博锐尚格高峰论坛-郝斌《光储直柔实现建筑绿色用电》演讲

2022-08-30 10:05:29 来源：榕城网

郝斌，深圳市建筑科学研究院股份有限公司，副总工程师，教授级高工，主要从事绿色建筑与建筑节能、直流建筑、可再生能源建筑应用等领域的研究与管理工作。先后主持国家“十一五”、“十二五”、“十三五”科技支撑计划项目、住房城乡建筑部节能省地专项和供热体制改革专项、北京市重点实验室“绿色建筑与节能技术”开放课题等50余项研究项目。

郝斌参加“2022城市与建筑‘双化融合’高峰论坛”并进行《光储直柔实现建筑绿色用电》主题演讲

各位嘉宾大家好，我是郝斌，来自深圳市建筑科学研究院，今天和大家做一个分享，题目是《光储直柔实现建筑绿色用电》。

去年10月份中共中央专门印发了一系列的文件，都提到了光储直柔。如《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中，提到要加快推进建筑电气化和低碳化;国务院《2030年前碳达峰行动方案》中，指出要提高建筑终端电气化水平，建设集光伏、储能、直流配电、柔性用电于一体的光储直柔建筑。紧接着今年3月份，住建部在《“十四五”建筑节能和绿色建筑发展规划》中，又提及了建筑电气化和光储直柔，建设电力系统要以光储直柔为主要特征等。这些都可以看出，光储直柔政策环境非常好。

过去的建筑节能主要是降低能耗，而在碳达峰的环境下来讲，如果想把直接碳排放减少，还需要将不用电的东西都改变成用电，在这样的基础上，再进一步的采用可再生能源来减少建筑的消耗。减少建筑消耗最关键是光储直柔的“柔”字，也就是今天讲的这个“柔”，它会和绿色用电有一定关联。我会从绿电、柔性=绿色用电、建筑如何实现柔性等三个方面做一个报告。

一、绿电，发的绿还是用的绿

绿电大家再熟悉不过，当我们的发电来源于风能、光伏就是绿电，而在讲环境的时候，就是指发电端的“绿不绿”。《绿色电力购买证明》这个证书是可再生能源发展的初期非常好的东西，它能够把可再生能源在价格高、成本高的时候得到很多的补偿。但在今天，面向碳达峰和碳中和的时候、当2030的目标定到12亿千瓦的风和光、当2060面临的是60、70亿千瓦的风和光的时候，绿证就和过去讲的有一些变化。

首先，通过电力系统能够看到现在和未来面临的具体情况。

现在电力系统面临的矛盾是100小时的问题。图中可以看出，于一个城市而言，10%的尖峰负荷在全年只有100多个小时，5%的时候就有30多个小时。比如对北京、上海、深圳的大型城市来讲，10%就意味着两个大型的火电厂，而这两个大型火电厂全年只能开100多个小时。事实上一个火电厂要想盈利需要开到3000小时甚至4000小时以上，可想而知，现在电网在做的需求响应其实就是解决左上角的这个问题。

未来电力系统面临的矛盾是什么?根据图中这个8760h可以看出，风电和光电大约是70亿千瓦，占整个装机容量大约是80%左右，而它的年发电量累计大约会占到60%。事实上现在全国总用电量大约在8万亿度电，未来还是留有很多发展空间。正因为现在的风电和光电装机容量占到了80%，年发电量占到了60%，也就带来了新的矛盾，下面以北京为例。

北京一天的用电规律可以看到两个峰值，放在全年夏天和冬天各自会出现一个峰值，通过把刚才的发电规律和用电规律进行叠加，叠加完后，白天由于太阳能比较多，会产生发电富裕的情况，而晚上没有太阳，前半夜风也比较少，前半夜可能会出现缺电的情况。从全年来看就是夏天和春天发电会富裕，冬天由水电进入枯水期，再加上北半球太阳光照减少，冬天会缺电，这就是未来电力系统。虽然可再生能源能够解决60%以上的电量问题，但是会出现用电不平衡，那就要想办法来补偿它，而补偿实际上就是成本。

欧阳明高院士在谈未来的风电和光电，说到尽管发电的成本非常的低，但是电价却并不便宜，例如上网的电价可以便宜，但用户使用的时候不一定便宜，这就需要有大量的措施来进行补偿，包括电源侧、电网侧、用户侧都在考虑补偿的问题。而建筑从整个需求侧的角度来讲，未来的风和光用电负荷灵活性非常高的话，就相当于用的是绿电。

所以未来什么是绿电?

绿电是指用得“绿不绿”的问题，也是摆在面前最重要的问题，因此可再生能源的后半场就是把可再生能源的成本大幅拉低。

二、柔性=绿色用电

光储直柔的这个“柔”怎么和绿色用电相关联?

柔性这个词本身，国内外对它的理解有所不同，在我们国家以电网为例，这个柔性通常讲的是特高压柔性直流输电，实际上就是电压源换流器的问题。而建筑的柔性是什么呢?是以城市电网指令为约束条件，通过建筑整体用电的柔性实现供给侧与需求侧动态平衡。

下图中是建筑一天用能的规律比，假设一天用了一万度电，用黑线表示，建筑做了节能之后黑线就转变成蓝线，一天的用电量可能降低到8000至7000度电。而柔性是把蓝色变成黄色围合的情况，不改变围合的面积，改变的是围合的上沿形状，而这种改变对于未来的意义会大不相同。过去在做节能中，能耗从30%做到了50%，实现二步节能、三步节能、四步节能，甚至现在往超低能耗、近零能耗的方向发展，商场可能一平米用100度电，现在为了降低能耗不得用80度或者是更少，但是在过度节约能耗时可能付出的代价就会很高。

而国家为了实现碳中和、碳达峰目标，必须要利用可再生能源。当可再生能源装上后只要有太阳、风就能发电，这就意味着可再生能源整体的边际成本，会由用电多少导致总成本上升，对用电量没有那么敏感，再进行负荷灵活性地调节收益，就可能比传统调节方式提高围护结构及暖通设备系统的效率。

所以柔性是什么呢?就是把左边的黑色曲线改变成右侧的曲线，按照可再生能源的发电规律在用，就大大减少了火电场的调节，火电越少电力也就越清洁，也就越接近零碳电力，零碳建筑和零碳电力就是通过柔性和绿色用电携手实现。

按照建筑自身来说，房子未来分布式的光伏会越来越多。国家统计局去年公布的数据显示分布式光伏已占到54%，首次超过了地面电站。因为装在房子上的成本越来越低，在分布式当中，户用光伏占到了70%，可以想象在未来，分布式能源已经成为建筑的一个标配，当房子顶上的光伏的发电量比建筑自身用的还多的时候就是零能耗。以此图为例，黄色是光伏发电，蓝色是建筑用电，当两个面积相等的时候会认为是零能耗建筑，但由于在时间规律上的不一致，有很多绿色出现，如果用储能、市电代替会出现什么情况?

如果用储能来替代，一个5000平米的建筑大约需要五个集装箱的电池来做，但是建筑中可能没有大场地装电池，再加上安全性这个问题，这个方法行不通。如果用市电来替代，就取1/3的市电，但仍然要来源于电网，拿办公楼来说，周末的时候可以把电回馈给电网，可是电网周末也不需要这么多用电，所以给的也是垃圾电力，这个方法也不成立，所以建筑自身要装光伏也是需要柔性。

建筑柔性不再是国家的事，已经具备商业价值。去年发改委明确，合理确定峰谷电价差，上半年获当年预计最大系统峰谷差率超过40%的省市，峰谷电价差原则上不低于4：1，其他地方原则上不低于3:1。以2021年为例，左侧的这些省市峰谷电价已经都超过了4倍，甚至尖峰电价和谷电相比已在5倍多，所以这为建筑柔性提供了一个特别好的经济上的支撑，更何况未来会走到实时电价按照风、光的规律以及用供需关系来定价的时候，那建筑建立柔性用电值就会更高。

三、建筑如何实现柔性

从建筑的角度实现柔性主要有三个来源。

来源一：储能。可采用电化学储能、冰蓄冷或水蓄冷，这些储能方式是相对容易实现的，可以放在电网测、电源测、用户测等多个地方。尽管电化学储能在材料方面会有不同的变化，图中是国际机构做的一些预测，包括对于磷酸铁锂、金属铝和锌的电池以及液流电池等预测的情况，但无论如何储能使用已经在发生。

来源二：空调&围护结构热惰性等+建筑能源管理系统BMS。将建筑空调系统与建筑围护结构热惰性相结合，再加上建筑能源管理系统，就具备很强的调节能力。从下图中可以看到，过去认为空调总能耗非常的高，事实上它只占大楼1/3的能耗，甚至更低。但是反观空调对城市电力的峰值贡献是非常的高，包括江苏、长沙、广西、广东的很多的数据都可支撑。如果我们能够把建筑空调系统、建筑围护结构热惰性、建筑能源管理系统这三者有机结合起来，就很可能实现符合调节，而这个调节是低成本、甚至是零成本，比储能、冰蓄冷、水蓄冷要便宜的多。

来源三：电动车BVB。未来我们将使用3亿辆电动车，现在大约是1000万辆，所以还会进入快速的发展阶段。而每辆电动车里面大约有60度至100度电，那么一辆电动车在大楼里面能做什么贡献?

一辆电动车存的电相当于200-300平米办公建筑，按一天用电量来说，一万平米的大楼里面可能有50辆车或者30辆车，这就能解决一天的用电，如果能够把这部分的价值挖掘出来，实施也就更容易。事实上私家车绝大多数是停在办公楼或家里，所以把电动车的电池利用起来，本质上不是一个技术问题，大量的实验证明，电动车、建筑的交互技术上、经济上都能做得非常好。

既然拥有这么多的来源，过去讲的电网与负荷的关系就演变成电网、负荷、光伏、储能动态平衡的四角关系。按照电网的语言可以把建筑中的负荷，按可中断、可迁移、可调节这三个来分类。可中断、可迁移主要是时间上的迁移调节，指的用电功率上的调节，所以按照这三种分类方式其实我们可以看到建筑负荷的是具有很好的调节性。

同时还做了大量的实验来验证负荷它的调节深度、调节能力，包括持续的时间等等。事实结果表示一栋大楼完全靠大楼光伏，包括储能、充电桩、空调能够实现很好的跟踪。蓝色的就是目标功率曲线，那么橘色是最后跟踪出的情况，这是一些过程的情况，对建筑来讲，是完全具备能力来达到这种预期的效果。