“光储直柔”建筑新型能源系统发展现状与研究展望

未来的电力系统将转型成为以风电、光电（以下简称风光电）等可再生能源为主体的零碳电力系统，风光电的发展需要解决安装在哪儿、如何应对有效消纳和调蓄等问题。建筑作为重要的能源需求用户，同时又具有安装分布式光伏的面积资源，需要有效承担起自身可再生能源充分利用、协助低碳电力系统实现有效调蓄等任务。因而，在能源系统低碳发展需求下，建筑在其中的定位发生了变化：在建筑仍作为能源用户的基础上，既需要建筑作为光伏等可再生能源的生产者，也需要建筑能够响应外部能源供给侧变化，有效承担起从用户侧调节出发、适应供给侧变化特点的任务，也就是建筑将从单一的用户/负载转变为集能源生产、消耗、调蓄于一体的复合体，“光储直柔”正是围绕这一目标提出的建筑新型能源系统方式。

      “光储直柔”是建筑领域面向碳中和重大需求、实现技术创新突破的重要途径，目前已受到广泛关注并得到国家、部委等层面的政策支持。《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》中“城乡建设碳达峰行动”部分明确指出：“提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的‘光储直柔’建筑”。“光储直柔”建筑配电系统将成为建筑及相关部门实现“双碳”目标的重要支撑技术。

      住房城乡建设部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出：“十四五”累计新增建筑光伏装机容量0.5亿kW；建设以“光储直柔”为特征的新型建筑电力系统，发展柔性用电建筑；在满足用户用电需求的前提下，打包可调、可控用电负荷，形成区域建筑虚拟电厂，整体参与电力需求响应及电力市场化交易，提高建筑用电效率，降低用电成本。

       此外，相关政策对发展建筑侧需求响应、建筑层面的储能利用、建筑光伏利用等均提供了有利条件，如国家发展改革委、国家能源局印发的《“十四五”新型储能发展实施方案》中指出，要“聚焦新型储能在电源侧、电网侧、用户侧各类应用场景；实现用户侧新型储能灵活多样发展”。《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》中指出，要“鼓励光伏建筑一体化应用；发挥需求侧资源削峰填谷、促进电力供需平衡和适应新能源电力运行的作用；支持用户侧储能、电动汽车充电设施、分布式发电等用户侧可调节资源，以及负荷聚合商、虚拟电厂运营商、综合能源服务商等参与电力市场交易和系统运行调节”。工信部、住房城乡建设部等联合发布的《智能光伏产业创新发展行动计划（2021—2025年）》指出，要“提高建筑智能光伏应用水平。积极开展光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的‘光储直柔’建筑建设示范”。

       这些政策支持为“光储直柔”建筑的推广应用提供了重要支撑，也对合理构建“光储直柔”系统、开发系统关键设备、开展工程应用等提出了迫切需求。

      如何构建“光储直柔”建筑是这一新技术需要解决的重要难题，这一系统并非简单应用光伏或某项单一技术，也并非将“光”“储”“直”“柔”简单组合即可实现目标。合理构建“光储直柔”系统需要多方面的协同，才能实现将建筑打造成为能源系统中集生产、消费、调蓄功能“三位一体”复合体的目标。

       发展风光电等可再生能源需要的是面积，光伏、风电机组等均需要一定的敷设面积，以便将风、光资源转换为电力，这就使得建筑表面成为重要的资源，也是建筑可从单纯的用电负载转变为能源生产者的重要基础。

       建筑可发挥多大的作用、有多大的光伏安装潜力是充分利用光伏等可再生能源、构建新型电力系统过程中需要回答的重要问题。自然资源部以2 m分辨率国产高分卫星遥感影像为数据源，利用深度学习技术提取了全国范围的建筑区、典型区域建筑占比系数，以表征全国不同区域的建筑屋顶面积，对我国建筑屋顶可安装光伏资源进行了统计评估，指出我国可利用的屋顶资源潜力达到1.4万km²。住房城乡建设部等基于我国现有及未来城乡建筑面积发展情况对建筑光伏装机容量进行了预测，结果表明，到2025年建筑光伏装机容量可达100 GW，到2030年可达215GW。对农村光伏资源的调查研究也表明，我国广大农村具有广阔的屋顶资源和可利用安装光伏的潜力，农村单户具有的光伏发电潜力可达10 kW甚至更高，例如山西某村1 000户安装光伏可具有5 MW的光伏发电潜力。因而，建筑侧有望成为重要的分布式光伏资源，建筑光伏利用有望成为未来整个低碳电力系统中的重要组成。

       建筑自身光伏如何有效利用、如何实现更好的产消一体是发展建筑光伏利用的另一个重要问题。具体到单个建筑，则需要关注建筑光伏发电与建筑自身用能之间的匹配关系。不同类型建筑的用能特点不同，建筑自身用能具有很大的波动变化特点；光伏发电能力受到光伏板自身性能、安装方式、所安装区域的太阳辐照度等多重因素影响，建筑自身用能与自身光伏发电之间的关系需要深入探讨，不单是两者总量之间的简单对比，更应该注重的是逐时用电特征与光伏逐时出力之间的关系，以便更好地判断建筑自身光伏是否可实现自我消纳。

       从“光储直柔”建筑构建需求来看，建筑应当明确其作为可再生能源产消者的重要作用，区分出建筑到底是作为生产者还是自我消纳为主的定位。以典型建筑的用电特征为基础，对建筑可利用的光伏发电资源和自身用能之间的逐时变化规律作出定量刻画，如图3所示。初步的研究结果表明：对于办公建筑，大致6层以上的建筑应实现光伏自我消纳、不上网，在实现较高光伏自我消纳率、充分利用自身可利用光伏资源的基础上，减少与电网之间的双向交互，建筑用电不足部分由外部电网供给。对于商场类用能强度较高的建筑，大致3层以上的建筑可实现光伏自我消纳。对于2层以下的建筑，在充分安装光伏、利用建筑自身面积资源的基础上，则应当明确其作为重要能源生产者，除通过有效蓄存、缓解光伏发电与建筑用电时间上的不匹配来解决自身用能需求外，还可以向外网输电，绝大部分时间内可实现向外网输电而不从外网取电，例如大多数乡村建筑可利用自身的光伏资源，有效解决其自身能源需求，并且多余电力上网，使得乡村等具有显著光伏利用潜力的场合有望成为未来零碳电力系统中重要的分布式电力来源。

 这样，对于不同类型、不同功能、不同体量的建筑可大致区分出“自发自用、自我消纳不上网”“自发外输上网为主”两大类，当前大部分建筑应当处于这两大类，即便是处于两大类之间的少部分建筑，也应当是在多数时间段以发电上网或自我消纳为主。在“光储直柔”建筑中，可以进一步利用其“储”“柔”等方面的特点来进一步增强光伏的自我消纳和有效利用，这样就能有效破解当前发展建筑分布式光伏所面临的上网交互难题，在保证充分利用建筑光伏、光伏“应装尽装”的基础上，既能实现较高的光伏利用率、减少弃光，又能实现与电网之间尽可能地单向交互。这也是“光储直柔”建筑应当具有的基本功能，也是其可发挥的重要优势之一。

       未来以风光电为主的新型电力系统需要解决风光电力波动性难题，需要配置大量调蓄和储能资源。当前电力系统中考虑的主要储能方式包括化学电池、蓄冷/蓄热、抽水蓄能、压缩空气、飞轮、氢等，这些储能方式对应不同的时间尺度，可用于解决不同体量/时间尺度下的能量调蓄问题。电池、储能等蓄能/调节方式都太贵（电池约1元/（W·h），压缩空气、飞轮、氢等储能方式成本通常更高），与可大面积推广应用的光伏（成本约2元/W，考虑系统综合建设后的成本也通常不超过5元/W）相比，这些储能手段目前成本很高，是构建未来以风光电为主的低碳电力系统面临的重要难题。

       依靠现有储能电池等方式实现能源/零碳电力系统的调蓄，需要投入极大的成本，这就需要经济性合理、可负担的调蓄方式。为此可探索的路径包括：一方面寻求降低储能成本、提高储能技术的方式，对于电池等储能技术的研究一直是热门领域；另一方面则是降低对储能/蓄能容量的需求，寻求替代的方式、寻求减少投入的路径，这就使得建筑侧成为重要调蓄资源具有重要意义。储能/蓄能可不再局限于传统的化学电池、压缩空气、储氢等方式，而是从建筑整体、建筑内部可利用、可调度的资源来重新认识建筑领域的蓄能手段和相应的储蓄能力。从建筑侧来看，建筑内可利用的各类具有储能/蓄能能力的设备、设施都可以作为“光储直柔”系统中的储能资源，这就需要重新认识、刻画建筑中可利用的储能方式及其可发挥的作用。

       建筑中可利用的储能/蓄能手段或方式如图4所示。其中建筑本体围护结构可发挥一定的冷热量蓄存作用，与暖通空调系统特征相关联后可作为重要的建筑储能/蓄能资源；水蓄冷、冰蓄冷等是建筑空调系统中常见的可实现电力移峰填谷的技术手段，在很多建筑中已得到应用。针对围护结构及空调系统储能潜力的研究已有不少，Peng等人对商业建筑预冷策略的测试表明，2种预冷策略在正常用电高峰时段均可实现80%~100%的负荷转移，且无舒适方面的投诉；Aduda等人的研究结果表明，在不影响室内空气质量的情况下，送风机在需求高峰时段降低一半的风量最长可持续120 min；Ali等人的研究结果表明，建筑热惯性可与储能系统相结合，降低用电高峰时段的供热或供冷需求。林琳针对航站楼空调系统具有的储能潜力做了探索，指出在航站楼围护结构、多区域实际空调环境控制参数存在差异等因素作用下，通过空调系统的预冷提前开启、尖峰错峰运行等方式可以实现小时级的储能/蓄能效果，实现在保证合理热环境需求、不增加任何额外投入下的柔性用能。与建筑功能需求相适应，各类用能设备可作为储能系统的重要设备，例如空调系统中的热泵等是满足热量/冷量需求的重要措施，亦可成为发挥空调系统储能作用的重要手段，地源热泵等空调方式实质上是实现了季节性的能量转移。

除了上述暖通空调领域常见的可利用蓄能资源外，建筑中可发挥蓄能作用的至少还包括电动车和各类设备电器。已经初步开展的建筑周边汽车使用行为研究表明，电动汽车与建筑之间具有密切联系和高度同步使用性。电动汽车可视为一种移动的建筑、移动的蓄电池，将其作为一种重要的蓄电池资源，可发挥对建筑能源系统进行有效调蓄的重要作用，电动汽车也将有望成为实现交通-建筑-电力协同互动（如V2G/V2B）的重要载体。目前交通、电力领域的研究者已认识到电动汽车作为重要储能资源的潜力，当从建筑角度认识电动车时，以典型建筑为功能场景，需要进一步刻画其周边可利用的电动车电池资源、这些电池可发挥多大的能量调蓄作用，需要开展进一步深入研究。建筑中的电器设备，有的自身带有蓄电池，集合整个建筑中电器设备自身的蓄电池资源，也是一种可观的储能资源，但如何有效利用这些分散的电池、到底能发挥多大的蓄存潜力，尚需进一步探索。

       这样，从某种程度上来看，建筑整体可视为一种具有能量蓄存、释放能力的电池，使其更好地成为整个能源系统中的可调蓄环节。在充分挖掘建筑自身储能潜力的基础上，需合理设计配置“光储直柔”建筑中所需的化学电池储能容量，既要保证发挥有效的调蓄能力、满足建筑需求，又要保证适量、避免过多的蓄电池容量增加系统成本。从可利用的储能资源重新认识建筑中的各类用电负载、电器设备，对其资源深入挖掘、充分认识其潜力后，有望大幅降低对“光储直柔”建筑所需单独配置的蓄能电池容量需求，更好地发挥建筑自身的能量调蓄功能，促进建筑由单纯负载向具有调蓄功能负载的转变。

       建筑低压直流配电系统，除了直流配电系统自身的优势，其发展契机得益于供给侧与需求侧的发展变化为其应用提供了有利条件。一方面光伏等可再生能源输出为直流电，直流配电系统可以更好地发挥建筑光伏利用的优势；另一方面建筑机电设备中越来越多的高效设备直流化或利用直流驱动（如直流电器LED照明、直流驱动的EC风机、直流调速离心冷水机组等高效产品）。传统交流配电网络中需将交流电转换为直流电来满足高效机电设备的需求，而直流配电系统有望省去交直变换环节，系统更简单、与用电设备的高效发展需求更匹配。

       直流配电系统的电压等级、安全保护、设计选型及相应的软硬件产品等是构建直流配电系统的重要基础，一直以来对直流系统中电压等级选取等问题尚未在建筑用电领域形成统一规定，仅对电压等级、确定原则等进行了探讨。目前，T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配电设计标准》已正式颁布实施，为建筑低压直流系统的设计、运行等提供了重要基础。该标准建议电压等级不多于3级，并推荐采用DC 750 V、DC 375 V和DC 48 V，可根据设备接入功率需求选取适宜的电压等级。在明确电压等级、系统中各类负荷负载组成的基础上，“光储直柔”系统中的各类负载、光伏、储能等通过有效的DC/DC变换器接入建筑直流配电系统，并最终通过直流母线与外部交流电网之间的AC/DC变换器连接，根据各类负载电器、用能/供能/蓄能设备所需的电压等级来实现分层分类变换，满足各自需求，如图5所示。