朱一宇，沈 宇，朱祥宏（.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司城市更新研究中心，浙江 杭州 300；.浙江建筑特種技術(shù)工程有限公司，浙江 杭州 300）

中國(guó)提出的“雙碳”目標(biāo)將對(duì)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和居民生活方式產(chǎn)生深刻的變革，綠色清潔能源在未來(lái) 40 a 能源系統(tǒng)的比重也將逐步增加。未來(lái)社區(qū)作為共同富?，F(xiàn)代化基本單元，是以人民美好生活向往為中心，以數(shù)字社會(huì)高效組織生活場(chǎng)景為引領(lǐng)，聚焦人本化、生態(tài)化、數(shù)字化三維價(jià)值的幸福美好家園。低碳場(chǎng)景作為未來(lái)社區(qū)建設(shè)的九大場(chǎng)景之一，對(duì)于推動(dòng)社區(qū)低碳化轉(zhuǎn)型、城市綠色化發(fā)展、地區(qū)碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義?！肮鈨?chǔ)直柔”技術(shù)將提高綠色清潔可再生能源在供電系統(tǒng)中的占比，為整個(gè)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和提供了重要的路徑。

1 “光儲(chǔ)直柔”

“光儲(chǔ)直柔”是在建筑領(lǐng)域應(yīng)用太陽(yáng)能光伏、儲(chǔ)能、直流和柔性四項(xiàng)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，即在建筑中通過(guò)直流母線連接分布式光伏、儲(chǔ)能和可調(diào)用電負(fù)荷實(shí)現(xiàn)市電功率柔性控制。

“光”是分布式太陽(yáng)能光伏。光伏技術(shù)這十幾年有了快速的迭代與進(jìn)步。當(dāng)前量產(chǎn)晶體硅組件的效率已經(jīng)很容易達(dá)到 22% 以上，同時(shí)成本下降到過(guò)去的 1/10。推廣分布式太陽(yáng)能光伏的條件已日趨成熟。

“儲(chǔ)”就是儲(chǔ)能，廣義上說(shuō)有很多種方式，包括電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、抽水蓄能等等。這里重點(diǎn)是指電化學(xué)儲(chǔ)能，如鋰電池儲(chǔ)能，尤其是利用電動(dòng)車(chē)本身的電池。我國(guó)電動(dòng)車(chē)每年的產(chǎn)銷(xiāo)量已達(dá)百萬(wàn)輛，未來(lái)電動(dòng)車(chē)實(shí)現(xiàn)雙向充放電，不僅能滿足電動(dòng)車(chē)的交通工具屬性，也能夠成為電力在末端的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)手段。

“直”就是低壓直流配電系統(tǒng)。隨著建筑中電源和負(fù)載的直流化程度越來(lái)越高，直流供配電是一種更合理的形式。電源側(cè)的分布式光伏、儲(chǔ)能電池等普遍輸出直流電。用電設(shè)備中傳統(tǒng)照明燈具正逐漸被 LED 替代，各種空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、水泵等電機(jī)設(shè)備也更多考慮變頻的需求，此外還有各式各樣電腦、手機(jī)的數(shù)字設(shè)備，這些都是直流負(fù)載。直流供配電技術(shù)對(duì)于提高建筑能源系統(tǒng)效率、提升用戶安全性和使用便捷性、實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的智能控制，以及與電力系統(tǒng)的交互具有重要的作用。

“柔”就是柔性用電。一方面是電器設(shè)備根據(jù)直流母線電壓的波動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出功率，也就是說(shuō)當(dāng)電器設(shè)備感知到外界電力供應(yīng)處于高峰或緊張時(shí)，在滿足舒適條件的同時(shí)，設(shè)備自動(dòng)降低功率運(yùn)行；另一方面是通過(guò)光伏、儲(chǔ)能以及負(fù)荷三者的動(dòng)態(tài)匹配，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的友好對(duì)接。光儲(chǔ)直柔技術(shù)能夠很好解決當(dāng)下電力負(fù)荷峰值突出問(wèn)題以及未來(lái)與高比例可再生能源發(fā)電形態(tài)相匹配的問(wèn)題。

2 “光儲(chǔ)直柔”在低碳場(chǎng)景的應(yīng)用分析

2.1 分布式太陽(yáng)能光伏

老舊小區(qū)的屋頂受到建筑之間相互遮擋較小，屋頂?shù)奶?yáng)輻照條件較好，非常適合布置太陽(yáng)能光伏板。通過(guò)屋頂?shù)墓?jié)能改造，結(jié)合太陽(yáng)能光伏板，能有效阻擋太陽(yáng)對(duì)屋頂?shù)闹苯诱丈?，不僅能發(fā)電，還能隔熱降溫。結(jié)合海綿城市相關(guān)要求合理地引導(dǎo)雨水徑流，可以一次性解決屋頂?shù)谋?、隔熱、排水、滲水等多種問(wèn)題[1]。此外，建筑外墻、車(chē)棚、廊亭等也可以成為分布式太陽(yáng)能的有效載體。

2.2 儲(chǔ) 能

改造更新類未來(lái)社區(qū)中一般可以采取分布式儲(chǔ)能和局部集中儲(chǔ)能相結(jié)合的措施，隨著電池技術(shù)迅速發(fā)展，可通過(guò)不同類型的電池組合滿足社區(qū)局部微電網(wǎng)的功率密度、能量密度要求，而且鋰電池已具備良好的經(jīng)濟(jì)適用性。分布式儲(chǔ)能和局部集中儲(chǔ)能可以在實(shí)現(xiàn)“儲(chǔ)”場(chǎng)景同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)“柔”場(chǎng)景提供基礎(chǔ)。

未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)飛速發(fā)展，我國(guó)將至少擁有 3 億輛以上的電動(dòng)小汽車(chē)。按照目前的配置，這些車(chē)輛每輛配置 50～70 kW·h蓄電池。如果這些車(chē)輛?？繒r(shí)都與充電樁連接，而這些充電樁又接入鄰近建筑的“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)，則就擁有150 億 kW·h/d 的蓄電能。電動(dòng)車(chē)的飛速發(fā)展必將成為消納光伏發(fā)電的主力軍[2]。

2.3 低壓直流配電系統(tǒng)

在建筑配電領(lǐng)域，直流的特性使光伏等分布式能源的接入和協(xié)調(diào)控制更簡(jiǎn)單：實(shí)現(xiàn)“直”發(fā)“直”用，大大減少“逆變上網(wǎng)”“整流用電”環(huán)節(jié)，有效提高了發(fā)電用電效能。

借助改造更新供電設(shè)施改造機(jī)會(huì)，把原有供配電設(shè)備改造為直流型光儲(chǔ)變換器、直交流并網(wǎng)設(shè)備、交直流配電柜，并增加直流保護(hù)/測(cè)量/控制裝置，以及增加監(jiān)控管理系統(tǒng)。生活中的很多數(shù)字設(shè)備其實(shí)都是直流負(fù)載，比如：手機(jī)、電腦等，都能直接使用直流電；可以借此機(jī)會(huì)，配合以舊換新政策，鼓勵(lì)住戶把空調(diào)、照明、冰箱、電扇、洗衣機(jī)等交流電器設(shè)備更新為直流電器設(shè)備，有效提高了太陽(yáng)能發(fā)電的用電效能，減少碳排放[3]。

2.4 柔性用電

通過(guò)對(duì)建筑配電系統(tǒng)的直流改造，使得居民家中末端AC-DC、DC-DC 或者用電設(shè)備的功率可以接受母電電壓的控制，從而實(shí)現(xiàn)柔性調(diào)節(jié)。

同時(shí)，居民家用設(shè)備往往也具有可中斷、可調(diào)節(jié)的特性?？照{(diào)和供熱系統(tǒng)可以利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性能和人對(duì)溫度波動(dòng)的適應(yīng)性來(lái)進(jìn)行短期負(fù)荷功率調(diào)節(jié)，為電力系統(tǒng)提供一定程度的靈活性；電冰箱、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電/熱泵熱水器等也都具有延時(shí)啟動(dòng)、錯(cuò)峰工作的功能。

電動(dòng)汽車(chē)作為“光儲(chǔ)直柔”中“儲(chǔ)”的重要組成部分，同時(shí)也是“柔”的重要組成部分。電動(dòng)汽車(chē)蓄電量大，同時(shí)具備可調(diào)節(jié)性，定時(shí)充電等功能，具備合理選擇充電時(shí)間的條件，在母線電壓過(guò)低時(shí)，可以從汽車(chē)電池中取電，反向?yàn)榻ㄖ╇奫2]。

3 “光儲(chǔ)直柔”在義駕山廣場(chǎng)改造中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

按未來(lái)社區(qū)建設(shè)的要求，規(guī)劃將義駕山停車(chē)場(chǎng)改造成社區(qū)的公共服務(wù)中心和文化廣場(chǎng)。利用廣場(chǎng)的鋼構(gòu)架、文化展示館、立體綠化的改造來(lái)實(shí)現(xiàn)低碳場(chǎng)景。利用“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)建設(shè)太陽(yáng)能光伏、太陽(yáng)能立體綠化灌溉、太陽(yáng)能直流供電、太陽(yáng)能-電動(dòng)自行車(chē)儲(chǔ)能和集中儲(chǔ)能等系統(tǒng)。

3.1.1 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)

應(yīng)用基于 Rhino＋Grasshopper 平臺(tái)的 Ladybug 日照分析工具，對(duì)該太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)布置區(qū)域進(jìn)行日照分析，計(jì)算結(jié)果顯示，該區(qū)域全年日照小時(shí)數(shù)在 1 400 ～ 2 800 h 之間，全年太陽(yáng)輻照強(qiáng)度在 860 ～ 1 400 kWh/m2之間，全年日照小時(shí)數(shù)以及全年太陽(yáng)輻照強(qiáng)度相對(duì)較小區(qū)域出現(xiàn)在社區(qū)文化展示館的左側(cè)區(qū)域。

根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果，本項(xiàng)目選用弱光性能較好的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，單塊面板 1.92 m2，共設(shè)置52 塊，裝機(jī)容量 12.48 kW。碲化鎘具有高弱光性，表現(xiàn)在99% 以上的波長(zhǎng) ＜826 nm 的可見(jiàn)光可被一微米厚的吸收層吸收；在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，碲化鎘材料的吸光系數(shù)達(dá)到105 cm-1以上。在黎明、傍晚以及雨雪天氣這種低照度情況下碲化鎘也能正常發(fā)電[4]。

為了驗(yàn)證碲化鎘薄膜太陽(yáng)能光伏板的弱光性能，在系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行了為期一周的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試依據(jù)為GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中第五章太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)測(cè)試方法，測(cè)量指標(biāo)為光電轉(zhuǎn)換效率。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 1。

表1 義駕山廣場(chǎng)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，碲化鎘確實(shí)在弱光環(huán)境下有較好的光電轉(zhuǎn)換效率，并且部分陰雨天的光電轉(zhuǎn)換效率大于晴天，從而驗(yàn)證了碲化鎘薄膜太陽(yáng)能光伏板具有良好的弱光性能。

此外，該系統(tǒng)在進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電的同時(shí)，能營(yíng)造舒適的室外環(huán)境，成為居民夏季納涼的休閑場(chǎng)所，還能成為義駕山廣場(chǎng)的一道風(fēng)景。

3.1.2 義駕山文化展示館 — 太陽(yáng)能直流供電示范區(qū)

根據(jù)展示館全年太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，展示館屋面輻照強(qiáng)度較好，達(dá)到了全年輻照強(qiáng)度 800 kWh/m2以上。因此考慮對(duì)展示館屋面和圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造。屋面布置太陽(yáng)能光伏瓦，屋面下方設(shè)置防水層、保溫層并增加木梁支撐體系。同時(shí)對(duì)展示館進(jìn)行直流供電系統(tǒng)改造，增加直流供配電系統(tǒng)，其中空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、辦公類電子產(chǎn)品采用直流化產(chǎn)品，提高用能效率的同時(shí)充分利用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。

3.1.3 電動(dòng)自行車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng) ＋ 集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)

團(tuán)隊(duì)考慮在義駕山廣場(chǎng)的文化展示館周邊設(shè)置太陽(yáng)能-電動(dòng)自行車(chē)補(bǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)緊鄰一側(cè)的 110 m2太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，所發(fā)的電能可以直接為電動(dòng)自行車(chē)進(jìn)行充電，惠及周邊居民。安排設(shè)置合理的充電時(shí)間，消納光伏發(fā)電的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)免費(fèi)綠電充電和柔性用電。

如圖 2 所示，義駕山文化展示館附近區(qū)域還設(shè)置集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)多余的太陽(yáng)能光伏發(fā)電電量進(jìn)行消納、調(diào)節(jié)，根據(jù)用能負(fù)荷曲線，能為整個(gè)“光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柔性調(diào)節(jié)。

圖2 義駕山廣場(chǎng)“光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)示意圖

3.1.4 太陽(yáng)能立體綠化灌溉系統(tǒng)

義駕山廣場(chǎng)的南側(cè)是義駕山垃圾分類投放點(diǎn)。為了消除這個(gè)垃圾分類投放點(diǎn)對(duì)義駕山廣場(chǎng)整體環(huán)境的影響，團(tuán)隊(duì)考慮利用立體綠化對(duì)垃圾分類投放點(diǎn)進(jìn)行遮擋。立體綠化不僅從視覺(jué)上對(duì)垃圾分類投放點(diǎn)進(jìn)行了遮擋，也起到調(diào)節(jié)室外舒適度的作用。

立體綠化日常維護(hù)需要提升灌溉。團(tuán)隊(duì)考慮將立體綠化布置在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)附近，并利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電來(lái)直接驅(qū)動(dòng)提升水泵進(jìn)行灌溉。并在太陽(yáng)能光伏板上設(shè)置雨水收集系統(tǒng)，收集雨水用于灌溉。該灌溉系統(tǒng)能合理設(shè)定灌溉時(shí)間，是一套節(jié)水節(jié)能的灌溉系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

“光儲(chǔ)直柔”是實(shí)現(xiàn)建筑碳中和的重要手段。在建設(shè)低碳場(chǎng)景的同時(shí)，積極推進(jìn)“光儲(chǔ)直柔”，通過(guò)“直發(fā)直用，余電上網(wǎng)”的方式提高用電效率，是改造更新類未來(lái)社區(qū)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要路徑之一。同時(shí)提出以下具體建議。

（1）合理選用“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)。在改造更新類未來(lái)社區(qū)中推廣“光儲(chǔ)直柔”要考慮合理性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性，做到既能保證“光儲(chǔ)直柔”長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，又能使得系統(tǒng)配置具有較好的性價(jià)比。

（2）適當(dāng)給予政策激勵(lì)和引導(dǎo)?！肮鈨?chǔ)直柔”是實(shí)現(xiàn)碳中和的主要路徑，所以在推廣之初，政府應(yīng)適當(dāng)給予補(bǔ)貼，鼓勵(lì)居民以及廠家積極參與到“光儲(chǔ)直柔”的應(yīng)用。

（3）創(chuàng)新商業(yè)模式。要設(shè)計(jì)探索多種多樣的“光儲(chǔ)直柔”商業(yè)模式吸引社會(huì)資本參與改造和運(yùn)營(yíng)。并積極地參與到“碳金融”和“碳交易”中去。