張 濤 劉曉華 劉效辰 李 浩 陳 琪

(清華大學(xué),北京)

0 引言

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐,需要電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變[1-3]。新型電力系統(tǒng)構(gòu)建不單單是電源側(cè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,更需要源側(cè)與用戶側(cè)協(xié)同起來應(yīng)對風(fēng)電、光電(以下簡稱風(fēng)光電)等高比例可再生電力的波動性?！霸淳W(wǎng)荷儲”多向協(xié)同、靈活互動是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的堅強支撐[4],這一目標(biāo)的實現(xiàn)需要建筑等用戶側(cè)的角色由單純的電力用戶轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂小爱a(chǎn)儲用調(diào)”四位一體功能的復(fù)合體。建筑自身能源系統(tǒng)的革新,一方面是全面電氣化、促進建筑用能結(jié)構(gòu)的低碳化,另一方面也需要建筑能夠成為未來新型電力系統(tǒng)中的柔性節(jié)點,承擔(dān)起與電力系統(tǒng)的供給側(cè)、電網(wǎng)側(cè)友好互動的任務(wù)[5]。

建筑中的空調(diào)系統(tǒng)是用戶側(cè)用電的重要組成,也是電力系統(tǒng)在峰谷調(diào)節(jié)時重點關(guān)注的用電環(huán)節(jié)。電力高峰多為空調(diào)用電高峰導(dǎo)致,例如浙江、湖北等地電力部門統(tǒng)計結(jié)果顯示,夏季空調(diào)降溫用電負(fù)荷占比已近四成,成為電網(wǎng)峰谷差拉大、尖峰負(fù)荷凸顯的重要原因[6-7];未來隨著建筑部門電氣化水平的進一步提升,這種溫度敏感型負(fù)荷在電力負(fù)荷中的占比仍有進一步上升的空間。這樣,當(dāng)從整個電力系統(tǒng)視角認(rèn)識空調(diào)系統(tǒng)的角色時,空調(diào)系統(tǒng)也不再單純是電力系統(tǒng)的用戶,而是可作為電力系統(tǒng)中的用電環(huán)節(jié)起到參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的作用。空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)建目標(biāo)也將發(fā)生變化(如圖1所示),由滿足用戶側(cè)的基本熱濕環(huán)境營造需求、實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的高效運行(服務(wù)于建筑節(jié)能目標(biāo)),進一步轉(zhuǎn)變成電力系統(tǒng)中的柔性用電環(huán)節(jié),使得用戶側(cè)用電能夠更好地響應(yīng)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求,推進“荷隨源變”。為了適應(yīng)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求,建筑側(cè)已采取了蓄冷/蓄熱等方式來響應(yīng)。建筑側(cè)蓄冷是響應(yīng)電網(wǎng)峰谷電價、輔助電力系統(tǒng)峰谷調(diào)節(jié)的重要措施,冰蓄冷、水蓄冷等空調(diào)蓄冷相關(guān)技術(shù)已得到快速發(fā)展[8-10],在蓄冷系統(tǒng)設(shè)計、蓄冷技術(shù)裝置、蓄冷系統(tǒng)的建設(shè)及運行調(diào)控等方面均已非常成熟,支撐了大量蓄冷工程的實際應(yīng)用,例如冰蓄冷、水蓄冷在多座機場航站樓、商業(yè)綜合體等建筑中得到較大規(guī)模應(yīng)用[11-13],對降低建筑自身用電成本、降低空調(diào)冷源總裝機容量等起到了很好的作用。

圖1 新型電力系統(tǒng)視角下建筑用戶及空調(diào)系統(tǒng)的角色轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)模式下空調(diào)系統(tǒng)中的蓄冷多是圍繞電網(wǎng)峰谷電價、保障自身空調(diào)負(fù)荷需求等來設(shè)計、運行,在新型電力系統(tǒng)中,如何將蓄冷與電力系統(tǒng)發(fā)生的變化相結(jié)合,如何將新型電力系統(tǒng)對用戶側(cè)的新要求在空調(diào)系統(tǒng)蓄冷的設(shè)計、運行過程中充分考慮,蓄冷與其他用戶側(cè)蓄能方式有何差異,這些問題都亟需解答。為此,本文針對新型電力系統(tǒng)中建筑側(cè)蓄冷的新要求、蓄冷如何更好地服務(wù)于用戶側(cè)變化等問題開展初步探討,以期在新型電力系統(tǒng)中充分發(fā)揮建筑側(cè)蓄冷的作用、更好地促進電力系統(tǒng)變革目標(biāo)與建筑自身能源系統(tǒng)革新目標(biāo)之間的協(xié)同。

1 新型電力系統(tǒng)對儲能的要求

1.1 新型電力系統(tǒng)對儲能的需求

新型電力系統(tǒng)面臨風(fēng)光電出力不穩(wěn)定、電力供給與負(fù)荷需求兩端難以完全匹配等瓶頸問題,外部風(fēng)光電等可再生電力如何有效消納、建筑側(cè)分布式光伏等可再生電力如何有效消納、如何應(yīng)對風(fēng)光電的波動性等是在新型電力系統(tǒng)中需要設(shè)置儲能資源來應(yīng)對的重要問題。

儲能是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)實時運行調(diào)節(jié)的重要手段,是在一定程度上實現(xiàn)可再生供給與終端負(fù)荷需求之間解耦的重要抓手,能夠為系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)提供有效緩沖空間。從電力系統(tǒng)中儲能應(yīng)對的問題來看,時間尺度上包含長周期、短周期儲能,對應(yīng)有不同的技術(shù)解決方式。例如對于年內(nèi)或季節(jié)尺度上的跨季節(jié)電力供需不平衡問題,需要一些跨季節(jié)儲能的方式如儲氫、跨季節(jié)運行的火電調(diào)峰機組等解決方案;對于日間的儲能需求,抽水蓄能等可作為電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)對手段,蓄電池等可應(yīng)對日間或日內(nèi)不平衡下的儲能需求。這些儲能方式對應(yīng)不同的時間尺度,可用于解決不同體量/時間尺度下的能量調(diào)蓄問題。

單純依靠儲能電池等現(xiàn)有方式實現(xiàn)能源/零碳電力系統(tǒng)的調(diào)蓄,需要投入極大的成本,迫切需要探索經(jīng)濟性合理、可負(fù)擔(dān)的調(diào)蓄方式。為此可探索的路徑包括:一方面尋求降低儲能成本、提高儲能技術(shù)的方式,電池、各類儲能技術(shù)一直是熱門研究領(lǐng)域,未來隨著技術(shù)進步,儲能成本也存在一定下降空間;另一方面則可通過需求側(cè)的靈活調(diào)節(jié)來降低系統(tǒng)對儲能容量的要求,尋求替代的方式來獲得等效儲能的效果,這就使得建筑、電動汽車等用戶側(cè)有望成為重要的等效儲能或調(diào)蓄資源[14-17]。

根據(jù)所處位置的不同,電力系統(tǒng)中可設(shè)置或可利用的儲能資源主要包括電源側(cè)儲能、電網(wǎng)側(cè)儲能和用戶側(cè)儲能(如圖2所示),3種儲能資源發(fā)揮的作用不同,需要對各類儲能資源的合理配置、合理調(diào)度進行整體規(guī)劃。

圖2 新型電力系統(tǒng)中可利用的儲能/等效儲能資源

1) 在電源側(cè)需要有效的儲能手段或組合電源來應(yīng)對風(fēng)光電的波動性。

風(fēng)光打捆、水光打捆等實際上是利用了各類電源間的互補性,有助于降低對電源側(cè)儲能的要求、更好地利用可再生能源[18-19]。為了更好地平衡風(fēng)光電等電源側(cè)出力,電源側(cè)需采用集中儲能方式,例如風(fēng)光電電站均需要設(shè)置一定容量的儲能,來盡可能實現(xiàn)風(fēng)光電電源側(cè)的儲能調(diào)節(jié),一定程度上緩解風(fēng)光電出力的波動性。一些可再生能源發(fā)電方式例如光熱發(fā)電,具有較好的出力特點,自身即可實現(xiàn)太陽能熱量的儲蓄和發(fā)電能力調(diào)節(jié),也是一種在電源側(cè)改善可再生電力波動的手段。

2) 在電網(wǎng)側(cè)需要合理的儲能方式來為電網(wǎng)調(diào)節(jié)提供可利用手段。

整體上協(xié)調(diào)電源與終端用戶間電力的供需平衡,是電力系統(tǒng)調(diào)度調(diào)節(jié)中重要的可利用手段。電網(wǎng)側(cè)常見的儲能調(diào)節(jié)方式包括抽水蓄能電站、壓縮空氣儲能電站、集中式蓄電池電站等,其中抽水蓄能電站可實現(xiàn)非常高的儲能效率,但對地理條件有較高要求,需要蓄水上庫、下庫間具有較大高差[20],一些廢棄礦坑等也有望改造為抽水蓄能電站;目前各地規(guī)劃建設(shè)的抽水蓄能電站規(guī)模達到上億kW,未來可達到4億～5億kW。利用鹽穴開展的壓縮空氣儲能,在儲電、放電過程中由于空氣壓縮、高壓空氣釋放等導(dǎo)致大量的冷熱產(chǎn)生,需對冷熱進行有效利用以提高系統(tǒng)綜合性能。

3) 在用戶側(cè)充分挖掘其具有的等效儲能資源來實現(xiàn)負(fù)荷柔性可調(diào)、輔助電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

用戶側(cè)如建筑、交通領(lǐng)域全面電氣化會帶來終端用電需求的進一步增長,而終端用戶具有的儲能能力也需要得到進一步重視。終端用戶的特點是單個體量較小,遠(yuǎn)小于大規(guī)模電站的能量調(diào)度能力,但其特點是具有海量用戶、擁有海量的可調(diào)節(jié)等效儲能資源。用戶側(cè)的電動汽車、電器設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng),甚至分布式蓄電池等,都有望成為用戶側(cè)可挖掘的儲能資源。當(dāng)前電網(wǎng)與用戶互動的重點也包括車網(wǎng)互動、對建筑空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等方向[21-23],未來需要進一步解決用戶自身等效儲能能力的充分挖掘、電網(wǎng)與海量用戶之間有效互動等關(guān)鍵問題。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)可發(fā)揮的儲能作用

暖通空調(diào)系統(tǒng)是用戶側(cè)用電的重要組成,也是當(dāng)前電力系統(tǒng)對用戶側(cè)調(diào)節(jié)的重點環(huán)節(jié)。電力部門已初步開展建筑空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)管理工作,通過在夏季用電負(fù)荷高峰期對空調(diào)系統(tǒng)的冷源進行有效調(diào)節(jié),例如在中午需求側(cè)響應(yīng)時間(1 h)內(nèi),通過提高制冷機供水溫度等方式,即可在基本保障末端空調(diào)溫度調(diào)節(jié)需求的情況下實現(xiàn)空調(diào)用電負(fù)荷的顯著降低[24]。而從空調(diào)系統(tǒng)的多環(huán)節(jié)組成特點出發(fā),可對其具有的等效儲能能力進一步刻畫(如圖3所示),以便對空調(diào)系統(tǒng)可發(fā)揮的儲能調(diào)節(jié)效果形成整體認(rèn)識,更好地服務(wù)于電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。

1) 室內(nèi)末端側(cè)。

主要通過室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)的可調(diào)節(jié)、建筑圍護結(jié)構(gòu)自身蓄能特征及末端處理設(shè)備(如空氣處理機組、新風(fēng)處理機組)的柔性運行等來實現(xiàn)柔性用能。室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)層面,實際上溫濕度、CO2濃度均可在一定范圍內(nèi)變化(例如溫度可在±1 ℃、±2 ℃范圍內(nèi)變化,相對濕度可在±5%、±10% 范圍內(nèi)變化,CO2濃度也可在較大范圍內(nèi)變化,當(dāng)然部分環(huán)境參數(shù)控制要求嚴(yán)苛的場合其參數(shù)允許的變化范圍相對較小),這種可變參數(shù)本身就為柔性用電提供了重要的可調(diào)空間,是空調(diào)系統(tǒng)能夠發(fā)揮等效儲能能力的重要基礎(chǔ);建筑本體/圍護結(jié)構(gòu)具有熱慣性,與不同空調(diào)末端結(jié)合也可進一步發(fā)揮蓄能效果,例如混凝土輻射地板可通過提前供冷、預(yù)冷或預(yù)熱等方式實現(xiàn)小時級的熱量轉(zhuǎn)移、蓄存釋放。

2) 輸配系統(tǒng)側(cè)。

可通過管道中冷熱水的蓄存能力和輸配系統(tǒng)中水泵、風(fēng)機的變頻運行等來獲得等效儲能能力。例如一些空調(diào)系統(tǒng)運行時在冷源系統(tǒng)關(guān)閉一段時間后仍能維持末端環(huán)境參數(shù),就是利用了管道中蓄存的冷水所發(fā)揮的蓄冷作用;輸配系統(tǒng)的風(fēng)機、水泵可利用末端參數(shù)的容許變化范圍來改變自身運行特征,通過變頻運行等柔性調(diào)節(jié)模式來響應(yīng)柔性用電目標(biāo)。

3) 冷熱源側(cè)。

主要通過蓄冷蓄熱來獲得蓄能能力,也可利用冷水水溫調(diào)節(jié)等適應(yīng)功率調(diào)節(jié)需求。冷水水溫調(diào)節(jié)(如在需要降低用電功率時適當(dāng)提高冷水供水溫度)等方式仍是從空調(diào)系統(tǒng)整體出發(fā)、結(jié)合末端參數(shù)可調(diào)等實現(xiàn)的整體等效蓄能效果,而蓄冷蓄熱則是冷熱源側(cè)的主動蓄能方式。建筑側(cè)蓄冷是建筑自身空調(diào)用電主動適應(yīng)電力供給特征的重要措施,多是根據(jù)峰谷電價、空調(diào)負(fù)荷特點進行系統(tǒng)設(shè)計、運行。建筑側(cè)水蓄冷、冰蓄冷等相關(guān)技術(shù)已發(fā)展得十分成熟,在當(dāng)前新型電力系統(tǒng)建設(shè)視角下,需要進一步認(rèn)識對建筑側(cè)蓄冷的新要求,充分發(fā)揮蓄冷的作用。

2 對蓄冷的新要求與新認(rèn)識

2.1 對建筑側(cè)蓄冷的新要求

冰蓄冷/水蓄冷系統(tǒng)是空調(diào)系統(tǒng)中常見的蓄冷手段,分別從空調(diào)系統(tǒng)視角和新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的視角出發(fā)時,會對這些建筑側(cè)蓄冷方式的基本要求、擬實現(xiàn)的目標(biāo)等產(chǎn)生不同認(rèn)識(如圖4所示)。建筑側(cè)蓄冷的基本目的仍以滿足建筑自身空調(diào)供冷需求為基礎(chǔ),目前的設(shè)計方法、運行模式等也多是從滿足空調(diào)系統(tǒng)自身需求和適應(yīng)電力削峰填谷等要求出發(fā),在設(shè)計容量選取、實際運行中也以上述目標(biāo)為邊界條件。例如根據(jù)峰谷電價、空調(diào)系統(tǒng)自身負(fù)荷特點來確定蓄冷的容量,負(fù)荷容量選取多以空調(diào)尖峰負(fù)荷的消減作為指標(biāo),根據(jù)降低冷源設(shè)備總?cè)萘客度?、?fù)荷消減率、利用峰谷電價差獲得經(jīng)濟收益等來確定所需的蓄冷系統(tǒng)容量。制冷機在電價低谷時蓄存冷量,冷負(fù)荷高峰或電價高峰時由蓄冷系統(tǒng)釋冷、基載制冷機供冷甚至雙工況制冷機(可同時運行在蓄冷工況和常規(guī)供冷工況)供冷來聯(lián)合滿足要求。

圖4 從新型電力系統(tǒng)視角認(rèn)識空調(diào)系統(tǒng)中蓄冷的作用[25]

在蓄冷系統(tǒng)實際運行中,也根據(jù)上述設(shè)計確定的系統(tǒng)形式、運行目標(biāo)來確定合理的運行模式。根據(jù)實際峰谷電價特點,蓄冷系統(tǒng)可根據(jù)建筑實際冷負(fù)荷特點、蓄冷系統(tǒng)容量、冷源系統(tǒng)的運行性能等來實現(xiàn)運行模式的優(yōu)化,通常情況下蓄冷系統(tǒng)的運行以充分利用峰谷電價差、充分將蓄存的冷量在電價高峰時段釋放來實現(xiàn)運行經(jīng)濟性的提升。例如很多蓄冷系統(tǒng)的運行模式為夜間電價低谷時段蓄冷(此時通常為建筑側(cè)空調(diào)冷負(fù)荷需求的低谷,冷負(fù)荷需求可利用基載制冷機等滿足),而在日間負(fù)荷高峰時段(如下午,也通常為電價高峰時段)盡量依靠蓄冷系統(tǒng)釋冷并結(jié)合其他制冷機供冷來應(yīng)對冷負(fù)荷高峰,其余時段則可根據(jù)負(fù)荷需求和系統(tǒng)運行特點來確定合理的運行模式。

當(dāng)以成為新型電力系統(tǒng)中的終端有效儲能資源為目標(biāo)時,建筑側(cè)蓄冷的功能、任務(wù)目標(biāo)也會發(fā)生變化。新型電力系統(tǒng)的特點之一為電源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化:集中電源中風(fēng)光電大比例增加,需要電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)置大量儲能調(diào)蓄資源應(yīng)對;建筑等分布式光伏可再生電力大幅增加,有效消納建筑自身的分布式光伏也需要建筑自身具備一定的儲能能力。從整個新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過程來看,建筑等終端用戶有望成為電力“產(chǎn)儲用調(diào)”的復(fù)合體,將建筑變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)中柔性用電節(jié)點的目標(biāo)也迫切需要終端側(cè)具備一定的儲能能力。這樣,建筑側(cè)蓄冷的目標(biāo)就不再僅局限于服務(wù)建筑自身空調(diào)需求或響應(yīng)峰谷電價獲取經(jīng)濟收益,而是應(yīng)從整個新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建目標(biāo)出發(fā),從使得用戶側(cè)能夠更好地滿足“產(chǎn)儲用調(diào)”四位一體的柔性用電終端出發(fā),重新認(rèn)識其系統(tǒng)設(shè)計、運行的基本要求。

當(dāng)從成為電力系統(tǒng)中柔性節(jié)點的目標(biāo)出發(fā)時,建筑側(cè)蓄冷的任務(wù)需要考慮自身分布式光伏消納、協(xié)助外部風(fēng)光電可再生電力消納、實現(xiàn)建筑自身電力的柔性調(diào)節(jié)等方面的需求。例如考慮自身分布式光伏消納時,建筑光伏發(fā)電量的高峰時刻多與空調(diào)冷負(fù)荷的高峰時刻相近,此時蓄冷容量的設(shè)計也將轉(zhuǎn)變?yōu)樵谌臻g消納多余光伏電力,同時需要與系統(tǒng)中的冷源設(shè)備配合來滿足空調(diào)冷負(fù)荷需求,蓄冷系統(tǒng)需要根據(jù)此目標(biāo)來重新選取容量、確定系統(tǒng)運行模式。當(dāng)以實現(xiàn)建筑自身用電的柔性調(diào)節(jié)能力為目標(biāo)時,蓄冷系統(tǒng)也應(yīng)考慮到空調(diào)用電的柔性調(diào)節(jié)能力,將響應(yīng)外部電力供給特點等要求體現(xiàn)在蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計、運行中。

2.2 應(yīng)對新要求——從系統(tǒng)設(shè)計到運行使用模式

新型電力系統(tǒng)構(gòu)建對建筑側(cè)蓄冷提出了新要求,當(dāng)以成為電力系統(tǒng)中的柔性用戶、更好地滿足終端用戶柔性用電需求為目標(biāo)時,建筑側(cè)蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計容量、系統(tǒng)配置、運行模式等均會產(chǎn)生變化,需要在以往僅考慮峰谷電價、系統(tǒng)冷負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上進一步考慮其作為電力系統(tǒng)中用戶側(cè)可調(diào)節(jié)儲能資源這一新角色的新要求。

1) 容量設(shè)計方面。

在滿足建筑空調(diào)冷負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上,蓄冷需要根據(jù)目標(biāo)來確定適宜的容量,從單純峰谷電價差驅(qū)動的容量優(yōu)選轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合電力供給特點和柔性調(diào)節(jié)目標(biāo)來綜合考慮系統(tǒng)蓄冷容量的配置。例如以消納建筑自身多余光電或消納外部風(fēng)光電基地供給的可再生電力為目標(biāo)時,光伏電力高峰時刻通常與空調(diào)冷負(fù)荷高峰時刻相近,而無光伏電力時多為夜間,此時可考慮將建筑夜間的空調(diào)冷負(fù)荷作為蓄冷系統(tǒng)容量選取的目標(biāo),將夜間空調(diào)冷負(fù)荷轉(zhuǎn)移至白天光伏電力高峰時來有效消納多余的可再生電力,而在可再生電力低谷時利用蓄冷系統(tǒng)來應(yīng)對此時全部或部分空調(diào)冷負(fù)荷需求(如圖5所示)。這樣,蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計容量就與可再生電力的供給特點相一致,能夠更好地發(fā)揮建筑側(cè)蓄冷作為電力系統(tǒng)中調(diào)蓄資源的潛力。此外,蓄冷作為建筑側(cè)等效儲能資源的一部分,還應(yīng)當(dāng)考慮其與建筑中其他可利用儲能資源的配合,例如電動汽車充電樁、電器設(shè)備、分布式蓄電池等資源,均可作為建筑中可利用的等效儲能資源。如何使得蓄冷這一空調(diào)系統(tǒng)層面的重要蓄能資源與各類等效儲能資源有效協(xié)同,共同發(fā)揮建筑終端的柔性用電能力,尚需進一步研究。

圖5 空調(diào)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)視角下對蓄冷的不同認(rèn)識

2) 系統(tǒng)配置方面。

需要根據(jù)新的容量配置目標(biāo)、系統(tǒng)冷負(fù)荷需求來確定制冷機配置。例如以消納日間多余光伏電力為主要任務(wù)時,日間光伏電力高峰時通常對應(yīng)的也是空調(diào)冷負(fù)荷的高峰,此時系統(tǒng)中制冷機的配置既需要有消納多余光伏電力的蓄冷機組,也需要能夠滿足系統(tǒng)冷負(fù)荷需求的制冷機,此時系統(tǒng)的總制冷機容量配置是否會偏高?冷源的整體利用率是否會偏低?如何將消納可再生電力的目標(biāo)與系統(tǒng)冷源容量合理設(shè)置的目標(biāo)有效結(jié)合?這些問題還需要進一步結(jié)合可再生電力消納、自身冷負(fù)荷需求等特點來解決。

3) 系統(tǒng)運行模式方面。

任務(wù)目標(biāo)的轉(zhuǎn)變也會導(dǎo)致蓄冷系統(tǒng)的運行模式發(fā)生轉(zhuǎn)變,如圖6所示。為了將日間電價高峰時段的空調(diào)冷負(fù)荷“搬運”至夜間電價低谷時段,蓄冷系統(tǒng)原有運行模式多為夜間蓄冷、日間釋冷;當(dāng)前一些地區(qū)的峰谷電價已不單純是夜間為低谷電價,在日間中午時段也可能出現(xiàn)低谷電價,這也反映出光電等可再生電力占比增加后電力供給特點發(fā)生了改變,需要建筑側(cè)蓄冷系統(tǒng)在設(shè)計、運行中充分適應(yīng)這種電力供給特點的變化。當(dāng)以消納日間光伏電力為目標(biāo)時,蓄冷系統(tǒng)需要在日間空調(diào)負(fù)荷高峰時段運行,此時需要蓄冷冷源、供冷冷源等同時運行,一方面滿足空調(diào)冷負(fù)荷需求,另一方面滿足消納多余光伏電力的目標(biāo);非光伏電力時段,可根據(jù)空調(diào)冷負(fù)荷需求與冷量蓄存容量來確定合理的運行模式,例如在夜間無光伏可再生電力時,可將日間蓄存的冷量釋放出來,滿足部分或全部夜間空調(diào)供冷需求。這樣,蓄冷系統(tǒng)的運行才能更好地適應(yīng)可再生電力的變化特點,使得用戶側(cè)的空調(diào)用電需求更好地與可再生發(fā)電特點相匹配。

圖6 不同視角下蓄冷系統(tǒng)運行模式的差異

3 蓄冷與蓄電

3.1 建筑側(cè)等效儲能資源

從新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建要求和對各環(huán)節(jié)的儲能需求來看,建筑等用戶側(cè)可利用的等效儲能資源主要包括蓄電池類(分布式蓄電)、蓄冷/蓄熱類(空調(diào)系統(tǒng)、建筑本體圍護結(jié)構(gòu))、電動汽車+充電樁(與建筑配電系統(tǒng)互聯(lián)互通)、電器設(shè)備類(如可調(diào)節(jié)的柔性電器),如圖7所示。這些儲能/等效儲能資源既有本身蓄能能力、可調(diào)節(jié)能力的差別,又在很大程度上受到建筑服務(wù)功能、建筑自身特點的影響,需要在利用用戶側(cè)儲能資源過程中加以區(qū)分。

圖7 建筑中儲能資源的分類及影響因素

1) 從可利用儲能的確定性和可調(diào)度程度來看,建筑側(cè)可利用的等效儲能資源中,蓄冷/蓄熱、單獨設(shè)置的蓄電池是確定的可利用儲能資源。蓄電池可完全服務(wù)于用戶側(cè)柔性用電調(diào)節(jié),在滿足用戶空調(diào)需求的基礎(chǔ)上蓄冷/蓄熱也可作為建筑空調(diào)系統(tǒng)柔性調(diào)節(jié)的重要手段來響應(yīng)柔性調(diào)節(jié)指令。在對建筑等用戶側(cè)的儲能資源進行合理配置時,也應(yīng)重點考慮蓄冷/蓄熱、蓄電池等這類具有確定性、可被調(diào)用的儲能資源,作為發(fā)揮建筑柔性調(diào)節(jié)能力的重要基礎(chǔ)資源。而與建筑配電系統(tǒng)互聯(lián)互通的電動汽車(含充電樁)、建筑中可發(fā)揮儲能能力的電器設(shè)備,很大程度上是具有不確定性的可利用儲能資源,均需要在滿足用戶使用需求的基礎(chǔ)上再考慮發(fā)揮其可利用的儲能潛力。這兩類等效儲能資源的使用模式、可調(diào)節(jié)潛力等受到建筑使用模式、人員使用規(guī)律等多種因素影響,例如電動汽車的出行使用特征、停留規(guī)律等很大程度影響了其與建筑配電系統(tǒng)有效交互的能力;各類電器設(shè)備的使用行為也會影響其可利用的調(diào)節(jié)潛力。在利用這些等效儲能資源時,需要在考慮其使用特征的基礎(chǔ)上再利用其可調(diào)能力。

2) 用戶側(cè)各類儲能資源的等效儲能成本,也是很重要的影響因素。盡管分布式蓄電池可有最直接的儲能調(diào)節(jié)效果,但通常其成本最高,1 W·h的投入成本可達1～2元;盡管隨著電池技術(shù)的不斷突破,未來其成本有一定下降空間,但這種化學(xué)儲能電池的投資尚難以支撐未來大規(guī)模儲能的需求。蓄冷雖然僅可在空調(diào)系統(tǒng)層面發(fā)揮蓄能調(diào)節(jié)效果,但其投入成本(例如水蓄冷的初投資成本約在0.1～0.3元/(W·h),冰蓄冷的投資成本約在0.3～0.4元/(W·h)[26])要顯著低于蓄電池,這也使得其有望成為用戶側(cè)等效儲能資源的重要選項。對于充電樁+電動汽車的等效儲能方式,盡管不需要為汽車電池額外投入,但需要適宜的充電樁作為接口、需要適宜的充放電運行調(diào)節(jié)策略。建筑中的設(shè)備電器作為等效儲能資源,也幾乎無額外投入,但需要在合理使用模式、建筑自身功能保障基礎(chǔ)上,進一步考慮其可利用的調(diào)節(jié)能力。

3.2 建筑側(cè)蓄冷與蓄電

從實現(xiàn)建筑柔性用電的目標(biāo)來看,與蓄電相比,蓄冷可發(fā)揮的作用受到限制(如圖8所示):蓄冷僅能解決空調(diào)系統(tǒng)的柔性調(diào)節(jié)問題,對應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)部分的功率、能量調(diào)節(jié)能力;蓄冷系統(tǒng)輸入的是電力,輸出的是冷水(冷量),僅能通過蓄存電力來解決空調(diào)需求(電力→熱力)。而蓄電則可適用于對整個建筑用電功率、能量的調(diào)節(jié),服務(wù)于建筑中所有用電環(huán)節(jié)的能量柔性目標(biāo),蓄電池是實現(xiàn)電力蓄存、釋放的有效措施(電力→電力)。

圖8 建筑中蓄冷與蓄電發(fā)揮作用的對比示例[27]

蓄冷可發(fā)揮多大的功率、能量調(diào)節(jié)作用,與建筑功能類型、使用特征、空調(diào)負(fù)荷需求等密切相關(guān)。以某辦公建筑為例,根據(jù)其逐時用電負(fù)荷(空調(diào)用電負(fù)荷和其他用電負(fù)荷)、蓄冷(折合電量)和蓄電同等容量投入下的柔性用電效果,可對比蓄冷與蓄電的差異[27]。在供冷季蓄冷可用于解決空調(diào)冷負(fù)荷/空調(diào)用電的柔性調(diào)節(jié)問題,但由于蓄冷僅能應(yīng)對空調(diào)負(fù)荷部分的柔性調(diào)節(jié)需求,且空調(diào)負(fù)荷逐日、逐時波動特征使得蓄冷可發(fā)揮的效果要低于蓄電。定義同等容量下蓄冷與蓄電發(fā)揮的柔性用電效果之比為二者的等效系數(shù)α,上述案例中的等效系數(shù)在0.6左右(供冷季)。這就說明在同等容量(等效電量)投入的情況下,1份蓄冷可發(fā)揮的柔性用電調(diào)節(jié)效果僅能相當(dāng)于約0.6份的蓄電;當(dāng)進一步考慮空調(diào)蓄冷僅能在供冷季發(fā)揮作用而蓄電可在全年發(fā)揮作用時,蓄冷、蓄電二者的差異更加顯著,上述等效系數(shù)也會進一步降低。當(dāng)然這一等效系數(shù)與建筑用電負(fù)荷構(gòu)成情況、用電柔性需求目標(biāo)等因素相關(guān),但仍可說明蓄冷與蓄電在實現(xiàn)柔性用電調(diào)節(jié)方面的差異。

從使得用戶具有等效儲能能力、滿足建筑側(cè)柔性用電的目標(biāo)來看,蓄冷、蓄電均是可選的方式,但在實際工程中還需要關(guān)注如何合理選取這兩種儲能方式,二者的主要區(qū)別見圖9。

圖9 建筑中蓄冷與蓄電的比較

1) 從使用場景和發(fā)揮效果來看,蓄冷僅用于空調(diào)系統(tǒng)的柔性調(diào)節(jié),而蓄電可服務(wù)于建筑整體的柔性用電目標(biāo),因而考慮蓄冷容量發(fā)揮的效果時,需考慮其與蓄電之間的差異,可通過等效系數(shù)的方法來刻畫這種差異,該系數(shù)受不同類型建筑、不同運行模式的影響。

2) 從能量蓄存、釋放效果來看,二者均為輸入電力,但蓄冷僅能蓄存電力、釋放冷量,蓄存、釋放效率(損失)主要受到保溫效果的影響,會有一定的冷量損失(日冷量損失大約在2%水平[28]);蓄電池可實現(xiàn)電力的蓄存、釋放,但其蓄存、釋放效率也僅在0.9左右,存在10%左右的能量損失。蓄冷、蓄電均可實現(xiàn)能量的多次蓄存、釋放,如冰蓄冷、水蓄冷的蓄存、釋放次數(shù)可滿足空調(diào)系統(tǒng)10年以上的使用需求;蓄電池雖有循環(huán)壽命限制,但鋰電池的循環(huán)次數(shù)已可達上千次,也可較好地滿足建筑側(cè)蓄能的使用需求。

3) 從投入成本來看,蓄冷的初投資會顯著優(yōu)于蓄電(折合到單位W·h電量),即便進一步考慮到蓄冷可發(fā)揮的電力蓄放作用要小于蓄電,考慮蓄冷的等效折算系數(shù)后,當(dāng)前蓄冷的經(jīng)濟性仍要優(yōu)于蓄電;當(dāng)然未來隨著蓄電的成本進一步降低,二者的初投資比會有一定改觀。

4) 從蓄存能量密度、占地等方面來看,蓄電具有極高的能量密度,所需的占地面積要顯著小于蓄冷。蓄冷的能量密度與蓄冷介質(zhì)密切相關(guān),水蓄冷的單位體積能量密度約在0.04 MJ/L(以10 ℃水循環(huán)溫差為例),冰蓄冷方式則可達約0.3 MJ/L(冰的相變潛熱約為335 kJ/kg),一些新開發(fā)的蓄冷介質(zhì)的能量密度也可達0.1～0.2 MJ/L[29]。而蓄電池的能量密度通?？蛇_0.8～0.9 MJ/L,甚至更高。蓄電池的能量密度通?？杀刃罾浞绞礁?個量級,在減少蓄能系統(tǒng)的占地面積上具有顯著優(yōu)勢。

5) 從實際運行管理、安全性要求等方面來看,建筑側(cè)水蓄冷、冰蓄冷一般與空調(diào)系統(tǒng)的制冷站統(tǒng)一設(shè)置,由專門的人員運維管理,安全性較高。建筑側(cè)分布式蓄電池尚處于發(fā)展階段,已有的建筑側(cè)蓄電如不間斷電源(UPS)多作為備用電源,電池類型(如鉛酸電池)、充放特性與可在建筑電力系統(tǒng)中多次充放的分布式蓄電有明顯區(qū)別,還需要在適宜的蓄電方式上進一步探索。在當(dāng)前蓄電池發(fā)展方向仍以鋰電池為主的趨勢下,對建筑側(cè)蓄電的安全性仍有非常高的要求,還需要進一步探索在滿足蓄電需求下同時保證安全性的技術(shù)措施,以便進一步促進建筑側(cè)分布式蓄電方式的發(fā)展。

從上述建筑側(cè)蓄冷、蓄電方式的綜合性能對比來看,現(xiàn)階段建筑側(cè)蓄冷仍是用戶側(cè)蓄能的重要手段,在適宜的場合可作為實現(xiàn)建筑柔性用電的有效途徑。

4 結(jié)論

新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)能源革命和碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),需要“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同運行,需要用戶側(cè)儲能能力的支撐。建筑等用戶側(cè)未來將有望成為集“發(fā)儲用調(diào)”于一體的電力系統(tǒng)柔性節(jié)點,需要在自身儲能資源的利用上尋求適宜途徑。為此,本文從新型電力系統(tǒng)構(gòu)建視角出發(fā),針對建筑側(cè)蓄冷的新要求、應(yīng)對方式等進行了探討,以期為用戶側(cè)儲能手段的合理設(shè)計、運行提供有益參考。

1) 新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建需要各環(huán)節(jié)投入儲能資源來應(yīng)對電源結(jié)構(gòu)的變化、風(fēng)光電波動特征的影響,用戶側(cè)具有的儲能資源包含蓄冷/蓄熱類、電動汽車、電器設(shè)備及單獨設(shè)置的蓄電池等主要類型,建筑側(cè)蓄冷將成為電力系統(tǒng)中重要的終端儲能手段。

2) 作為重要的用戶側(cè)儲能手段,建筑側(cè)蓄冷從單純響應(yīng)峰谷電價轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)自身光伏電力消納、外部可再生電力消納、實現(xiàn)建筑柔性用電等目標(biāo),需要重新考慮蓄冷系統(tǒng)的容量選取、系統(tǒng)設(shè)計和運行模式,以便與新的目標(biāo)要求相契合。

3) 從用戶側(cè)可利用的儲能資源來看,建筑側(cè)蓄冷與蓄電相比,盡管蓄冷僅能在供冷季、針對空調(diào)用電發(fā)揮柔性調(diào)節(jié)能力(同等等效蓄存電量下蓄冷可發(fā)揮的效果不如蓄電池),但當(dāng)前其成本顯著低于蓄電方式,具有一定優(yōu)勢,應(yīng)在終端儲能資源設(shè)計選取時優(yōu)先考慮。