打开文本图片集

摘要：为积极应对碳排放带来的全球气候变化问题，助力我国早日实现“碳达峰、碳中和”目标，推动电力行业绿色转型。本文探讨了变电站建筑生产建造阶段和设备运行过程中的碳排放，分析了变电站碳排放的计算方法。根据计算分析结果提出了变电站节能减排措施，通过设备降碳、供能替代、降低耗能和建筑节能，减少变电站的碳排放，达到节能减排的目标。本文的研究成果可为变电站的绿色转型提供参考。

关键词：碳中和;变电站;碳排放;节能减排

中图分类号：     文献标识码：

1 引言

碳达峰、碳中和对全球来说既是一场能源革命，更是一场经济与社会革命[1]。我国是全球最大的发展中国家和碳排放国，正处在工业化和城镇化快速发展的阶段，经济增长快，用能需求大，以煤为主的能源体系和高碳的产业结构，使我国碳排放总量和强度呈现‘双高’[2]。因此，完善碳排放优化方案，服务于以新能源为主体的新型电力系统建设，促进能源绿色低碳发展，对我国的经济高质量发展具有重要意义[3]。同时，随着城市电网的不断发展，绿色环保型变电站已逐渐成为绿色电网建设的重要组成部分[4]。

对于建筑的碳排放量计算，已有学者建立了基于工程消耗量定额和施工机械碳排放因子的CO2排放量计算方法，并以商业建筑和学校建筑2个案例为对象对施工碳排放进行了研究[5]。今年，东南大学正式发布了全国第一款轻量化建筑碳排放计算分析软件[6]，标志着我国建筑碳排放计算已经迈入新的阶段。变电站除了在生产建造阶段会产生大量的碳排放，在设备的运行过程中也会产生较大的碳排放，利用光伏系统可以有效减少碳排放。我国光伏产业全球优势领先，发展新能源的基础好[7]， 上海石化示范性光伏电站成功并网发电，每年可减少碳排放341吨[8]，促进了绿色电网的发展。变电站的电力系统担负着越来越重的节能减排任务[9]，其中电气系统的能源消耗巨大[10]，采取合理的节能减排措施，对低碳环保的变电站建设具有重要的意义。

本文以国网通用设计变电站方案（110-A2-6）为例，探讨了变电站建筑生产建造阶段和设备运行过程中的碳排放，分析了变电站碳排放的计算方法。根据计算分析结果提出了变电站节能减排措施，通过设备降碳、供能替代、降低耗能和建筑节能，减少变电站的碳排放，达到节能减排的目标。

2 建筑生产建造阶段碳排放分析

2.1 计算方法说明

目前，我国已经颁布了《建筑碳排放计量标准》CECS374：2014和《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019两份标准，对建筑的碳排放计算方法进行了规范。本文以国网通用设计方案（110-A2-6）为例，从建筑物的生产和建造阶段对碳排放进行计算，分别对钢结构和混凝土结构梁、柱的生产和建造阶段碳排放进行对比。因无规模完全一样的混凝土站和钢结构站，为了有效对比本计算采样数据对梁、柱截面进行适当简化，以便有效对比。

2.2 材料生产及运输阶段的碳排放计算

材料生产及运输阶段的碳排放应包含建筑主体结构、围护结构和填充体的生产及运输所产生的碳排放。实际上设备的生产和运输也会产生碳排，但由于设备制造过程的碳排放量无从考究，且其比重仅占到1%左右，相比其运行的碳排放量也是微乎其微。为了便于计算，因此不考虑设备生产和运输的碳排放量。建筑生产及运输过程中碳排放计算如式（1）、（2）所示：

（1）

式中：Csc为建筑生产阶段碳排放（kgCO2eq），

Mi为第i种主要建材的消耗量，Fi为第i种主要建材的碳排放因子（kgCO2eq/单位建材数量）。

（2）

式中：Cys为建材运输过程碳排放（kgCO2eq/m2），Mi为第i种主要建材的消耗量（t），Di为第i种建材的平均运输距离（km），Ti为第i种建材的运输方式下，单位重量运输距离的碳排放因子（kgCO2eq/t km）。

2.3 建筑建造阶段的碳排放计算

建筑在建造阶段的碳排放主要包括施工机械的移动、使用、维护和工作人员办公和生活所产生的碳排放。由于施工阶段不可预见因素较多，因此要以主要检测数据或者能源缴费账单、工程建设财务报表等其他能反映能源消耗的材料，作为计算的依据。计算的时间边界从项目开工至竣工验收为止。

（3）

建筑建造阶段碳排放计算如式（3）所示，式中：CJZ为建筑建造过程碳排放总量，Ejzi为建筑建造过程第i种燃料动力总用量，Fi为第i中燃料动力的碳排放因子。其中Ejzi包括：分部分项工程建造能耗Efx及措施项目的能耗Ecs。而Ecs又包括脚手架、模板及支架和垂直运输、建筑物超高等可计算工程量的措施项目、降排水机械类别及其台班消耗量、临时设施（办公、生活）的能耗等。

2.4 不同结构选型碳排放

对建筑生命周期碳排放评价是一项相当复杂的过程，研究结果表明，在相同的条件下，钢结构建筑生命周期碳排放较少。因此在条件允许的情况下，应较多考虑钢结构是减少碳排放的有效措施。本次（110-A2-6）方案不同结构类型生产和建造阶段碳排放比较见下表1。

3设备运行过程中碳排放分析

3.1 变电站用电负荷

变电站站用电耗能可分为长期负荷、间续负荷、随机负荷三类，长期负荷构成的站用电能耗的主体，间续负荷导致站用电能耗的波动，随机负荷决定了站用电功率的最大值。

（1）长期负荷：指变电站正常运行过程中必须24小时不间断供电的负荷，如保护、测控、后台、计量设备等。

（2）间续负荷：指周期性启动的负荷，如空调、风机、加热设备等。

（3）随机负荷：指不定期短时启动的负荷，如断路器及刀闸的动作电机、消防泵等。

由于随机负荷持续时间短，实际能耗占比较小，因此采用屋顶光伏为主的清洁能源配套储能对长期负荷及间续负荷所需能耗进行替代。

3.2 变电站年用电量

以本次方案为例，主要计算照明动力系统和通风空调系统的用电量，详见表2。

3.3 变压器电能损耗

站用变压器容量为200kVA。本工程站用变负载率按13.0%。根据《电力系统设计手册》，主变电站电能损耗计算公式如下式（4）所示，计算参数见表3。

（4）

式中：ΔP0为变压器空载损耗（kW），T为变压器运行时间（h），ΔPC为变压器负载损耗（kW），S为变压器运行容量（MVA），Se为变压器额定容量（MVA），τ为最大负荷损耗小时数（h）。

3.4 光伏系统碳排放分析

针对本方案变电站，在变电站屋顶铺设屋顶光伏系统。充分利用了变电站的屋面和墙面闲置空间资源，从而提高了单位面积发电效率及整个项目的光伏能源利用效率。光伏发电自发自用，余电上网，采用清洁能源发电降低了整个变电站运行的碳排放量，节约了能源。为将来整个智能电网的发展，和能源电力互联网的建设，提供了全新的思路。

采用325Wp柔性薄膜光伏组件，110kV变电站屋顶和墙面光伏总容量为84.5kWp，据此计算并网光伏发电系统的年发电量。根据柔性薄膜太阳电池厂家提供的衰减参数，柔性薄膜太阳电池组件衰减率是10年不超过10%，25年不超过20%，在计算时采用每年衰减0.38%。由光伏发电量计算软件计算出薄膜光伏组件25年总发电量为202.62万kW·h，年平均发电量为8.10万kW·h，年平均发电小时数为977.05h。光伏系统碳中和分析见表4。

4 变电站节能减排措施

4.1 设备降碳

（1）使用天然酯变压器：天然酯来源于植物油，其原料中所含的碳元素是植物从大气中吸收的二氧化碳。天然酯油相比传统矿物油其使用寿命更长，且在其寿命结束后可完全降解，使其材料中的碳元素回到大气中循环。因此天然酯油在其生命周期内基本做到了碳中和。

（2）使用洁净空气绝缘型GIS：为解决六氟化硫碳排放问题，可在电力设备中使用其他绝缘介质替代。洁净空气由80%氮气和20%氧气构成，全球变暖潜能值（GWP）为零。目前已有采用洁净空气作绝缘介质的成熟成套设备。

（3）低损耗主变：针对输变电设备自身损耗，在设备选型时，应优先选用国家、行业推荐的节能、低损变压器及用电设备，降低空载损耗及负载损耗，同时发热量少，对散热的要求降低。

4.2 供能替代

变电站中除变压器矿物油、六氟化硫等碳排放外，还有一类碳排放属于变电站正常运行所必要的电能消耗造成的。最典型的就是变电站站用电耗能。本方案考虑通过光伏、风力来满足这类能耗，光伏发电量基本可完全满足站用电能耗，通过优化建筑结构，强化保温性能，降低冬季加热能耗，可完全实现站用电的清洁能源替代。

按照综合能源站区实际照明需求，布置多功能风光储能一体式绿色环保型智能路灯，代替常规冷光源草坪灯。该路灯具备光伏发电、风力发电、兼储能的功能。并可选装电动汽车交直流充电桩、城市应急广播、LED智能显示器、站内监控设备、环境监测组件、移动网络基站等智能组件，是名副其实的一灯多用、一灯多能。该型风光储能智能路灯具有节能减排、节约环保的特性，后期无大额用电费用，兼具资源节约和坏境友好的优点。且与传统路灯相比，风光储能智能路灯使用天然可再生太阳能和风能作为能源，不消耗任何可再生能源，无污染气体排放，优质安全环保。

4.3 降低耗能

变电站中用电量较大的经常性负荷主要有配电装置室和二次设备室空调用电、设备操作机构中的防露干燥加热。配电装置室和二次设备室空调除满足运行人员工作条件外，主要为大量采用的微电子设备提供适合的工作环境。考虑目前微机保护等电子设备技术日益成熟，对环境温度要求基本能适应大多自然温度条件，综合考虑室内环境温度控制和因环境温度变化引起相对湿度变化对设备的影响，合理配置空调容量。从节约能源角度，提高设备环境适应能力要求是首先需考虑的。

对户内安装电气设备，常规运行条件下一般采用自然对流通风散热，尽可能减少机械通风，既有利节能，也能减少维护工作和噪声污染。设备操作机构中的防露干燥加热，考虑采用温、湿自动控制以降低经常性能耗。照明采用高光效光源和高效率节能灯具以降低能耗。

4.4 建筑节能

建筑节能是指通过合理的建筑设计以及改善建筑围护结构的热工性能，使建筑物室内温度尽可能接近舒适温度、在保证相同的室内热环境指标的前提下，大大提高采暖，空调设备和照明设备效率，减少能耗。在变电站建设中推广和普及低能秏建筑是贯彻国家节能政策的必然选择，将为变电站全寿命周期带来经济效益。

（1）墙体保温：在建筑中，外围护结构的热损耗较大，而墙体又占了很大的份额，所以发展外墙保温技术及采用节能材料是建筑节能的主要实现方式。经计算，本方案中采用挤塑成型水泥纤维板，墙体满足建筑的保温要求。

（2）窗户节能：窗户为节能的薄弱环节，窗户的保温和隔热作用在节能中最重要，因此窗户的设计和施工直接影响着建筑的节能效果。本方案中外窗选用断桥式铝合金窗。由于断热铝合金型材尼龙66隔热条的宽度直接影响着型材的传热系数，玻璃部分的传热系数K值对外窗的保温性能也有很重要的影响，双层中空玻璃的传热能力和双层玻璃的间距直接有关系，因此本方案采用宽度为10mm隔热条、双层中空在线镀膜Low-E玻璃（6+A12+6），保证了窗户的保温和采光性能，如图1所示。

Fig.1 Schematic diagram of energy-efficient Windows

5 结论

为实现“碳达峰、碳中和”目标，本文探讨了建筑生产建造阶段和变电站设备运行过程中碳排放，分析变电站碳排放计算方案，提出了变电站的节能减排措施，具体结论如下：

（1） 变电站建筑生产建造阶段会产生大量的碳排放。在相同的条件下，钢结构建筑生命周期碳排放比钢筋混凝土结构少，因此在条件允许的情况下，应较多考虑钢结构是减少碳排放的有效措施。

（2） 变电站设备运行过程的碳排放具有一定的可控性。长期负荷构成的站用电能耗的主体，间续负荷导致站用电能耗的波动，随机负荷决定了站用电功率的最大值。采用屋顶光伏为主的清洁能源配套储能可以有效减少变电站设备运行产生的碳排放。

（3） 依据变电站碳排放计算方案，提出变电站节能减排措施。使用低碳环保的电气设备，布置多功能风光储能一体式绿色环保型智能路灯，降低设备的能耗，采用保温墙体和节能窗户，可以有效减少变电站的碳排放。

参考文献

中国建设银行原首席经济学家 黄志凌. 深刻理解碳达峰、碳中和背景下的能源行业趋势[N]. 中国经济时报，2021-11-05（003）.

王灿，张雅欣.碳中和愿景的实现路径与政策体系[J].中国环境管理，2020，12（06）：58-64.

许杰，黎珍羽，闫敬德.碳达峰、碳中和目标下工业企业电价承受能力研究——基于对甘肃省工业企业电价承受能力相关数据的测算与比较[J/OL].价格理论与实践：1-4[2021-11-06].

邹仁访. 肇庆电网绿色环保变电站工程建设研究[D].华南理工大学，2011.

吴文伶，刘星，冯建华，石敬斌，耿冬青，周辉.建筑工程施工机械碳排放研究[J].施工技术（中英文），2021，50（13）：118-122.

张娟.全国第一款轻量化建筑碳排放计算分析软件由东南大学正式发布[J].建筑，2021（18）：74.

郭刚.“双碳”目标对建筑业的影响[J].施工企业管理，2021（10）：52-53.陈国华. 紧凑型设备在江西变电站应用前景研究[D].南昌大学，2014.

胡拥军.上海石化首座400 kW光伏电站并网发电 年平均发电量约40万kW·h，可减少碳排放341 t[J].上海化工，2021，46（05）：85.

段京平. 面向低碳目标的城市电网优化规划及决策方法研究[D].华北电力大学，2013.

贺伟.建筑电气照明系统的节能设计分析[J].居业，2019（12）：62-63.

基金项目：2021年国网江苏省电力有限公司经济技术研究院科技项目

作者简介：

张敏（1992-），女，山东人，硕士，经济师，从事电力咨询项目研究与管理工作.

方向（1972-），男，湖南人，本科，高级经济师，从事电力工程技术经济及研究工作。

侍成（1989-），男，江苏人，硕士，工程师，从事电力工程设计及研究工作。

戚文（1991-），男，江苏人，硕士，工程师，从事电力工程设计及研究工作。