建筑能源系統(tǒng)混合儲(chǔ)能技術(shù)研究分析

摘要：混合儲(chǔ)能技術(shù)作為新型的能源存儲(chǔ)和管理方式，為建筑能源系統(tǒng)的優(yōu)化提供了新的解決方案。在對(duì)混合儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行概述基礎(chǔ)上，明確了其在建筑能源系統(tǒng)中應(yīng)用的價(jià)值，重點(diǎn)對(duì)混合儲(chǔ)能的常見(jiàn)匹配方式等研究?jī)?nèi)容進(jìn)行深入探討，以期為建筑能源系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：建筑；能源系統(tǒng)；混合儲(chǔ)能技術(shù)；能源匹配方式

建筑能源系統(tǒng)作為能源消耗的重要領(lǐng)域，其運(yùn)行效率和性能對(duì)整個(gè)社會(huì)的能源消耗具有顯著影響［1］。隨著技術(shù)的發(fā)展，混合儲(chǔ)能技術(shù)逐漸成為建筑能源系統(tǒng)優(yōu)化的重要手段。這種技術(shù)通過(guò)結(jié)合不同種類(lèi)的儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能源的高效存儲(chǔ)和利用，從而提升建筑能源系統(tǒng)的整體性能。

1混合儲(chǔ)能技術(shù)概述

混合儲(chǔ)能技術(shù)是一種結(jié)合多種儲(chǔ)能方式的能源存儲(chǔ)和管理技術(shù)。通過(guò)將不同類(lèi)型的儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行有機(jī)組合，可以實(shí)現(xiàn)各種儲(chǔ)能方式的互補(bǔ)，進(jìn)一步提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和效率［2］。在建筑能源系統(tǒng)中，常用的混合儲(chǔ)能技術(shù)主要包括電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。

2混合儲(chǔ)能技術(shù)在建筑能源系統(tǒng)中應(yīng)用的常用匹配方式2.1電熱混合儲(chǔ)能方式

在整個(gè)建筑的能源系統(tǒng)構(gòu)成中，熱能、電能均是構(gòu)建的關(guān)鍵部分。蓄電池在當(dāng)前應(yīng)用中具有穩(wěn)定的充電與放電能力，可以滿足用戶(hù)使用電能的需求，但是在實(shí)際的應(yīng)用中卻容易因?yàn)轭l繁、反復(fù)的使用而縮短其使用壽命，并且涉及相對(duì)較高的維護(hù)成本。而蓄熱罐則使用起來(lái)非常簡(jiǎn)便，且成本低廉，所以基本上能夠滿足低品位熱能的使用需求，但是其釋放出來(lái)得到的熱能品位整體上比較低。假如分別對(duì)蓄熱裝置與蓄電裝置進(jìn)行單一化、獨(dú)立式設(shè)置，那么相應(yīng)能量在流動(dòng)過(guò)程中無(wú)法做到彼此有效協(xié)調(diào)與配合，這樣均會(huì)使釋放的熱能過(guò)程或者儲(chǔ)存熱能的過(guò)程出現(xiàn)效率低下的問(wèn)題，不利于滿足用戶(hù)在熱負(fù)荷、電負(fù)荷使用方面的需求。而基于能量轉(zhuǎn)換裝置的應(yīng)用，可以很好解決上述問(wèn)題，即可以基于“電熱”混合儲(chǔ)能來(lái)使二者之間構(gòu)建協(xié)作互助的聯(lián)系，保障順利實(shí)現(xiàn)二者有效協(xié)調(diào)的管理目標(biāo)，提高建筑能源系統(tǒng)中的能源使用率。

圖1是一種該復(fù)合儲(chǔ)能方式構(gòu)成的建筑功能系統(tǒng)，涵蓋了燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐等轉(zhuǎn)換能量的設(shè)備，同時(shí)也包含了蓄電池等一些配套運(yùn)行的儲(chǔ)能設(shè)備。在電價(jià)處于低谷期的時(shí)候，該系統(tǒng)能夠借助燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)機(jī)等來(lái)開(kāi)展發(fā)電，或者從電網(wǎng)方面購(gòu)入價(jià)格比較低的電來(lái)滿足受眾使用需求。如果電量比較多，那么它們能夠應(yīng)用于蓄電池之中，或者基于電鍋爐（蓄熱式）來(lái)轉(zhuǎn)化電能為熱量。此外，基于燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中生成的余熱，可以保證用戶(hù)熱負(fù)荷得到有效滿足。在電價(jià)相對(duì)較高的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)與風(fēng)機(jī)（分布式）則可以立足于用電負(fù)荷滿足視角，將蓄電池作為電力釋放的重要依據(jù)。如此一來(lái)，基于實(shí)際的用戶(hù)用電需求，該系統(tǒng)能夠靈活地選擇售賣(mài)電量或從主電網(wǎng)方向進(jìn)行購(gòu)電。與此同時(shí)，熱能裝置可以通過(guò)熱量釋放的方式來(lái)滿足全體用戶(hù)使用熱負(fù)荷的需求，保證可以最大程度提高能量使用的效益與效率。

圖1基于電熱混合儲(chǔ)能的供能系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2電氣混合儲(chǔ)能方式

該儲(chǔ)能方式是借助某種獨(dú)特的耦合元件來(lái)聯(lián)系燃?xì)庀到y(tǒng)與電氣系統(tǒng)，以此來(lái)調(diào)度運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，其可以最大程度提高燃?xì)馀c電力二者作為能源使用的優(yōu)勢(shì)與作用。與此同時(shí)，基于該種混合儲(chǔ)能方式可以控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，提高能源的綜合利用率。

圖2是“電天然氣”二者構(gòu)成的轉(zhuǎn)換能量的具體過(guò)程，涵蓋燃?xì)鈾C(jī)組、電氣轉(zhuǎn)化裝置等。在夜間的時(shí)候，電價(jià)達(dá)到了谷期，風(fēng)電運(yùn)行中的反調(diào)峰特征使得“棄風(fēng)”現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，這時(shí)候該系統(tǒng)能夠由主電網(wǎng)方面購(gòu)買(mǎi)低價(jià)格電能，并將它們相應(yīng)地存儲(chǔ)到蓄電池之中來(lái)對(duì)電負(fù)荷谷值進(jìn)行增加，保證有效規(guī)避“棄風(fēng)”現(xiàn)象。如果基于蓄電池使用的方式無(wú)法徹底消納或解決“棄風(fēng)”現(xiàn)象，此時(shí)可以對(duì)電轉(zhuǎn)氣裝置進(jìn)行啟動(dòng)，保證可以將多余風(fēng)電向天然氣轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的目標(biāo)。該種技術(shù)應(yīng)用機(jī)理是基于電解水操作來(lái)進(jìn)行氫氣制作，之后其和二氧化碳之間進(jìn)行反應(yīng)來(lái)構(gòu)成天然氣，能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行中存在的“棄風(fēng)”現(xiàn)象進(jìn)行有效消納與解決，同時(shí)也為氣負(fù)荷需求的滿足提供了更多路徑。但是由于儲(chǔ)氣裝置運(yùn)行效率與效益非常低，所以在一定程度上限制了P2G技術(shù)的推廣與應(yīng)用。在白天電價(jià)達(dá)到峰值期間，如果風(fēng)電發(fā)電量比較低，那么這時(shí)候蓄電池會(huì)向外進(jìn)行放電來(lái)輔助滿足用戶(hù)用電需求，同時(shí)儲(chǔ)氣罐也會(huì)相應(yīng)地將存儲(chǔ)的天然氣釋放出來(lái)滿足用戶(hù)在燃?xì)庳?fù)荷方面的實(shí)際需求。

圖2基于電天然氣混合儲(chǔ)能的供能系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖3是基于“電氫氣”構(gòu)成的一種混合儲(chǔ)能方式，主要能量轉(zhuǎn)換裝置是燃料電池，由蓄電池與儲(chǔ)氫裝置共同構(gòu)成系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置。如果白天天氣晴朗，那么在滿足用戶(hù)在電和熱方面負(fù)荷需求中，主要基于太陽(yáng)能光伏、發(fā)電這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)，而形成的多余電能則可以在蓄電池之中進(jìn)行存儲(chǔ)，或者驅(qū)動(dòng)水電解制氫設(shè)備來(lái)生成氫氣后在儲(chǔ)氫設(shè)備中加以存儲(chǔ)。為了保障發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，可以選擇市電作為補(bǔ)充手段，保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性?？紤]到基于太陽(yáng)能發(fā)電的方式只能夠在白天完成，夜間缺乏光照，無(wú)法保障太陽(yáng)能供應(yīng)持續(xù)性，這時(shí)候可以借助燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)向SOFC方輸送燃?xì)?，或者基于?chǔ)氫裝置向PEMFC方進(jìn)行放氣，這樣就能夠持續(xù)向用戶(hù)提供熱能與電能。與此同時(shí)，該系統(tǒng)還可以從電網(wǎng)方面低價(jià)購(gòu)入市電來(lái)繼續(xù)進(jìn)行氫氣存儲(chǔ)。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)主要能源載體是氫能，借助“谷電”或“棄光”等來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)氫氣的目標(biāo)，整體氫能存儲(chǔ)靈活、便捷和自由。

圖3基于電氫氣混合儲(chǔ)能的供能系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.3電氣熱混合儲(chǔ)能方式

該儲(chǔ)能方式充分參考了“電熱”和“電氣”兩種儲(chǔ)能形式，借助眾多類(lèi)型能量轉(zhuǎn)換裝置與儲(chǔ)能裝置的有效應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)二者有效融合目標(biāo)，保障整體儲(chǔ)能系統(tǒng)具備更加完善的功能?？紤]到建筑運(yùn)行中主要涉及由電、熱、氣3種類(lèi)型負(fù)荷構(gòu)成的負(fù)荷體系，可以滿足廣大受眾關(guān)于能源的使用需求，同時(shí)也可以解決能源短缺與供應(yīng)障礙等問(wèn)題。

如圖4，該系統(tǒng)可以結(jié)合外部的諸多影響因素與實(shí)際運(yùn)行條件等來(lái)針對(duì)性進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換裝置設(shè)置，如P2G裝置、燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備、電鍋爐設(shè)備等等。與此同時(shí)，該系統(tǒng)還在運(yùn)行階段設(shè)置了儲(chǔ)熱、氣、電等多類(lèi)型的儲(chǔ)能裝置。如果電網(wǎng)運(yùn)行的電價(jià)處于低谷期，那么該風(fēng)光系統(tǒng)可以綜合利用風(fēng)電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)等來(lái)共同滿足用戶(hù)關(guān)于用電負(fù)荷方面的使用需求。此外，該系統(tǒng)也可以借助低價(jià)電購(gòu)置或采取棄風(fēng)發(fā)電的方式將有關(guān)電能在蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)；系統(tǒng)借助電鍋爐設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣裝置等同樣可以實(shí)現(xiàn)電熱或電氣方面的轉(zhuǎn)化，保障氣熱方面負(fù)荷需求得到有效滿足，而如果天然氣用量充足，那么可以將它們?cè)趦?chǔ)氣罐中進(jìn)行存儲(chǔ)，而熱量如果比較多，則會(huì)進(jìn)入到蓄熱罐之中。如果電價(jià)處于高峰期，那么借助燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)滿足實(shí)際的用電負(fù)荷需求；如果電力不足，相應(yīng)設(shè)置的蓄電池可以用于電力補(bǔ)充；如果電力需求依舊無(wú)法得到滿足，那么這個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)則可以從電網(wǎng)中購(gòu)買(mǎi)電力。圖4基于電天然氣熱混合儲(chǔ)能的供能系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖5則是基于“電氫氣熱”構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要能量轉(zhuǎn)換裝置包括電解池、燃料電池、電加熱設(shè)備等。在電價(jià)處于谷期的時(shí)候，相應(yīng)系統(tǒng)能夠從電網(wǎng)進(jìn)行低價(jià)電購(gòu)入，并將它們存儲(chǔ)到蓄電池之中。基于有關(guān)能量轉(zhuǎn)換裝置的應(yīng)用，可以將相應(yīng)電能向氫氣、熱能方面進(jìn)行轉(zhuǎn)化，之后再將它們進(jìn)行存儲(chǔ)。用戶(hù)可以利用自身的電負(fù)荷基于風(fēng)力發(fā)電方式來(lái)加以滿足。在電價(jià)處于高峰期的時(shí)候，蓄熱罐能夠進(jìn)行防熱操作來(lái)確保用戶(hù)方面的熱負(fù)荷需求得到有效滿足；針對(duì)用戶(hù)關(guān)于電負(fù)荷方面的需求，可以基于光伏發(fā)電或蓄電池放電的方式，融合儲(chǔ)氫罐放氣操作來(lái)向燃料電池方面進(jìn)行供電操作，而多余出來(lái)的電能則可以向電網(wǎng)方向出售，保障儲(chǔ)能便利性與有效性。

圖5基于電氫氣熱混合儲(chǔ)能的供能系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.4其他混合儲(chǔ)能方式

除了上述這3種比較多用的混合儲(chǔ)能方式之外，

還涉及“電熱冷”和“電熱冷氣”等混合儲(chǔ)能方式。電制冷機(jī)在運(yùn)行中能量利用效率高，可以在電價(jià)處于較低的谷期時(shí)刻進(jìn)行冷負(fù)荷存儲(chǔ)，以對(duì)高電價(jià)時(shí)刻的峰期進(jìn)行有效應(yīng)對(duì)，保證整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)吸收式制冷機(jī)而言，其具有相對(duì)有限的容量和運(yùn)行效率，但是卻能夠?qū)Χ嘤喙崃窟M(jìn)行有效回收，這使得其在制冷領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。此外，熱泵技術(shù)應(yīng)用下的能源可以得到充分利用，保障它們?cè)谶\(yùn)行階段具備良好的環(huán)保特性；熱泵也可以進(jìn)行制冷操作或供熱操作，這對(duì)系統(tǒng)初始運(yùn)行成本進(jìn)行有效控制，所以是當(dāng)前混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)。同水蓄冷方式相比，冰蓄冷技術(shù)的蓄冷密度更高，同時(shí)也可以高效地轉(zhuǎn)移電力負(fù)荷高峰，所以在當(dāng)前混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用了該種技術(shù)。其中蓄冷罐是最為多用的一種儲(chǔ)冷裝置，但是為了改善其經(jīng)濟(jì)效益，也可以借助“一罐兩用”的功能運(yùn)用來(lái)改善蓄熱罐的使用效能，同時(shí)一罐兩用（蓄冷和蓄熱）的設(shè)計(jì)方式可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本進(jìn)行控制，增加整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

3結(jié)語(yǔ)

混合儲(chǔ)能技術(shù)作為新型的能源存儲(chǔ)和管理方式，在建筑能源系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。而作為混合儲(chǔ)能技術(shù)的核心，其儲(chǔ)能匹配方式至關(guān)重要，常用的包括“電熱”“電氣”和“電熱氣”等多種匹配方式，具體可以結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求和情況進(jìn)行合理確定。深入研究和優(yōu)化混合儲(chǔ)能技術(shù)，有望進(jìn)一步提升建筑能源系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］葉從周.聚類(lèi)分析在公共建筑能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中的應(yīng)用研究與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的開(kāi)發(fā)與共享途徑［J］.建筑科技，2021，5（6）：5960.

［2］夏陽(yáng)，金光，張立，等.基于建筑能源系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2021，10（6）：21692170.

基金項(xiàng)目：太原學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目“建筑能源系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度模型開(kāi)發(fā)”（23TYQN17）

作者簡(jiǎn)介：文麗，女，山西太原人，助教，碩士，研究方向：綜合能源系統(tǒng)。