綜合能源多能互補在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

秦曉玲

（浙江大合檢測有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

進入21世紀以來，全球環(huán)境問題的日趨嚴峻，極端天氣頻出，地球溫升加速，擺脫化石能源依靠成了大多數(shù)國家的共識，許多發(fā)達國家已經(jīng)提出了放棄化石能源的時間表。我國也提出了“雙碳”目標，為我國推進節(jié)能降碳、探索綠色低碳發(fā)展新路徑指明了方向。為實現(xiàn)該目標，我國就要擺脫長期以化石能源為主的能源模式，大力發(fā)展可再生能源及可再生能源和傳統(tǒng)化石能源相互配合補充、均衡開發(fā)的新能源格局。

建筑能耗是整個社會能耗的一大部分，中國建筑能耗研究報告（2020）中指出，建筑能耗占全國總能耗的17%～21%，考慮建筑整個生命周期過程，建筑能耗占比將高達46.5%。以往受限于建筑供能單一，用能結(jié)構(gòu)不合理，能源利用率低，能量消耗嚴重。將綠色能源作為能量供給源大量引入建筑用能領(lǐng)域，是實現(xiàn)低碳、零碳建筑的重要途徑。對建筑用能實現(xiàn)多能互補，將傳統(tǒng)能源和清潔能源統(tǒng)一調(diào)控，逐步減少傳統(tǒng)能源的使用，增加綠色能源使用的占比，可有效解決建筑能源供給安全及減排問題。

1 綜合能源多能互補在建筑節(jié)能中的重要性

綜合能源在建筑領(lǐng)域主要是電能供給，建筑電源可分為兩大類，一類是外部電網(wǎng)供給，另一類建筑側(cè)分布式供給；綜合能源是可以接入電網(wǎng)的用戶側(cè)發(fā)電裝置，主要有小型內(nèi)燃機組、微型燃氣輪機、小型風力發(fā)電、分布式光伏、沼氣發(fā)電等。其中，太陽能、風能、生物質(zhì)能等是綠色清潔能源，具有清潔環(huán)保、無污染、能源利用率高、使用維護方便、經(jīng)濟性好等優(yōu)勢，可以作為建筑用戶側(cè)電源裝置。建筑另一大用能需求是冷、熱供給，其在整個建筑耗能中占比高。建筑冷、熱一般都是二次能源（集中供熱、供冷除外），通常將天然氣或電能作為一次能源，利用制熱、制冷設(shè)備將一次能源轉(zhuǎn)變?yōu)槔?、熱進行供給利用，滿足建筑熱、電負荷需求。

以冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)為核心的小型能源供給網(wǎng)絡(luò)，可通過對建筑供能構(gòu)成具體分析，實現(xiàn)建筑樓宇能量供給多樣性。在此背景下，本文提出的建筑供能綜合能源利用多能互補，為建筑能源生產(chǎn)、傳輸、供給、使用開辟了新途徑。建筑綜合能源具有模塊化、分散化、互補化的特征，一般都是圍繞建筑用能單元，各獨立供能單元也是一種能源供給、轉(zhuǎn)化單元，建筑樓宇的電力主要由外部電網(wǎng)、分布式光伏發(fā)電，微小型燃氣輪機及小型風力發(fā)電提供，不同建筑有各自不同的特點。在建筑能源規(guī)劃時，自發(fā)電本著優(yōu)先自用、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換的原則，優(yōu)先使用綠色可再生能源，提高能源利用品質(zhì)，提高建筑能量綜合利用。構(gòu)建建筑綜合能源系統(tǒng)首先是建筑電力控制智能化，對電力供、需、網(wǎng)三側(cè)采用先進的控制手段和通信技術(shù)，有效滿足建筑內(nèi)各用能單元的需求。

2 綜合能源在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)是將分布式能源（微型燃機、風能、光伏）等通過發(fā)電設(shè)備，將其他形式的能源轉(zhuǎn)化為電能，再通過儲能裝置進行部分儲存，并通過內(nèi)部電力網(wǎng)線輸送到用能端。因“雙碳”政策的提出，光伏、風電作為微電網(wǎng)重要的能源，其特點隨天氣而變，穩(wěn)定性、可預(yù)測性差，造成以風、光為主的微電網(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。這就需要主電網(wǎng)給微電網(wǎng)提供后備支持，在微電網(wǎng)自身無法滿足用能系統(tǒng)所需時，主電網(wǎng)及微型燃機發(fā)電系統(tǒng)給予相應(yīng)補充，然后利用微電網(wǎng)能量管理及運行控制技術(shù)，實現(xiàn)相對孤網(wǎng)、實際并網(wǎng)的運行方式。通過實時控制系統(tǒng)的有效調(diào)整，可減小建筑電力供給因分布式電源的不穩(wěn)定性帶來的問題。主配電網(wǎng)和分布式微電網(wǎng)相互配合，實現(xiàn)兩者信息和能量的交換，隨著微電網(wǎng)內(nèi)源、荷元素的增多，兩者之間的信息量也越來越大、越來越復(fù)雜，在電力系統(tǒng)靈活性、安全性、經(jīng)濟性方面越來越有優(yōu)勢。

2.1 分布式光伏單元

光伏發(fā)電將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，是太陽能間接利用的主要方式，光伏發(fā)電技術(shù)核心元件是光伏組件，隨著光伏發(fā)電技術(shù)的成熟應(yīng)用，近些年光伏組件產(chǎn)量逐年增高，價格大比例下降，特別在我國提出“雙碳”政策，大力發(fā)展綠色可再生能源后，光伏技術(shù)在我國得到了高速發(fā)展，2021年9月14日，國家能源局正式印發(fā)《公布整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點名單的通知》（國能綜通新能〔2021〕84號），全國共有676個縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點，分布式光伏已進入全面性建設(shè)階段。將分布式光伏發(fā)電接入微電網(wǎng)，以大電網(wǎng)為依托，進行統(tǒng)一調(diào)控、一體化運行，使光伏在整個能源系統(tǒng)中得到最優(yōu)化利用，提高光伏系統(tǒng)的利用率，為實現(xiàn)國家“雙碳”目標做出貢獻。

2.2 分布式風電單元

風力發(fā)電就是將自然界的風能轉(zhuǎn)化為人們可利用的電能，是清潔能源利用最為直接的方式。由于風能是自然界長期存在的能源，世界很多國家都在進行風力發(fā)電研究應(yīng)用工作。近十年，風電在我國得到了快速發(fā)展。風能在綠色可再生能源領(lǐng)域有著很強的競爭力，其在能源戰(zhàn)略、能源供應(yīng)、能源安全等方面有著重要作用，在節(jié)能減排、保護環(huán)境方面起著特殊作用。建筑小型風電機組是風能分布式利用的有效方式，雙饋風電機組和直驅(qū)永磁風力機組是現(xiàn)在兩種常見風力發(fā)電機組。

2.3 微小型燃氣輪機

燃氣輪機是一種重要的發(fā)電設(shè)備，按功率等級可分為重型燃機、微型燃機。由于建筑用能體量，一般都采用微型燃機進行發(fā)電，20～500kW功率等級是微型燃機的主要功率范圍，其主要由進氣室、壓氣機、燃燒室、膨脹機構(gòu)成。微型燃機作為驅(qū)動源帶動發(fā)電機發(fā)電。其做功發(fā)電后產(chǎn)生大量高溫余熱煙氣，將高溫余熱煙氣加以利用，如余熱鍋爐回收、制冷、除濕等，為用戶在提供電能的同時也提供熱能、冷能，這就是微燃機系統(tǒng)（CCHP），其綜合效率可達80%以上。

2.4 燃氣鍋爐

我國“雙碳”政策提出控制燃煤消耗，推進煤改氣工程。相對煤而言天然氣是高效率、低污染、好運輸?shù)那鍧嵞茉?。因此，燃氣鍋爐在目前和很長一段時期都會得到快速發(fā)展。燃氣鍋爐主要由燃燒系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、水溫控制系統(tǒng)組成，通過這些系統(tǒng)的輸出給定功率，通過需求信息調(diào)節(jié)輸入端的燃氣量、送風量，維持燃氣鍋爐的按需輸出。燃氣鍋爐與微型燃氣輪機冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)協(xié)調(diào)運行成，成為將來主要的供熱源。

2.5 地源熱泵

地源熱泵是利用地下淺層、中深層地下土壤、巖石所蘊含的熱能給建筑物提供熱源的技術(shù)，地下熱能在未開采前常年保持比較穩(wěn)定的溫度。地源熱泵就是利用地下溫度高、熱量高、補給穩(wěn)定的特點，僅需消耗少量高品質(zhì)能量，就可將地下的熱能提取出來，是一種高效的可再生能源使用技術(shù)，可滿足供暖、供生活熱水、供冷等多種供能需求。

3 建筑綜合能源評價

3.1 建筑用能指標架構(gòu)評價

評價建筑綜合能源設(shè)計與調(diào)控優(yōu)化的一個重要因素就是評價指標，合理的評價指標架構(gòu)使得建筑綜合能源投資更加合理、運行更加高效，可最大限度發(fā)揮各種能源在建筑能源供給系統(tǒng)中的相互配合，降低能源綜合利用成本，提升綜合能源的使用能效。

本文選用的建筑綜合能源評價指標元素由三個模型組成，分別是經(jīng)濟模型、能源模型、環(huán)境模型，通過這三個模型的設(shè)置，分層構(gòu)成建筑綜合能源調(diào)控的判據(jù)。在建筑綜合能源經(jīng)濟模型中，采用綜合成本法，初始投資建設(shè)成本、運行和維護成本以及報廢成本指標說明建筑綜合能源的經(jīng)濟性水平，評價多種能源耦合條件下的建筑綜合能源經(jīng)濟效益優(yōu)化的程度，衡量在綜合能源期望收益下可接受經(jīng)濟性投入。污染物排放的指標值可以在環(huán)境評價模型中反映綠色可再生能源與其他能源協(xié)調(diào)互補綜合利用的程度，用來評價綠色可再生能源替換式應(yīng)用及多能協(xié)調(diào)互補的高效能量利用帶來的環(huán)境收益。在能源模型中，能源分級優(yōu)化利用和綠色可再生能源在總能源利用中的占比可反映能源利用率及環(huán)境收益，綜合反映能源結(jié)構(gòu)模型的合理性。

1）經(jīng)濟模型 成本和收益是經(jīng)濟模型評估的重要目標，建筑綜合能源也應(yīng)以此為經(jīng)濟評價模型的最重要目的。經(jīng)濟模型通常采用綜合成本法，結(jié)合各方面因素綜合考慮建筑綜合能源體系在建設(shè)、運行的全生命周期內(nèi)的經(jīng)濟收益，將建筑用能系統(tǒng)建設(shè)成本、運維成本、升級改造成本、消耗成本納入本模型，模型通過對建筑綜合能源建設(shè)與運行所涉及的要素在生命周期內(nèi)的成本綜合累加計算，以獲取經(jīng)濟收益的量化指標。

式中，BCEI為經(jīng)濟評價指標（建筑綜合用能）；CCi、OMi、UCi分別為建筑用能中第i類能量單元的初始系統(tǒng)建設(shè)成本、運維成本、升級消耗成本。

初始投資成本通常含各分單元設(shè)備采購成本、建設(shè)成本、安裝和調(diào)試過程中所投入的成本；運行和維護成本包含設(shè)備運行耗能購入成本、系統(tǒng)設(shè)備日常檢修維護成本。

2）環(huán)境模型 建筑綜合能源環(huán)境評價主要針對建筑能源在運出、存儲、生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的污染物排放指標和對環(huán)境氣候變化所產(chǎn)生的影響指標進行量化。污染物、二氧化碳等通常通過零花折算等價計算方法進行。

式中，BPCE為污染物排放指標（建筑綜合能源）；EVPi為第i種污染物所具有的環(huán)境價值；Yj為建筑綜合能源中j類能源能夠年供給的量，kW·h；εj為第j類能源單元年運行平均功率；CEPi，j為第i類能源單元系統(tǒng)中第j種污染物排放；PIEi，j為第i類能源單元單位能源消耗量下的第j種污染物排放。

在環(huán)境污染物排放指標計算模型中，通過計算減少的污染物排放等量的經(jīng)濟價值來衡量環(huán)境收益，污染物排放量減少得越多，所帶來的環(huán)境指標越高。

3）能源模型 能源評價指標模型的作用是衡量建筑能源結(jié)構(gòu)指標非經(jīng)濟性等價的重要方法。綠色可再生能源充分接納使用是建筑綜合能源建設(shè)、運行的重要目標，綠色可再生能源的可持續(xù)性使用收益無法直接量化為經(jīng)濟性數(shù)值，而綠色可再生能源的環(huán)境收益又難以在綜合效益中體現(xiàn)。

式中，ERE為建筑能源供給循環(huán)利用率；Qt.j為建筑用能中第 j類能源的需求量，kW·h；QRGE.i、QECU.i為建筑綜用能中第i類能源的可再生可綠色能源、能源梯級利用滿足的負荷需求，kW·h；εRGE.i、εEUC.i為第 i類能源可再生綠色能源、能源梯級利用率。

3.2 能源供需配置優(yōu)化

綜合能源供需配置的多目標優(yōu)化問題可表述為：為滿足既定建筑區(qū)域內(nèi)用戶供熱負荷、供冷負荷的需求，并將不同用途的能源進行相互匹配，梯級利用，合理優(yōu)化配置建筑內(nèi)所有能源單元設(shè)備的供給量。

式中，決策變量 e=（e1，e2，…，em），是 m 維向量；目標變量e=（y1，y2，…，ym），是n維向量；對應(yīng)的fi（e），i=1，2，…，n是目標問題優(yōu)化的n個函數(shù)；yj（e）≤0，j=1，2，…，v是優(yōu)化問題中的v個約束條件。

4 結(jié)語

在我國“雙碳”政策的指引下將綜合能源多能互補引入建筑領(lǐng)域，簡要闡述了建筑綜合能源多能互補的構(gòu)成，對分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)，綜合能源體系中分布式光伏、風力發(fā)電、微型燃機等進行了分析，給出建筑綜合能源總體技術(shù)路線。按照上述思路，本文對建筑能源系統(tǒng)經(jīng)濟性指標、環(huán)境指標、能源評價指標進行分析，考慮建筑用能系統(tǒng)最初建設(shè)成本及后期運維成本，升級改造成本、消耗成本及污染物、二氧化碳排放等因素建立數(shù)學(xué)模型，并進行能源供給優(yōu)化配置。綠色可再生能源將是未來建筑供能的重要來源，解決綠色可再生能源在建筑供能領(lǐng)域的消納及安全供能問題，是以后研究的重點方向。