翁洪康, 袁向科, 李漢秋 , 胡 駿

(1.浙江浙能數(shù)字科技有限公司, 浙江杭州 310003; 2.浙江浙水房地產(chǎn)開發(fā)有限公司, 浙江杭州 310000)

0 引言

建筑的能耗較大,而建筑的負荷與建筑功能定位、所處地理區(qū)域等緊密相關(guān)。常見建筑的負荷需求包括照明、動力設(shè)備、生活熱水、工商業(yè)、空調(diào)制冷采暖、數(shù)據(jù)中心用能等。為了滿足以上負荷需求,在建筑樓宇中,常見的能源利用和轉(zhuǎn)化設(shè)備包括燃氣鍋爐、天然氣冷熱電三聯(lián)供、空調(diào)冷水機組、熱泵、充電樁、各種儲能設(shè)備等。在建筑的能源消耗結(jié)構(gòu)中,除了市政用電、天然氣、熱力等常見能源,通常還因地制宜,結(jié)合氣候特點、地理環(huán)境、自然資源等條件,發(fā)展風能、太陽能、地熱能等多種可再生能源以及工業(yè)廢熱等資源。

隨著“雙碳”目標的提出,建筑節(jié)能和綠色建筑的要求逐步提高,2022年3月,《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》出臺,明確“到2025年,城鎮(zhèn)新建建筑將全面建成綠色建筑,建筑用能結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化,能耗和碳排放增長趨勢得到有效控制,基本形成綠色、低碳、循環(huán)的建設(shè)發(fā)展方式,為城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域2030年前碳達峰奠定堅實基礎(chǔ)?！?022年6月,《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》提出了“推動智能微電網(wǎng)、光儲直柔、蓄冷蓄熱、負荷靈活調(diào)節(jié)、虛擬電廠等技術(shù)應用,優(yōu)先消納可再生能源電力,主動參與電力需求側(cè)響應。探索建筑用電設(shè)備智能群控技術(shù),在滿足用電需求前提下,合理調(diào)配用電負荷,實現(xiàn)電力少增容、不增容。根據(jù)既有能源基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟承受能力,因地制宜探索氫燃料電池分布式熱電聯(lián)供。”2022年3月,《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》出臺,提出了“靈活多樣發(fā)展用戶側(cè)新型儲能,推進源網(wǎng)荷儲一體化協(xié)同發(fā)展。通過優(yōu)化整合本地電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)資源,合理配置各類儲能,探索不同技術(shù)路徑和發(fā)展模式,鼓勵源網(wǎng)荷儲一體化項目開展內(nèi)部聯(lián)合調(diào)度。積極推動新型儲能與智慧城市、鄉(xiāng)村振興、智慧交通等領(lǐng)域的跨界融合,不斷拓展新型儲能應用模式。拓展多種儲能形式應用。結(jié)合各地區(qū)資源條件,以及對不同形式能源需求,推動長時間電儲能、氫儲能、熱(冷)儲能等新型儲能項目建設(shè),促進多種形式儲能發(fā)展,支撐綜合智慧能源系統(tǒng)建設(shè)。”

為了落實國家雙碳目標,降低建筑能耗,提高建筑的能源利用效率,一方面需要提高現(xiàn)有建筑的能源利用效率,增加靈活儲能設(shè)施;另一方面需要在建筑能源系統(tǒng)中開發(fā)新型可再生能源。從電網(wǎng)層面,在雙碳目標下,電網(wǎng)中新能源比例逐步提高,其中大部分屬于風電、光伏等非水可再生能源。由于電力是個供需實時平衡的系統(tǒng),區(qū)別于傳統(tǒng)火力發(fā)電,非水可再生能源發(fā)電能力隨著天氣條件波動,因此給電網(wǎng)負荷平衡帶來了更大的挑戰(zhàn)。為了建設(shè)新型電力網(wǎng)絡(luò),一方面需要提高對非水可再生能源出力的預測精度;另一方面需增加電網(wǎng)負荷側(cè)的可控性和調(diào)節(jié)性。在實時平衡的電網(wǎng)中,儲能成為最有效和直接的負荷調(diào)節(jié)手段。目前儲能可分為發(fā)電側(cè)儲能、電網(wǎng)側(cè)儲能和用戶側(cè)儲能,其中建筑樓宇中的儲能設(shè)施屬于用戶側(cè)儲能。

從建筑樓宇微電網(wǎng)的層面,分布式能源進一步開發(fā)利用,建筑樓宇不僅是能源的消費者,也成為了能源的生產(chǎn)者,消納自身產(chǎn)生的風電、光伏等可再生能源時,也有發(fā)電能力波動的問題,因此有必要在建立園區(qū)級“源網(wǎng)荷儲”一體化的能源網(wǎng)絡(luò)時,因地制宜地引入儲能設(shè)施,實現(xiàn)3個目標:①作為電網(wǎng)的用戶側(cè),增強負荷的調(diào)節(jié)性;②作為分布式能源的生產(chǎn)者,做到有效消納自身生產(chǎn)的可再生能源發(fā)電;③利用電能峰谷價差、需求響應、電力市場交易等實現(xiàn)經(jīng)濟收益。

1 儲能技術(shù)簡介

根據(jù)儲能過程的能量轉(zhuǎn)化原理,可以分為物理儲能和化學儲能。常見的物理儲能包括:重力儲能、飛輪儲能、電容儲能、相變儲能、冷熱水儲能、蒸汽儲能、壓縮空氣儲能、地下儲能;化學儲能包括:電化學、熱化學、氫儲能、沼氣儲能等。根據(jù)儲能的周期分類:短時、日內(nèi)和跨季節(jié)儲能。

儲能設(shè)施的性能指標主要有儲能容量和充放能的功率。對于儲能容量小,充放功率大的儲能設(shè)施,主要用于短時的能量平衡,反之,則用于長周期的蓄能。短時間充放周期有秒級和分鐘級,如電力輔助服務,也有日內(nèi)數(shù)小時,如樓宇空調(diào)機組儲能、消納可再生能源的電池儲能,還有跨越數(shù)天的儲能,如抽水蓄能電站,跨越季節(jié)的儲能,如地下儲能等。

在建筑能源系統(tǒng)中,儲能技術(shù)的應用主要有建筑圍護材料、建筑空調(diào)系統(tǒng)、樓宇電力系統(tǒng)等。

2 儲能在建筑中應用

2.1 建筑圍護材料

在營造建筑熱舒適性的過程中[1],通常根據(jù)建筑所處環(huán)境和使用要求,確定合理的建筑熱慣性。熱慣性往往受建筑維護結(jié)構(gòu)中使用的材料和結(jié)構(gòu)類型影響。當采用高熱慣性材料時,可以使建筑在升溫時保持室內(nèi)較長時間涼爽,平抑晝夜溫差,有利于保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定。目前大多既有建筑圍護結(jié)構(gòu)依然存在儲熱容量小、熱慣性小、室內(nèi)溫度波動大等問題。因此,有必要通過材料革新提高建筑圍護的儲熱能力。

傳統(tǒng)利用磚等材料顯熱儲能,但由于磚的比熱容相對較低,其儲能溫度高,這導致對墻體圍護結(jié)構(gòu)的隔熱要求高。為了改善儲能工況,有研究將相變材料引入墻體儲能中。與傳統(tǒng)材料相比,相變儲能具有潛熱大、溫度穩(wěn)定等特點。建筑中使用的儲能材料的方式,可分為被動式儲能和主動式儲能[2]。被動式儲能是將相變材料代替部分墻體材料,熱空氣不先和相變材料換熱,相變材料和墻體一起起到隔熱作用,不人為控制熱空氣和墻體相變材料的換熱方式。主動式儲能,熱空氣先與在墻體中的相變材料換熱,再進入室內(nèi)。墻體蓄熱快,墻體可以和空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合,實現(xiàn)主動蓄能。

相變材料主要分為無機相變材料和有機相變材料。無機水合鹽作為典型的相變儲能材料,具有價廉易得、化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點。但在實際生產(chǎn)應用中,其由于自身相變溫度高、過冷度大、相分離嚴重、導熱性差等缺陷制約了材料的應用[3]。

在有機類相變材料中,石蠟由于物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定、熔點范圍廣、已工業(yè)化生產(chǎn),同時具有蓄熱密度大、無過冷現(xiàn)象、來源廣泛等優(yōu)點,成為近年來相變儲熱材料的研究熱點[4]。其封裝方式有宏觀封裝、微膠囊封裝、多孔材料吸附等。

2.2 建筑空調(diào)系統(tǒng)

在建筑樓宇中,制冷、制熱能耗占有較大比例,因此建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能增效是建筑節(jié)能提效的重要方面。在建筑空調(diào)的儲能方案中,可以按照功能和儲能周期分為:①為實現(xiàn)設(shè)備節(jié)能增效、短期負荷調(diào)節(jié)的常規(guī)儲能;②為建筑提供可再生的冷熱源,實現(xiàn)冬夏季平衡的跨季節(jié)儲能。

2.2.1 常規(guī)空調(diào)儲能

常規(guī)儲能作為空調(diào)系統(tǒng)的一部分,不額外增加冷熱源,儲能周期通常在數(shù)小時,主要面對晝夜負荷波動,常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)具有一些特點:①空調(diào)往往能耗較大;②與用戶舒適性關(guān)系密切,系統(tǒng)運行優(yōu)化需要考慮用戶習慣需求;③負荷波動較大,并且與電網(wǎng)峰谷電不匹配。為了解決上述問題,研究者在空調(diào)系統(tǒng)中引入不同形式的儲能設(shè)施。除了前述的和建筑圍護結(jié)構(gòu)相結(jié)合的儲能材料,常見的儲能技術(shù)包括熱水罐(冷水罐)儲能、相變儲能。

采用熱水罐(冷水罐)為空調(diào)系統(tǒng)儲能,在夜間谷電時間將空調(diào)系統(tǒng)熱水(冷水) 儲存,在白天負荷高峰時段釋放熱(冷)量,通過峰谷電價差獲得收益,同時在負荷高峰時段降低空調(diào)機組的最大出力,減少設(shè)備投資成本。該儲能方案具有設(shè)備簡單、運行可靠、熱水儲存和釋放響應速度快、減少燃氣鍋爐等設(shè)備啟停次數(shù)、延長設(shè)備壽命等優(yōu)點,其缺點是儲罐體積占地較大。在儲罐儲存的熱水或冷水,通過合理的形狀設(shè)計和流場布局,形成穩(wěn)定的冷熱水分層,減小斜溫層厚度,增加儲罐可用熱水體積,有效提高儲罐的儲能效率[5]。

相變儲熱技術(shù)具有儲能密度大、儲熱效率高、輸出溫度和能量穩(wěn)定等優(yōu)點。為了提高儲能介質(zhì)的熱容量,減小體積,可采用冰蓄冷或者其它相變蓄能材料作為空調(diào)的儲能介質(zhì),冰蓄冷儲能體積小,但是蓄冷和放冷功率小。

在空調(diào)儲能中,無機相變材料的優(yōu)點是應用溫度寬、導熱率高、儲能密度大、制備成本低等,缺點是在過冷、相分離現(xiàn)象和具有一定腐蝕性等。有機相變材料相比于無機相變材料,無過冷現(xiàn)象,穩(wěn)定性較強并且相容性好,但有些有機相變材料存在有毒、易燃、導熱系數(shù)低、成本昂貴等缺點。

2.2.2 跨季節(jié)儲能

跨季節(jié)儲能主要是為空調(diào)系統(tǒng)提供更經(jīng)濟的冷熱源,可視為一種可再生能源的利用方式。由于建筑供熱和制冷的能耗占比高,可到社會總能耗的25%～30%[6],并且對于常規(guī)建筑樓宇來講,供冷與供熱具有季節(jié)性,并不同時發(fā)生,通常只有冬季供熱和夏季供冷。針對這類冷熱負荷的季節(jié)變化的情況,解決熱能需求和季節(jié)性供應之間不匹配的問題,可以將夏季熱量儲存,并在冬季作為供熱的熱源,配合地源熱泵、空調(diào)機組等,可以實現(xiàn)低品位能量的高效利用。

跨季節(jié)儲能要求儲量大、儲能時間長、能量損失小的要求,地下儲能因其高儲存效率和高儲存容量[7]等優(yōu)點,是長期熱能存儲的首選。根據(jù)儲能介質(zhì)的不同,跨季節(jié)儲能可以分為顯熱儲熱技術(shù)、潛熱儲熱技術(shù)、熱化學儲熱技術(shù)。

(1)顯熱儲熱技術(shù):技術(shù)成熟、操作簡單,仍是目前應用最廣泛的儲熱方式之一,地下跨季節(jié)顯熱儲能分為:熱水儲能、礫石-水儲能、土壤埋管儲能、以及含水層儲能。

(2)潛熱儲熱技術(shù):是利用儲熱材料在發(fā)生相變過程中吸收和釋放熱量來實現(xiàn)熱能儲存的技術(shù),也稱相變儲熱。相變儲熱具有能量密度高、相變過程溫度近似恒定的優(yōu)點。

(3)熱化學儲熱技術(shù):是利用可逆化學反應過程中伴隨的熱量吸收和釋放而進行熱量儲存的。

趙璇等[8]介紹了上面3種儲熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀,并對其進行分析比較,認為相比于另外2種熱能儲存方式,熱化學儲熱具有較高儲熱密度,且能實現(xiàn)在接近環(huán)境溫度下長期無熱損儲熱,而其中熱化學吸附和吸收反應溫區(qū)與太陽能中低溫熱利用溫區(qū)相一致,適用于建筑采暖、結(jié)構(gòu)緊湊的跨季節(jié)儲熱。

2.3 樓宇電力系統(tǒng)

在雙碳目標下,新型電力系統(tǒng)能源供給側(cè)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變,以風光電等可再生能源為主的新能源占比不斷提高,電源呈現(xiàn)波動性特征,需要荷側(cè)能夠更好地匹配源側(cè)變化。在作為需求側(cè)的建筑領(lǐng)域,隨著分布式、可再生能源接入,使得用戶從單一能源消費者向能源產(chǎn)消者轉(zhuǎn)變;對于需求側(cè)的交通領(lǐng)域,由于電動汽車的推廣,也面臨的充電需求保障、對電網(wǎng)的壓力等也亟需更好的應對方法。

建筑樓宇具有“源、儲、網(wǎng)、荷”的能源復合特征,其新型電力系統(tǒng)具有幾個特點:

(1)由于電網(wǎng)發(fā)電出力的波動,不再簡單的以負荷確定出力,對需求側(cè)負荷可調(diào)節(jié)性提出了更高的要求。

(2)建筑樓宇中接入的光伏、風電等可再生能源系統(tǒng),由于出力波動特性,對樓宇自身消納新能源發(fā)電提出了要求。

(3)新能源汽車充電樁的接入,充電負荷往往階段性波動,對電力系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

(4)隨著電力市場改革的深入,工商業(yè)全面接入電力交易,電價波動直接影響用戶的能源成本,用戶有必要提升電力負荷調(diào)控能力,在電力交易市場獲得更高的收益,降低經(jīng)濟風險。針對上述問題,一方面需提高樓宇能源系統(tǒng)的智能化控制,挖掘可調(diào)節(jié)負荷;另一方面,通過增加電力系統(tǒng)的儲能裝置,提高電力系統(tǒng)負荷的可調(diào)節(jié)性。電力系統(tǒng)常見的儲能方案有壓縮空氣儲能、電池儲能、氫儲能等。

2.3.1 壓縮空氣儲能

傳統(tǒng)壓縮空氣儲能通過多余電能將空氣進行壓縮存儲,需用電時利用高壓儲氣推動膨脹機做功。從燃料利用上,壓縮空氣儲能可分為傳統(tǒng)補燃型和新式帶儲熱裝置的非補燃型。補燃式系統(tǒng)在膨脹釋能過程中,空氣與其它化石燃料在燃燒室內(nèi)燃燒驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。非補燃式系統(tǒng)分為無外來熱源和有外來熱源,其中,有外來熱源型一般利用太陽能或煤電機組的多余熱量加熱空氣膨脹做功; 無外來熱源型系統(tǒng)則增設(shè)儲熱裝置,壓縮過程產(chǎn)生的熱量經(jīng)導熱介質(zhì)換熱后儲存在儲熱罐中,在膨脹釋能時儲熱罐中的熱介質(zhì)加熱高壓空氣,實現(xiàn)壓縮熱的高效利用。壓縮空氣儲能以儲能規(guī)模大、存儲周期長、對環(huán)境污染小等優(yōu)勢受到人們的青睞[9],壓縮空氣儲能受地理條件限制較大,造價相對電池儲能也較高。

2.3.2 電化學儲能

儲能領(lǐng)域應用的電池有鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池。鉛酸電池因其循環(huán)壽命短、比能低等缺點限制了其在儲能應用上的發(fā)展。鋰離子電池現(xiàn)有技術(shù)體系已十分成熟,其中磷酸鐵鋰電池由于價格較低、壽命長等優(yōu)點,適用于大規(guī)模儲能。鈉硫電池[10]具有高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、溫度穩(wěn)定性以及無自放電等方面的優(yōu)點,但需要高溫運行。液流電池中,全釩液流電池發(fā)展得較為成熟,而液流電池的結(jié)構(gòu)特點具有單獨的活性物質(zhì)儲液罐, 液流電池的輸出功率和容量相對獨立, 系統(tǒng)設(shè)計靈活, 能量效率高[11]。目前建筑樓宇中,具有廣泛推廣價值的是鋰離子電池儲能技術(shù)。

2.3.3 氫儲能

氫儲能具有跨季節(jié)、跨區(qū)域和大規(guī)模存儲的優(yōu)勢。氫儲能可以實現(xiàn)園區(qū)微網(wǎng)中分布式新能源的就地消納,并且提供比電化學能源更長的儲存時間。氫能的儲存方法大致分為物理儲氫和化學儲氫,物理儲氫有高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)儲存、地質(zhì)儲氫等,化學儲氫技術(shù)有固態(tài)儲存、有機液態(tài)儲氫、液氨儲氫等[12]。

制氫技術(shù)有化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫、可再生能源制氫?？稍偕茉粗茪涫乔鍧嵞茉吹闹匾夹g(shù)路線,在可再生能源制氫中,電解水制氫則是基礎(chǔ)。電解水制氫技術(shù)分為堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解制氫和固體氧化物電解制氫等技術(shù)[13],堿性電解水技術(shù)最為成熟,但效率較低; 固體聚合物/質(zhì)子交換膜電解技術(shù)效率較高,裝置結(jié)構(gòu)緊湊,但成本較高; 而固體氧化物電解技術(shù)的工作溫度在800～1 000℃,實驗室條件下轉(zhuǎn)化效率接近100%,但目前尚處于研究階段。

在建筑樓宇中,氫儲能可以基于可再生能源制氫和氫燃料電池等技術(shù),作為儲能的重要補充手段。

3 結(jié)論與建議

在雙碳目標下，電力系統(tǒng)中接入非水可再生能源的比例逐步提高，對電網(wǎng)需求側(cè)提出了負荷調(diào)節(jié)控制需求，另外在建筑中分布式能源、可再生能源接入，建筑自身能源系統(tǒng)也具備了“源網(wǎng)荷儲”一體化特征?；谝陨想p層因素，以及建筑節(jié)能和綠色建筑的要求，在建筑樓宇中建設(shè)儲能成為必要的手段，本文綜述了建筑樓宇中不同能源系統(tǒng)層級、不同儲能介質(zhì)、不同調(diào)節(jié)周期的儲能技術(shù)，并提出幾個建議：

(1)在建筑樓宇中,提高能源系統(tǒng)規(guī)劃水平,根據(jù)能源系統(tǒng)層級需要,選擇合適儲能介質(zhì),發(fā)展不同類型儲能技術(shù),降低儲能造價成本。

(2)在建筑樓宇“源網(wǎng)荷儲”一體化的能源系統(tǒng)中,儲能作為最為有效的負荷調(diào)節(jié)手段,有必要基于儲能技術(shù),提高能源系統(tǒng)調(diào)度水平,建設(shè)考慮儲能、冷熱負荷調(diào)節(jié)、充電樁、電力市場和需求響應的綜合能源管控平臺,提高建筑能源系統(tǒng)智能化水平。