碳中和下的建筑儲(chǔ)能發(fā)展前景

綜述了國(guó)家在水電、風(fēng)電、光伏等清潔能源方面的儲(chǔ)能發(fā)展，機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能，機(jī)械儲(chǔ)能（抽水蓄能）作為供電前端的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)寫(xiě)入國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃；研究了目前建筑行業(yè)的電池儲(chǔ)能技術(shù)方面的可行性和經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)儲(chǔ)能調(diào)峰、峰谷價(jià)格套利等方式，將電池儲(chǔ)能運(yùn)用在建筑中，實(shí)現(xiàn)房屋、社區(qū)智能儲(chǔ)能。

碳中和； 清潔能源； 建筑儲(chǔ)能； 峰谷電價(jià)； 調(diào)峰

TU201.5A

建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)

［定稿日期］2023-06-08

［作者簡(jiǎn)介］李鑫（1986—），男，本科，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)建筑師，從事建筑設(shè)計(jì)工作。

0" 引言

隨著國(guó)家碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略的發(fā)布，相關(guān)配套政策也在持續(xù)探索跟進(jìn)。在2021年后疫情大背景下，電荒持續(xù)發(fā)酵，煤炭、石油等資源價(jià)格飛漲，直接給國(guó)民生產(chǎn)帶來(lái)較大的影響。電力也更多地被社會(huì)關(guān)注。

1" 研究背景

（1）國(guó)務(wù)院發(fā)布2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案［1］，十大任務(wù)中提到“優(yōu)化新型基礎(chǔ)設(shè)施用能結(jié)構(gòu)，用直流供電、分布式儲(chǔ)能、‘光伏+儲(chǔ)能’等模式，探索多樣化能源供應(yīng)”“提高建筑終端電氣化水平，建設(shè)集光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、直流電、柔性用電于一體的‘光儲(chǔ)直柔’建筑”。

（2）峰谷時(shí)間用電量的差距也在不斷加大，如何應(yīng)對(duì)尖峰時(shí)段用電不平衡問(wèn)題也在不斷推進(jìn)行業(yè)思考。2021年末頂峰發(fā)電能力超過(guò)12億kW以上。全國(guó)單日用電量峰值271億kWh，峰值負(fù)荷12億kWh，根據(jù)能源局相關(guān)數(shù)據(jù)，谷峰用電比為0.6，電荒很大程度上是峰值造成的。

（3）應(yīng)對(duì)峰谷用電的不平衡，峰谷電價(jià)成為一種調(diào)控手段。2021年，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》［2］，要求峰谷電價(jià)不低于4倍。2021年底四川出臺(tái)《關(guān)于進(jìn)一步完善我省分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》，并于 2022年1月起實(shí)施，進(jìn)一步提高了峰平谷價(jià)差。電價(jià)浮動(dòng)比例為：高峰時(shí)段電價(jià)在平段電價(jià)基礎(chǔ)上上浮60%；低谷時(shí)段電價(jià)在平段電價(jià)基礎(chǔ)上下浮60%；峰平谷價(jià)差比為1.6∶1∶0.4（之前的上下浮動(dòng)比例為50%，峰平谷價(jià)差比為1.5∶1∶0.5）。峰時(shí)用電價(jià)格比谷時(shí)用電價(jià)格直接提升一倍，達(dá)到4∶1。峰谷價(jià)差的調(diào)增為儲(chǔ)能提供了發(fā)展空間。

（4）國(guó)家能源局發(fā)布的《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》文件中提到“到2025年抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”翻一番，達(dá)到6 200萬(wàn)kW以上；到2030年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十四五”再翻一番，達(dá)到1.2億kW左右。”抽水蓄能投資巨大，轉(zhuǎn)換率75%左右，也被人質(zhì)疑。

（5）國(guó)家規(guī)劃到2030年風(fēng)電和光伏裝機(jī)量由目前1.3億kW提升至12億kW，將與當(dāng)前火電裝機(jī)容量12.76億kW相當(dāng)，到2060年前新能源發(fā)電量占比有望超過(guò)50%，成為發(fā)電量主體。但其先天稟賦決定了不能成為峰值負(fù)荷的主體，由于風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源具有隨機(jī)性、間歇性，峰值負(fù)荷還得依靠火電和儲(chǔ)能等非新能源主體。大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用可顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型，為逐步替代石化能源、減少火力發(fā)電占比，提供了可行性，儲(chǔ)能發(fā)展已勢(shì)在必行［3］。

2" 建筑儲(chǔ)能的思考方式

（1）發(fā)展儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)是我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的中道占率，儲(chǔ)能對(duì)促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型方面起到至關(guān)重要的作用［4］。隨著我國(guó)電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，除了發(fā)電前端的大型抽水蓄能，用電端的小型用戶新型電池儲(chǔ)能也將成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

（2）居民用電占總用電比不到20%。但實(shí)際平峰時(shí)用電時(shí)間占比85%，調(diào)谷填峰用電意義很大。且每戶需裝機(jī)容量較小，容易在建筑設(shè)計(jì)中提前預(yù)留空間管線，為居民用電產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也為社會(huì)用電提供調(diào)峰作用。

（3）商業(yè)用電中，辦公、酒店、商戶等用電單位用電量主要發(fā)生在日間高峰期，利用地下室、車庫(kù)無(wú)效空間、建筑空調(diào)外籍安裝等位置增設(shè)電池儲(chǔ)能功能設(shè)備，可為公共建筑提供儲(chǔ)能用電空間。工商用電單位用電價(jià)差更大，儲(chǔ)能電池對(duì)建筑使用方更具吸引力，更能通過(guò)合理利用儲(chǔ)能電池，為自身創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為社會(huì)用電起到調(diào)峰作用。

（4）雙向電表的應(yīng)用更具有可變性，將每個(gè)獨(dú)立電源通過(guò)電網(wǎng)相互連接成一個(gè)電網(wǎng)，更能發(fā)揮電池儲(chǔ)能調(diào)峰作用。

3" 居民用電儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值

居民用電儲(chǔ)能的社會(huì)意義是對(duì)于整個(gè)社會(huì)而言，可以通過(guò)儲(chǔ)能調(diào)峰，支持風(fēng)電、水電、太陽(yáng)能發(fā)電的廣闊應(yīng)用。儲(chǔ)能調(diào)峰，通過(guò)將不穩(wěn)定的清潔能源進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)后端供電穩(wěn)定。居民用電儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)意義是，對(duì)于每個(gè)用戶，峰谷電價(jià)差為用戶創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

用戶經(jīng)濟(jì)價(jià)值推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及社區(qū)價(jià)值的實(shí)現(xiàn)。以某普通四口之家100 m2用房的四個(gè)季度典型月份峰谷值為例：首先通過(guò)數(shù)值測(cè)算得出家庭日均用電，然后按日均用電上浮20%比例核定電池容量，得出10 kW·h容量能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)家庭一日用電基本需求。

以2021年四川省用電情況為例，電價(jià)定價(jià)邏輯有豐水枯水期、階梯電價(jià)、峰平谷價(jià)三個(gè)主要維度。四川地區(qū)居民用電平峰期價(jià)格一樣，以第一檔為例，豐水期峰谷值差價(jià)0.347 4元/kW·h， 枯水期峰谷值差價(jià)0.268 9元/kW·h，枯豐水期各6個(gè)月，因此平均差價(jià)0.308元/kW·h。以此類推，第二檔平均差價(jià)0.333元/kW·h，第三檔平均差價(jià)0.308元/kW·h，綜合典型家庭用電一般在1、2檔。理想狀態(tài)下年平峰時(shí)用電全部來(lái)自谷值儲(chǔ)能，家庭年可節(jié)約電費(fèi)750元。

此外還需要關(guān)注幾個(gè)問(wèn)題：①目前居民峰值用電并未提高，按平時(shí)電價(jià)執(zhí)行；②四川2022年峰谷電價(jià)價(jià)差的進(jìn)一步加大，也未在此次計(jì)算中體現(xiàn)；③商業(yè)用電價(jià)差更大，且有峰值用電，效果更加明顯（四川工商用電為0.807 5元/kW·h，2022年峰谷值差價(jià)將達(dá)到0.969元/kW·h，是住宅電價(jià)的3倍）；④隨著國(guó)家碳達(dá)峰，碳中和戰(zhàn)略的不斷深化實(shí)施，電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能的不斷釋放，研判住宅用電儲(chǔ)能通過(guò)技術(shù)標(biāo)注可批量復(fù)制，容易規(guī)?；虡I(yè)用電儲(chǔ)能發(fā)展對(duì)用戶更具吸引力。

4" 居住建筑的儲(chǔ)能的解決方案

4.1" 儲(chǔ)能設(shè)備的系統(tǒng)安裝

在電表后端并聯(lián)一蓄電池，安裝容量約為10 kW·h。以政府峰谷電價(jià)調(diào)整為指導(dǎo)，以家庭用電成本最小為目標(biāo)，調(diào)整用電儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。通過(guò)設(shè)置智能控制系統(tǒng)，作到以下控制（圖1）。

（1）在用電谷時(shí)家庭用電切換至市電，并對(duì)蓄電池充電（開(kāi)關(guān)1、2閉合，3斷開(kāi)）。

（2）峰時(shí)家庭用電切換使用蓄電池電量（開(kāi)關(guān)3閉合，1、2斷開(kāi)）。

（3）峰時(shí)用電蓄電池電力不足時(shí)，切換至市電，但不充電，待谷時(shí)開(kāi)始充電蓄能（開(kāi)關(guān)2閉合，1、3斷開(kāi)）。

4.2" 雙向電表的應(yīng)用

實(shí)際生活中，每個(gè)家庭或居住單元用電情況并非一成不變，生活作息有差異，家庭蓄能電池存在峰值閑置。通過(guò)雙向電表的設(shè)計(jì)能夠讓每棟房子，每個(gè)小區(qū)甚至一個(gè)片區(qū)儲(chǔ)電電源得以共享使用，提升裝置利用效率。設(shè)想用戶的儲(chǔ)能設(shè)備在峰值閑置的情況下可以通過(guò)雙向電表出售儲(chǔ)蓄電能給相鄰用電用戶（包括公區(qū)用電）。通過(guò)智能控制系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電池根據(jù)每日峰時(shí)段已過(guò)比例釋放對(duì)應(yīng)比例電能。用戶可通過(guò)谷時(shí)價(jià)格儲(chǔ)能，平時(shí)電價(jià)出售獲得利益。而供電部門(mén)按峰時(shí)價(jià)格收取用電用戶費(fèi)用、獲取差價(jià)，也可獲得設(shè)備、系統(tǒng)投資的費(fèi)用補(bǔ)償。

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4.3" 儲(chǔ)能設(shè)備的安裝位置設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能設(shè)備越靠近電表及用電端，所需電線長(zhǎng)度越少。因此較為理想的位置是在電井。當(dāng)然也會(huì)有其明顯的缺點(diǎn)，首先是電井計(jì)入公攤面積，增加電池儲(chǔ)能空間也會(huì)帶來(lái)公攤增大，產(chǎn)品設(shè)計(jì)端和用戶對(duì)此會(huì)有較大的意見(jiàn)。其次電池是否足夠安全也會(huì)是大家關(guān)心的問(wèn)題。未來(lái)隨著電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，安全性和儲(chǔ)能能力的調(diào)高，儲(chǔ)能電池可小體積安裝至戶內(nèi)設(shè)備間。

第二種可選位置為生活陽(yáng)臺(tái)外部設(shè)置一設(shè)備平臺(tái)（類似于中央空調(diào)），并應(yīng)靠近外窗或者洞口，便于維修更換更換。它的缺點(diǎn)是暴露在空氣中，因此需要作好防護(hù)（防雨防曬）。且走線相對(duì)較長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)則是建筑上不計(jì)入面積，且臨外墻，安全性較好（圖2）。

4.4" 供電部門(mén)及技術(shù)規(guī)范的支持

未來(lái)中國(guó)的城鎮(zhèn)化發(fā)展還有10多年的發(fā)展時(shí)間，鄉(xiāng)村振興也才逐步擴(kuò)展。分布式儲(chǔ)能具有容量小、占地少、安裝靈活和易于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)。分布式儲(chǔ)能技術(shù)作為智慧社區(qū)的關(guān)鍵技術(shù)之一，將分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在智慧社區(qū)，可以提高智慧社區(qū)中可再生能源發(fā)電的利用率，還能作為備用電源，提高供電可靠性，改善用戶的電能質(zhì)量［5］。人對(duì)于居住環(huán)境品質(zhì)的提升要求不會(huì)停止，國(guó)家對(duì)低碳減排的發(fā)展戰(zhàn)略才剛剛起步，發(fā)展居民電池儲(chǔ)能還有較大的空間。只有依賴于技術(shù)規(guī)范的推行，通過(guò)政策文件和技術(shù)規(guī)范將電池儲(chǔ)能要求寫(xiě)入新建居住建筑中建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中，才能逐步提升儲(chǔ)能在用電的占比，形成規(guī)?；男?yīng)。

5" 建筑及基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域儲(chǔ)能的展望

建筑碳中和的關(guān)鍵在于社區(qū)級(jí)能源微電網(wǎng)。建筑脫碳在潛力在于社區(qū)”微能源“系統(tǒng)，將風(fēng)能、太陽(yáng)能光伏與建筑一體化設(shè)計(jì)，借助為能源系統(tǒng)，有效調(diào)節(jié)電網(wǎng)波動(dòng)［6］。

除了小型儲(chǔ)能的發(fā)展，實(shí)際上電力部門(mén)已經(jīng)在大力探索前端大型電池儲(chǔ)能的建設(shè)和應(yīng)用。未來(lái)10年甚至更久遠(yuǎn)的時(shí)間內(nèi)，我國(guó)電池儲(chǔ)能技術(shù)將有較大的提升，電池儲(chǔ)能產(chǎn)能大幅的釋放，電池儲(chǔ)能將會(huì)迎來(lái)巨大的發(fā)展?？纱竽懺O(shè)想電池儲(chǔ)能除了在新能車領(lǐng)域的發(fā)展、替代石化燃料外，還會(huì)在民用建筑中推廣開(kāi)來(lái)，甚至?xí)粦?yīng)用在一些市政、配套工程應(yīng)用（例如市政照明，夜景燈光等），比如利用公園、綠地等地下空間設(shè)置儲(chǔ)能站。儲(chǔ)能技術(shù)在民用建筑的中的發(fā)展將有效的支撐水電、風(fēng)電，太陽(yáng)能發(fā)電、核電的發(fā)展，為替代化石能源作貢獻(xiàn)，也將開(kāi)啟建筑運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域綠色低碳減排新篇章。

參考文獻(xiàn)

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［2］" 國(guó)家發(fā)改委.關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知：發(fā)改價(jià)格〔2021〕1093號(hào)［S］ .北京：國(guó)家發(fā)改委，2021.

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［6］" 仇保興.城市如何實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和［J］. 中國(guó)經(jīng)濟(jì)評(píng)論. 2021 （5）：76-81.