統的能力也隨之增強。當你可以控制照明和HVAC等建築系統時，不僅可以優化這些系統的能耗，還可以優化室內空間以提高舒適度和空氣質量。
- 數據支持的框架：LEED消除了設計綠色建築或將現有建築改造爲綠色時的猜測。
- 綠色建築具有成本效益：雖然優化建築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，將建築物改造爲可持續的成本，或設計考慮到可持續性的建築物的成本，是通過運營最初幾年的節能來支付的。
此外，USGBC還提到，採用LEED框架設計綠色建築的額外好處包括：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、節約用水以及減少浪費。
LEED還補充了LEED 的電網協調積分，因爲太陽能光伏 (PV) 電力系統（如太陽能電池板）提供直流電源。這意味着直流電力信貸還鼓勵人們投資可再生能源。
盡管交流電被選爲標准，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爲長距離輸電的標准方式，因爲它的基礎設施更便宜。交流電長距離傳輸更便宜，因爲它與變壓器兼容。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，但許多商業建築並未連接到任何直流輸電系統。因此，獲得將直流電分配到建築系統的好處的唯一方法是在本地實施直流配電系統。未來，當直流電技術進一步發展，直流輸電系統的基礎設施成本降低時，直流電可以直接輸送到建築物。這將消除負載級別低效電源轉換的需要，從而爲我們的許多直流供電設備節省大量能源。
標題：建築物中直流電應取代交流電的5個原因
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