“光儲直柔”新型配電系統助力“雙碳”目標

建筑是能源電力消費的重要主體。我國現有近500億平方米房屋，建筑面積70%為高能耗建筑。建筑用能正持續快速上升，所占社會能耗的比重不斷增大，目前的建筑能耗占比已上升至30%左右。

在低碳發展成為全球共識的背景下，建筑領域電氣化也成為未來發展趨勢。我國承諾二氧化碳力爭于2030年達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。有研究表明，建筑領域高度電氣化是能源系統低碳發展的前提。要實現巴黎協定的2度目標乃至更嚴格的1.5度和碳中和目標，建筑領域需要達到2個“90%”的目標，即建筑用能量中電的比重90%和建筑用電量中非化石電的比重90%。

建筑節能是一個系統工程，必須在能源利用的各個環節和系統從規劃設計到運行的全過程中貫徹統籌。建筑電氣化的技術路徑不僅僅包括推進電能替代、提高建筑電氣化率，還要促進建筑配用電系統的發展，提高其靈活性、安全性、可靠性和高效性，從而適應未來高比例的可再生能源滲透和差異化的供電服務需求。而且未來的建筑配用電系統也不再是單純的消費者，它將會與城市電網深度融合為電網提供支持和輔助服務，使能源系統直接受益；會與電動汽車、分布式發電等互相協同，靈活整合多種能源；并且促進城市建設和新能源技術發展。 

雙碳目標及新型電力系統的背景下，新型建筑配用電應具備4項新技術與發展趨勢——光、儲、直、柔。 

圖1 新型建筑配用電系統

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用于建筑場景，作為建筑配用電系統重要組成部分；“直”指建筑配用電網的形式發生改變，從傳統的交流配電網改為采用低壓直流配電網；“柔”則是指建筑用電設備應具備可中斷、可調節的能力，使建筑用電需求從剛性轉變為柔性。

一、“光”，光伏發電與建筑的融合

太陽能光伏發電是未來主要的可再生電源之一，而體量巨大的建筑外表面是發展分布式光伏的空間資源。2018年建筑面積超過600億m²，屋頂面積超過100億m²，估計可安裝超過800GW的屋頂光伏，年發電量超8000億kWh。因此，把太陽能的利用納入建筑的總體設計，把太陽能設施作為建筑的一部分，把建筑、技術和美學融為一體，是未來建筑和能源系統的融合發展趨勢。

光伏組件成本的快速下降使得光伏建筑一體化變得更加可行，分布式光伏已經實現了平價上網的條件。而且與集中式的光伏電站相比，建筑光伏通過與建筑設計、施工同時進行，又或安裝在已有建筑屋面上，可以節省土地租賃等一系列建設維護費用，比集中式光伏電站更具經濟優勢。未來光伏將會越來越多地應用在建筑中，并且成為建筑的重要組成部分。光伏建筑兼具綠色、經濟、節能、時尚等優勢。

二、“儲”，電能時空的搬移

在未來的電力系統中，儲能是不可或缺的組成部分。電池儲能技術具有響應速度快、效率高、安裝維護要求低等優點，是電力系統的靈活性資源和備用電源。國網能源研究院預計，中國新型儲能（所謂新型儲能，即為抽水蓄能之外的各類儲能總稱）在2030年之后會迎來快速增長，2060年裝機規模將達4.2億千瓦（420GW）左右。而截至2019年，我國中國的新型儲能累積裝機規模為2.1GW。這意味著，2060年中國新型儲能裝機規模將飆升近200倍。

電力系統的儲能需求不只來自于電源側和電網側，負荷側同樣需要儲能。隨著分布式光伏和電動汽車與建筑配用電系統的融合發展，儲能有利于提高建筑配用電系統的可靠性，同時允許建筑以虛擬電廠的角色參與電力系統的輔助服務。

隨著電動車爆發帶來的推動，儲能成本正持續下降，新能源電站+鋰電池儲能成本會不斷降低，根據GTM數據，2012年到2017年電化學儲能電站成本大幅下降78%。而且未來到2030年，儲能成本會下降到1000元/kWh，我國大部分地區風儲光儲結合就能實現平價。儲能峰谷電價的效益增加，特別是隨著靈活性資源逐漸稀缺，電池儲能的收益會逐漸增加。經濟性會成為建筑儲能市場化發展的驅動力。

建筑儲能技術目前還處于初期發展階段，真正將儲能配置在建筑內部的項目還比較少。從電動汽車和電網儲能借鑒來的電池設計和管理技術也需要與建筑場景的特殊需求相結合，例如更多考慮建筑電池的熱安全問題。鋰離子電池對溫度非常敏感，其最佳工作溫度范圍為20～40℃，在該范圍內電池的工作性能較好，安全性能良好，可使用循環次數也相對較高。北京市頒布的《用戶側儲能系統建設運行規范》中要求控制在0～45 ℃。因此，電池布置如何與建筑設計結合保證電池散熱，電池控制如何與建筑負荷特性匹配防止過熱事故發生都是儲能電池應用于建筑場景所必須解決的關鍵問題。

三、“直”，建筑采用直流配電

隨著建筑中電源和負載的直流化程度越來越高，直流配用電可能是一種更合理的形式。電源側的分布式光伏、儲能電池等普遍輸出直流電。用電設備中傳統照明燈具正逐漸被LED替代，空調、水泵等電機設備也更多考慮變頻的需求，此外還有各式各樣的數字設備，都是直流負載。建筑內部改用直流配用電網，可以取消直流設備與配電網之間的交直變換環節，同時放開配用電系統對電壓和頻率的限制，從而展現出能效提升、可靠性提高、變換器成本降低、設備并離網和電力平衡控制更加簡單等諸多優勢。

直流建筑的配用電系統結構見圖1。在建筑入口處設有AC/DC整流器，其將外電網的交流電整流為直流電為建筑供電，或者在建筑電力富余時將直流電逆變為交流電對外電網供電。而建筑內部通過直流電配電網與所有電源和電器（設備）連接。當電源或電器（設備）的電壓等級與配電網電壓等級不同時，需設置DC/DC變壓器。

直到今天，建筑低壓直流配用電技術在國內外已經有了大量的研究。據不完全統計，國內外實際建成運行的直流建筑項目已有20余個，涵蓋了辦公、校園、住宅和廠房等多個建筑類型，配電容量在10~300 kW之間。 隨著直流建筑研究和示范項目的積累，相關國際標準組織也已開展直流系統的標準化工作。旨在搭建直流電力系統技術領域的國際信息互通平臺，推動直流電力系統技術領域的快速健康發展，促進直流電力系統技術以及產業的支撐配套。

未來隨著“光”和“儲”在建筑中的應用，低壓直流配電技術將在建筑中得到持續關注和研究；同時隨著標準的建立和更多家電設備企業的參與，建筑低壓直流配電的生態環境也會逐漸成型。

四、“柔”，柔性可控的建筑負載 

建筑設備往往具有可中斷、可調節的特性。例如空調和供熱系統可以利用建筑圍護結構的蓄熱特性和人對溫度波動的適應性來進行短期負荷功率調節，為電力系統提供一定程度的靈活性；洗衣機、洗碗機等也都具有延時啟動、錯峰工作的功能。尋找建筑用戶體驗和電網靈活性需求二者之間的平衡，建筑設備的可調節性也能夠為電力系統所用，成為一種潛在的靈活性資源。

事實上，建筑設備的靈活性已經受到國內外學者的廣泛關注，例如IEA EBC的Annex 67項目就圍繞建筑柔性用能開展了一系列研究，包括用戶調節意愿調研、控制策略優化、設備調節效益分析、可調節程度評價等。

然而，由于缺乏有效的激勵機制，目前的需求響應技術還主要停留在理論研究和模擬仿真階段，實際工程應用較少。未來電力市場化改革的深入推進可能會調動起建筑設備柔性調節的積極性，一方面用戶參與電力市場交易的門檻會越來越低，參與其中的建筑用戶會越來越多；另一方面電網輔助服務市場、電力容量市場逐步開放，建筑設備柔性調節的收益更加多樣。