储能在建筑楼宇能源系统中的多层级应用

翁洪康, 袁向科, 李汉秋 , 胡 骏

(1.浙江浙能数字科技有限公司, 浙江杭州 310003; 2.浙江浙水房地产开发有限公司, 浙江杭州 310000)

0 引言

建筑的能耗较大,而建筑的负荷与建筑功能定位、所处地理区域等紧密相关。常见建筑的负荷需求包括照明、动力设备、生活热水、工商业、空调制冷采暖、数据中心用能等。为了满足以上负荷需求,在建筑楼宇中,常见的能源利用和转化设备包括燃气锅炉、天然气冷热电三联供、空调冷水机组、热泵、充电桩、各种储能设备等。在建筑的能源消耗结构中,除了市政用电、天然气、热力等常见能源,通常还因地制宜,结合气候特点、地理环境、自然资源等条件,发展风能、太阳能、地热能等多种可再生能源以及工业废热等资源。

随着“双碳”目标的提出,建筑节能和绿色建筑的要求逐步提高,2022年3月,《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》出台,明确“到2025年,城镇新建建筑将全面建成绿色建筑,建筑用能结构逐步优化,能耗和碳排放增长趋势得到有效控制,基本形成绿色、低碳、循环的建设发展方式,为城乡建设领域2030年前碳达峰奠定坚实基础。”2022年6月,《城乡建设领域碳达峰实施方案》提出了“推动智能微电网、光储直柔、蓄冷蓄热、负荷灵活调节、虚拟电厂等技术应用,优先消纳可再生能源电力,主动参与电力需求侧响应。探索建筑用电设备智能群控技术,在满足用电需求前提下,合理调配用电负荷,实现电力少增容、不增容。根据既有能源基础设施和经济承受能力,因地制宜探索氢燃料电池分布式热电联供。”2022年3月,《“十四五”新型储能发展实施方案》出台,提出了“灵活多样发展用户侧新型储能,推进源网荷储一体化协同发展。通过优化整合本地电源侧、电网侧、用户侧资源,合理配置各类储能,探索不同技术路径和发展模式,鼓励源网荷储一体化项目开展内部联合调度。积极推动新型储能与智慧城市、乡村振兴、智慧交通等领域的跨界融合,不断拓展新型储能应用模式。拓展多种储能形式应用。结合各地区资源条件,以及对不同形式能源需求,推动长时间电储能、氢储能、热(冷)储能等新型储能项目建设,促进多种形式储能发展,支撑综合智慧能源系统建设。”

为了落实国家双碳目标,降低建筑能耗,提高建筑的能源利用效率,一方面需要提高现有建筑的能源利用效率,增加灵活储能设施;另一方面需要在建筑能源系统中开发新型可再生能源。从电网层面,在双碳目标下,电网中新能源比例逐步提高,其中大部分属于风电、光伏等非水可再生能源。由于电力是个供需实时平衡的系统,区别于传统火力发电,非水可再生能源发电能力随着天气条件波动,因此给电网负荷平衡带来了更大的挑战。为了建设新型电力网络,一方面需要提高对非水可再生能源出力的预测精度;另一方面需增加电网负荷侧的可控性和调节性。在实时平衡的电网中,储能成为最有效和直接的负荷调节手段。目前储能可分为发电侧储能、电网侧储能和用户侧储能,其中建筑楼宇中的储能设施属于用户侧储能。

从建筑楼宇微电网的层面,分布式能源进一步开发利用,建筑楼宇不仅是能源的消费者,也成为了能源的生产者,消纳自身产生的风电、光伏等可再生能源时,也有发电能力波动的问题,因此有必要在建立园区级“源网荷储”一体化的能源网络时,因地制宜地引入储能设施,实现3个目标:①作为电网的用户侧,增强负荷的调节性;②作为分布式能源的生产者,做到有效消纳自身生产的可再生能源发电;③利用电能峰谷价差、需求响应、电力市场交易等实现经济收益。

1 储能技术简介

根据储能过程的能量转化原理,可以分为物理储能和化学储能。常见的物理储能包括:重力储能、飞轮储能、电容储能、相变储能、冷热水储能、蒸汽储能、压缩空气储能、地下储能;化学储能包括:电化学、热化学、氢储能、沼气储能等。根据储能的周期分类:短时、日内和跨季节储能。

储能设施的性能指标主要有储能容量和充放能的功率。对于储能容量小,充放功率大的储能设施,主要用于短时的能量平衡,反之,则用于长周期的蓄能。短时间充放周期有秒级和分钟级,如电力辅助服务,也有日内数小时,如楼宇空调机组储能、消纳可再生能源的电池储能,还有跨越数天的储能,如抽水蓄能电站,跨越季节的储能,如地下储能等。

在建筑能源系统中,储能技术的应用主要有建筑围护材料、建筑空调系统、楼宇电力系统等。

2 储能在建筑中应用

2.1 建筑围护材料

在营造建筑热舒适性的过程中[1],通常根据建筑所处环境和使用要求,确定合理的建筑热惯性。热惯性往往受建筑维护结构中使用的材料和结构类型影响。当采用高热惯性材料时,可以使建筑在升温时保持室内较长时间凉爽,平抑昼夜温差,有利于保持室内温度稳定。目前大多既有建筑围护结构依然存在储热容量小、热惯性小、室内温度波动大等问题。因此,有必要通过材料革新提高建筑围护的储热能力。

传统利用砖等材料显热储能,但由于砖的比热容相对较低,其储能温度高,这导致对墙体围护结构的隔热要求高。为了改善储能工况,有研究将相变材料引入墙体储能中。与传统材料相比,相变储能具有潜热大、温度稳定等特点。建筑中使用的储能材料的方式,可分为被动式储能和主动式储能[2]。被动式储能是将相变材料代替部分墙体材料,热空气不先和相变材料换热,相变材料和墙体一起起到隔热作用,不人为控制热空气和墙体相变材料的换热方式。主动式储能,热空气先与在墙体中的相变材料换热,再进入室内。墙体蓄热快,墙体可以和空调系统结合,实现主动蓄能。

相变材料主要分为无机相变材料和有机相变材料。无机水合盐作为典型的相变储能材料,具有价廉易得、化学性能稳定等优点。但在实际生产应用中,其由于自身相变温度高、过冷度大、相分离严重、导热性差等缺陷制约了材料的应用[3]。

在有机类相变材料中,石蜡由于物理和化学性质稳定、熔点范围广、已工业化生产,同时具有蓄热密度大、无过冷现象、来源广泛等优点,成为近年来相变储热材料的研究热点[4]。其封装方式有宏观封装、微胶囊封装、多孔材料吸附等。

2.2 建筑空调系统

在建筑楼宇中,制冷、制热能耗占有较大比例,因此建筑空调系统的节能增效是建筑节能提效的重要方面。在建筑空调的储能方案中,可以按照功能和储能周期分为:①为实现设备节能增效、短期负荷调节的常规储能;②为建筑提供可再生的冷热源,实现冬夏季平衡的跨季节储能。

2.2.1 常规空调储能

常规储能作为空调系统的一部分,不额外增加冷热源,储能周期通常在数小时,主要面对昼夜负荷波动,常规空调系统具有一些特点:①空调往往能耗较大;②与用户舒适性关系密切,系统运行优化需要考虑用户习惯需求;③负荷波动较大,并且与电网峰谷电不匹配。为了解决上述问题,研究者在空调系统中引入不同形式的储能设施。除了前述的和建筑围护结构相结合的储能材料,常见的储能技术包括热水罐(冷水罐)储能、相变储能。

采用热水罐(冷水罐)为空调系统储能,在夜间谷电时间将空调系统热水(冷水) 储存,在白天负荷高峰时段释放热(冷)量,通过峰谷电价差获得收益,同时在负荷高峰时段降低空调机组的最大出力,减少设备投资成本。该储能方案具有设备简单、运行可靠、热水储存和释放响应速度快、减少燃气锅炉等设备启停次数、延长设备寿命等优点,其缺点是储罐体积占地较大。在储罐储存的热水或冷水,通过合理的形状设计和流场布局,形成稳定的冷热水分层,减小斜温层厚度,增加储罐可用热水体积,有效提高储罐的储能效率[5]。

相变储热技术具有储能密度大、储热效率高、输出温度和能量稳定等优点。为了提高储能介质的热容量,减小体积,可采用冰蓄冷或者其它相变蓄能材料作为空调的储能介质,冰蓄冷储能体积小,但是蓄冷和放冷功率小。

在空调储能中,无机相变材料的优点是应用温度宽、导热率高、储能密度大、制备成本低等,缺点是在过冷、相分离现象和具有一定腐蚀性等。有机相变材料相比于无机相变材料,无过冷现象,稳定性较强并且相容性好,但有些有机相变材料存在有毒、易燃、导热系数低、成本昂贵等缺点。

2.2.2 跨季节储能

跨季节储能主要是为空调系统提供更经济的冷热源,可视为一种可再生能源的利用方式。由于建筑供热和制冷的能耗占比高,可到社会总能耗的25%～30%[6],并且对于常规建筑楼宇来讲,供冷与供热具有季节性,并不同时发生,通常只有冬季供热和夏季供冷。针对这类冷热负荷的季节变化的情况,解决热能需求和季节性供应之间不匹配的问题,可以将夏季热量储存,并在冬季作为供热的热源,配合地源热泵、空调机组等,可以实现低品位能量的高效利用。

跨季节储能要求储量大、储能时间长、能量损失小的要求,地下储能因其高储存效率和高储存容量[7]等优点,是长期热能存储的首选。根据储能介质的不同,跨季节储能可以分为显热储热技术、潜热储热技术、热化学储热技术。

(1)显热储热技术:技术成熟、操作简单,仍是目前应用最广泛的储热方式之一,地下跨季节显热储能分为:热水储能、砾石-水储能、土壤埋管储能、以及含水层储能。

(2)潜热储热技术:是利用储热材料在发生相变过程中吸收和释放热量来实现热能储存的技术,也称相变储热。相变储热具有能量密度高、相变过程温度近似恒定的优点。

(3)热化学储热技术:是利用可逆化学反应过程中伴随的热量吸收和释放而进行热量储存的。

赵璇等[8]介绍了上面3种储热技术的研究现状,并对其进行分析比较,认为相比于另外2种热能储存方式,热化学储热具有较高储热密度,且能实现在接近环境温度下长期无热损储热,而其中热化学吸附和吸收反应温区与太阳能中低温热利用温区相一致,适用于建筑采暖、结构紧凑的跨季节储热。

2.3 楼宇电力系统

在双碳目标下,新型电力系统能源供给侧发生重大转变,以风光电等可再生能源为主的新能源占比不断提高,电源呈现波动性特征,需要荷侧能够更好地匹配源侧变化。在作为需求侧的建筑领域,随着分布式、可再生能源接入,使得用户从单一能源消费者向能源产消者转变;对于需求侧的交通领域,由于电动汽车的推广,也面临的充电需求保障、对电网的压力等也亟需更好的应对方法。

建筑楼宇具有“源、储、网、荷”的能源复合特征,其新型电力系统具有几个特点:

(1)由于电网发电出力的波动,不再简单的以负荷确定出力,对需求侧负荷可调节性提出了更高的要求。

(2)建筑楼宇中接入的光伏、风电等可再生能源系统,由于出力波动特性,对楼宇自身消纳新能源发电提出了要求。

(3)新能源汽车充电桩的接入,充电负荷往往阶段性波动,对电力系统产生冲击。

(4)随着电力市场改革的深入,工商业全面接入电力交易,电价波动直接影响用户的能源成本,用户有必要提升电力负荷调控能力,在电力交易市场获得更高的收益,降低经济风险。针对上述问题,一方面需提高楼宇能源系统的智能化控制,挖掘可调节负荷;另一方面,通过增加电力系统的储能装置,提高电力系统负荷的可调节性。电力系统常见的储能方案有压缩空气储能、电池储能、氢储能等。

2.3.1 压缩空气储能

传统压缩空气储能通过多余电能将空气进行压缩存储,需用电时利用高压储气推动膨胀机做功。从燃料利用上,压缩空气储能可分为传统补燃型和新式带储热装置的非补燃型。补燃式系统在膨胀释能过程中,空气与其它化石燃料在燃烧室内燃烧驱动发电机发电。非补燃式系统分为无外来热源和有外来热源,其中,有外来热源型一般利用太阳能或煤电机组的多余热量加热空气膨胀做功; 无外来热源型系统则增设储热装置,压缩过程产生的热量经导热介质换热后储存在储热罐中,在膨胀释能时储热罐中的热介质加热高压空气,实现压缩热的高效利用。压缩空气储能以储能规模大、存储周期长、对环境污染小等优势受到人们的青睐[9],压缩空气储能受地理条件限制较大,造价相对电池储能也较高。

2.3.2 电化学储能

储能领域应用的电池有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池。铅酸电池因其循环寿命短、比能低等缺点限制了其在储能应用上的发展。锂离子电池现有技术体系已十分成熟,其中磷酸铁锂电池由于价格较低、寿命长等优点,适用于大规模储能。钠硫电池[10]具有高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、温度稳定性以及无自放电等方面的优点,但需要高温运行。液流电池中,全钒液流电池发展得较为成熟,而液流电池的结构特点具有单独的活性物质储液罐, 液流电池的输出功率和容量相对独立, 系统设计灵活, 能量效率高[11]。目前建筑楼宇中,具有广泛推广价值的是锂离子电池储能技术。

2.3.3 氢储能

氢储能具有跨季节、跨区域和大规模存储的优势。氢储能可以实现园区微网中分布式新能源的就地消纳,并且提供比电化学能源更长的储存时间。氢能的储存方法大致分为物理储氢和化学储氢,物理储氢有高压气态储存、低温液态储存、地质储氢等,化学储氢技术有固态储存、有机液态储氢、液氨储氢等[12]。

制氢技术有化石能源制氢、工业副产制氢、可再生能源制氢。可再生能源制氢是清洁能源的重要技术路线,在可再生能源制氢中,电解水制氢则是基础。电解水制氢技术分为碱性电解水制氢、质子交换膜电解制氢和固体氧化物电解制氢等技术[13],碱性电解水技术最为成熟,但效率较低; 固体聚合物/质子交换膜电解技术效率较高,装置结构紧凑,但成本较高; 而固体氧化物电解技术的工作温度在800～1 000℃,实验室条件下转化效率接近100%,但目前尚处于研究阶段。

在建筑楼宇中,氢储能可以基于可再生能源制氢和氢燃料电池等技术,作为储能的重要补充手段。

3 结论与建议

在双碳目标下，电力系统中接入非水可再生能源的比例逐步提高，对电网需求侧提出了负荷调节控制需求，另外在建筑中分布式能源、可再生能源接入，建筑自身能源系统也具备了“源网荷储”一体化特征。基于以上双层因素，以及建筑节能和绿色建筑的要求，在建筑楼宇中建设储能成为必要的手段，本文综述了建筑楼宇中不同能源系统层级、不同储能介质、不同调节周期的储能技术，并提出几个建议：

(1)在建筑楼宇中,提高能源系统规划水平,根据能源系统层级需要,选择合适储能介质,发展不同类型储能技术,降低储能造价成本。

(2)在建筑楼宇“源网荷储”一体化的能源系统中,储能作为最为有效的负荷调节手段,有必要基于储能技术,提高能源系统调度水平,建设考虑储能、冷热负荷调节、充电桩、电力市场和需求响应的综合能源管控平台,提高建筑能源系统智能化水平。