2021年10月24日，國務(wù)院印發(fā)《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達峰行動方案的通知》，《通知》中明確要求：加快優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)。深化可再生能源建筑應(yīng)用，推廣光伏發(fā)電與建筑一體化應(yīng)用。積極推動嚴寒、寒冷地區(qū)清潔取暖，推進熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖，加快工業(yè)余熱供暖規(guī)模化應(yīng)用，積極穩(wěn)妥開展核能供熱示范，因地制宜推行熱泵、生物質(zhì)能、地熱能、太陽能等清潔低碳供暖。引導(dǎo)夏熱冬冷地區(qū)科學(xué)取暖，因地制宜采用清潔高效取暖方式。提高建筑終端電氣化水平，建設(shè)集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑。到2025年，城鎮(zhèn)建筑可再生能源替代率達到8%，新建公共機構(gòu)建筑、新建廠房屋頂光伏覆蓋率力爭達到50%。
在低碳發(fā)展的背景下，為適應(yīng)高比例的可再生能源結(jié)構(gòu)，建筑電氣化已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢。建筑電氣化不僅要提高建筑電氣化率，還要發(fā)展新型建筑配用電系統(tǒng)。長期以來，建筑配用電系統(tǒng)的設(shè)計以滿足使用者的體驗感、保障電氣設(shè)備的安全性和可靠性為基本要求，同時與建筑節(jié)能緊密結(jié)合。未來為適應(yīng)可再生能源在電網(wǎng)側(cè)高比例滲透和在建筑周邊分布式發(fā)展的新趨勢，建筑配用電系統(tǒng)迫切需要發(fā)展新技術(shù)，其中“光儲直柔”是關(guān)鍵。
其中“光”和“儲”分別指分布式光伏和分布式儲能會越來越多地應(yīng)用于建筑場景，作為建筑配用電系統(tǒng)重要組成部分；“直”指建筑配用電網(wǎng)的形式發(fā)生改變，從傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)改為采用低壓直流配電網(wǎng)；“柔”則是指建筑用電設(shè)備應(yīng)具備可中斷、可調(diào)節(jié)的能力，使建筑用電需求從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝浴?
建筑作為城市電力消費的主體，發(fā)展“光儲直柔”建筑，除了促進建筑自身節(jié)能、提高建筑用電體驗外，對于解決城市電網(wǎng)面臨的電網(wǎng)增容壓力、可靠性提升壓力等都有積極作用。以基于深圳市大型公共建筑的用能特點，分析“光儲直柔”建筑對于城市電網(wǎng)的作用。
一、削減夏季空調(diào)負荷峰值
空調(diào)是導(dǎo)致夏季負荷峰值的主要原因之一。根據(jù)深圳市公共建筑能耗監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)顯示，2019年公共建筑的單位面積用電指標為109 kWh/㎡。其中，照明與插座的用電量占比最大，達62.7%；空調(diào)用電次之，為26.5%，其余的動力用電和特殊用電占比為10.8%。
再選取典型日負荷曲線看，照明插座、動力用電和特殊用電受季節(jié)的影響較小，而空調(diào)用電負荷則有明顯的季節(jié)差異性。以政府辦公建筑類型為例（其典型日負荷曲線見圖1），其夏季空調(diào)用電量占比高達40%，而冬季不到10%。如果能夠充分挖掘空調(diào)系統(tǒng)的靈活性，一方面配置蓄冷、蓄冰、蓄電等儲能設(shè)施，另一方面結(jié)合建筑的用能需求和負荷特性優(yōu)化空調(diào)的運行調(diào)度策略，則有可能大幅降低夏季空調(diào)的負荷峰值。
與此同時，注意到光伏的發(fā)電峰值跟公建用電負荷峰值相重疊，積極開發(fā)建筑光伏發(fā)電資源也有利于減小建筑負荷的日間峰值。季節(jié)性上光伏發(fā)電峰值也與空調(diào)負荷峰值重疊。因此，發(fā)展“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)對于削減夏季空調(diào)負荷、緩解空調(diào)負荷逐年增長的壓力有積極作用。
圖1 政府辦公類型建筑的典型日負荷曲線
二、緩解電網(wǎng)增容壓力
近年來深圳市建筑用電峰值負荷快速增長，2013~2019年深圳市用電峰值負荷增加了39%，同期用電量只增加了22%。為保障用電負荷需求，2014~2018年南網(wǎng)深圳供電局累計電力基礎(chǔ)設(shè)施投資達到240億元，即每增加1 kW用電負荷，投資增加4 700~5 800元。
電力負荷增容快的原因一方面是空調(diào)等建筑用電負荷的增長，另一方面是電動汽車的數(shù)量增長。在有序充電技術(shù)尚未普及時，電動汽車充電呈現(xiàn)明顯的隨機性和波動性，是典型的波動性負荷。目前，深圳市目前電動車保有量已達20萬輛，預(yù)計最高充電負荷達到77萬kW，未來當達到100萬輛時，對于建筑配電系統(tǒng)的安全和電網(wǎng)的容量都構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。用電峰值負荷增長過快，不僅導(dǎo)致電力基礎(chǔ)設(shè)施資源利用率更加惡化，也侵蝕了用戶用能成本降低的空間。
然而，另一方面也注意到建筑變換器普遍長期處于低負荷運行狀態(tài)。有研究分析表明，深圳市的國家機關(guān)辦公建筑、商業(yè)辦公建筑、商場建筑和賓館飯店建筑4個類型建筑的變壓器的實際運行負載率超過75%的運行時間占比分別為0.5%、1.4%、0.8%和0%，而負載率低于25%的運行時間占比分別為88%、82%、63%和78%。
“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)以直流配用電網(wǎng)為平臺發(fā)展分布式能源、分布式儲能和需求響應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)建筑電力負荷的靈活調(diào)節(jié)，從而減少建筑對外部能源的使用量，同時削峰填谷使外部供電負荷曲線趨于平穩(wěn)，提高既有電力設(shè)施利用率的方式，延緩甚至避免配電基礎(chǔ)設(shè)施的升級改造。在當下增擴容所能帶來的邊際效益越來越低的情況下，這種方式可能比單純的電網(wǎng)增容更加經(jīng)濟。對于深圳市電網(wǎng)而言，假設(shè)延續(xù)近年增速到“十四五”末期深圳市建筑用電峰值負荷達2 500萬kW，如果通過發(fā)展“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)削減50%的建筑用電峰值，則可以減小電網(wǎng)投資50億~60億元。
三、增強電網(wǎng)供電可靠性
保障供電可靠性一直都是電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)和運行調(diào)度的關(guān)鍵目標，電網(wǎng)企業(yè)在保障供電可靠性方面承擔了巨大的社會責任。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國333個地級行政區(qū)平均供電可靠率為99.826%，其中城市用戶平均供電可靠率為99.946%，即平均停電時間為4.72 h/戶，達到了國際領(lǐng)先水平。但現(xiàn)階段供電可靠性的實現(xiàn)主要是依靠電網(wǎng)側(cè)電力設(shè)施冗余配置實現(xiàn)，這不僅使電網(wǎng)企業(yè)承擔了巨大的投資壓力，也制約了可靠性進一步提高。
實際上，供電可靠性保障應(yīng)是電力供需雙方的責任，在用戶側(cè)增加分布式電源，利用直流微電網(wǎng)接入簡單、調(diào)控靈活的優(yōu)勢，能夠有效地提升用電的可靠性，并且配合峰谷電價、需求響應(yīng)等激勵政策，還能夠降低用戶的用電成本。發(fā)展“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)，充分利用兩部制電價和峰谷電價差，可從用戶側(cè)進一步降低用能費用。
光儲直柔”技術(shù)并非全新的技術(shù)，但是在建筑領(lǐng)域的集成應(yīng)用卻是全新的探索。尤其在低碳發(fā)展背景下，可再生能源高比例滲透，建筑節(jié)能理念的轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮鈨χ比帷奔夹g(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了機遇和場景。然而，“光儲直柔”在建筑中集成應(yīng)用仍然面臨著技術(shù)不成熟、標準不完善、產(chǎn)品不完備等問題，要想實現(xiàn)工程應(yīng)用和大規(guī)模推廣，未來還有待更廣泛深入的研究、跨學(xué)科跨部門的流程和大量實踐經(jīng)驗的積累。
