余本東,樊苗苗,顏承初

(1.南京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,江蘇 南京 210009;2. 廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640)

從全球范圍來(lái)看,建筑領(lǐng)域能耗占全球總能耗的40%,其中建筑運(yùn)行過(guò)程中的用能導(dǎo)致的碳排放占全球總碳排放的比例高達(dá)28%[1]。我國(guó)建筑運(yùn)行能耗總量呈剛性增長(zhǎng),導(dǎo)致建筑相關(guān)的碳排放居高不下[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年我國(guó)建筑運(yùn)行階段導(dǎo)致的碳排放量為21億t,占全國(guó)總CO2排放量的比例約為20%[1]。建筑領(lǐng)域是促使我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的重要領(lǐng)域之一,而降低建筑運(yùn)行階段的碳排放是建筑領(lǐng)域早日實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文基于建筑降碳需求,從建筑運(yùn)行階段碳排放的來(lái)源、分類(lèi)及影響因素,總結(jié)了近年來(lái)相關(guān)學(xué)者在建筑節(jié)能和低碳能源等方面的研究進(jìn)展,從建筑本體、建筑與外界交互兩個(gè)維度分析了建筑設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳的路徑與關(guān)鍵技術(shù),希望為雙碳視角下建筑運(yùn)行過(guò)程中的節(jié)能減碳路徑提供思路和借鑒。

1 建筑碳排放概況

建筑全生命周期包括建筑設(shè)計(jì)階段、建筑建造階段、建筑運(yùn)行階段與建筑拆除階段4個(gè)主要階段,而建筑運(yùn)行階段的碳排放占整個(gè)生命周期的90%以上[3]。按照碳排放方式分類(lèi),建筑運(yùn)行階段的碳排放可分為直接和間接碳排放,其中直接碳排放主要包括建筑通過(guò)直接燃燒化石能源的碳排放,包括炊事、生活熱水、采暖等方式造成的碳排放;間接碳排放指外界輸入到建筑的電力、熱力所間接造成的碳排放。因此,降低建筑運(yùn)行階段的碳排放對(duì)于建筑領(lǐng)域的“碳中和、碳達(dá)峰”至關(guān)重要。建筑碳排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和主要影響因素如圖1所示。

圖1 建筑運(yùn)行階段碳排放Fig.1 Carbon emission during the operation phase of buildings

從建筑本體來(lái)看,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、空調(diào)設(shè)備的能效決定著建筑的各類(lèi)負(fù)荷和用能需求,從而影響直接和間接碳排放。在建筑中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成的熱損失為20%～40%,其中由窗戶、外墻和空氣滲透帶來(lái)的熱損失分別為20%、30%和15%[4]。隨著人們對(duì)建筑用能觀念的轉(zhuǎn)變,從“省著用”到“舒服用”,不可避免地增大了建筑設(shè)備的運(yùn)行能耗[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),在建筑運(yùn)行階段,暖通空調(diào)能耗占建筑總能耗的60%,生活熱水等能耗約占建筑能耗的 10%[5]。因此,降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗損失和采用高效的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)建筑實(shí)現(xiàn)碳中和至關(guān)重要[6]。

減少建筑運(yùn)行階段對(duì)電能輸入的依賴(lài)是實(shí)現(xiàn)建筑減碳的一個(gè)急需解決的問(wèn)題。在電力、熱力系統(tǒng)的低碳化轉(zhuǎn)型過(guò)程中,以風(fēng)電和光伏發(fā)電為主的“零碳排放”能源的高比例滲透是大勢(shì)所趨。一方面,建筑的用能負(fù)荷在不同時(shí)間段具有較大的波動(dòng)性,造成較大的建筑用電負(fù)荷峰谷差;另一方面,可再生能源的利用受氣候條件影響,具有較強(qiáng)的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性,給電網(wǎng)實(shí)時(shí)供需平衡帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)[7]。因此,實(shí)現(xiàn)建筑與外界能源的友好交互,降低建筑用電負(fù)荷波動(dòng)性,提升電網(wǎng)負(fù)荷率、可靠性及可再生能源消納率,從而降低電網(wǎng)和建筑的碳排放。

綜上所述,本文著眼于建筑運(yùn)行階段的節(jié)能減碳工作,從建筑本體的節(jié)能減碳、建筑與外部能源系統(tǒng)的友好交互兩個(gè)方面對(duì)建筑減碳路徑研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

2 建筑本體節(jié)能減碳實(shí)現(xiàn)途徑

建筑運(yùn)行階段的能耗主要取決于建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)性能和建筑設(shè)備能效。提升建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能是降低建筑采暖和供冷負(fù)荷需求的有效手段之一[7];同時(shí),采用更加高效的建筑空調(diào)系統(tǒng),可有效降低建筑能耗;在此基礎(chǔ)上,合理利用可再生能源替代常規(guī)能源,可以進(jìn)一步降低建筑運(yùn)行階段建筑本體的直接和間接碳排放。

2.1 節(jié)能型建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1.1 高性能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

墻體保溫是降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失最常用的方式。空心墻體是建筑墻體保溫的手段之一,通過(guò)砌塊中圓形、方形的孔洞來(lái)提高其熱阻[8-9]。夾心保溫墻是一種將保溫層固定在內(nèi)外葉板之間的結(jié)構(gòu),相比于空心墻,夾心保溫墻增強(qiáng)了墻體的保溫性能,故其節(jié)能效果更佳[10-11]。對(duì)建筑外墻使用相變材料(PCM)也是降低建筑熱損耗的方法之一[12-15]。朱琴等[16]發(fā)現(xiàn),將相變材料應(yīng)用在建筑墻體上,PCM墻體溫度波幅延遲是普通墻體的8～12倍;在恒定舒適溫度下,PCM墻體節(jié)省的建筑能耗為30.8%[17]。Abbas等[18]進(jìn)一步將輻射式冷藏天花板(RCC)嵌入PCM中,輻射和對(duì)流的方式降低了建筑空調(diào)能耗?；趭A心墻與保溫材料墻體,周君明等[19]提出了一種新型的夾層通風(fēng)墻體(圖2),夏季水管內(nèi)通入冷水,外界熱空氣被送入夾層,被水管內(nèi)冷水降溫并送入室內(nèi),為室內(nèi)提供新鮮空氣的同時(shí)降低了建筑室內(nèi)冷負(fù)荷,結(jié)果表明:相比于普通墻體,新型通風(fēng)墻體具有較好的節(jié)能效果,其節(jié)能率高達(dá)41.67%。

圖2 新型通風(fēng)墻體[19]Fig.2 New ventilation wall[19]

建筑外窗通常是建筑保溫的最薄弱環(huán)節(jié),常見(jiàn)的改善外窗結(jié)構(gòu)保溫性能的方式有采用中空窗和真空窗,其中中空窗是指通過(guò)2層玻璃充裝干燥空氣或者惰性氣體構(gòu)造封閉層來(lái)降低對(duì)室內(nèi)與外界的對(duì)流換熱[20-21];如果將中空窗內(nèi)的空氣層抽成真空則可形成真空窗,具有更好的隔熱隔音效果。Fang等[22]設(shè)計(jì)了集成真空窗(IVW),該窗戶包括3層玻璃、1層充氣層和1層真空層,在冬季IVW能夠較好地將光熱傳至室內(nèi),夜晚通過(guò)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)玻璃來(lái)增強(qiáng)玻璃的熱性能;在夏季能夠降低冷負(fù)荷損失。此外,還可以采用遮陽(yáng)手段降低窗戶的熱損失。程建杰等[23]通過(guò)DeSTh軟件模擬了南京地區(qū)某住宅外遮陽(yáng)系數(shù)的影響,將智能系統(tǒng)應(yīng)用在遮陽(yáng)系統(tǒng)上,能夠根據(jù)季節(jié)、天氣等氣候條件調(diào)節(jié)葉片翻轉(zhuǎn)角度,實(shí)現(xiàn)夏季遮陽(yáng),冬天提高室內(nèi)熱舒適度,研究結(jié)果表明:南外窗綜合遮陽(yáng)系數(shù)每增大0.1,可降低7%的供暖負(fù)荷與3%的供冷負(fù)荷,全年耗電量可降低1.47%。

2.1.2 太陽(yáng)能多效圍護(hù)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能在建筑上的應(yīng)用主要包括光電和光熱利用。光電利用主要是在建筑的外立面、屋頂?shù)冉ㄖY(jié)構(gòu)安裝光伏系統(tǒng)以獲得可持續(xù)電力,光熱利用主要是通過(guò)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)獲得熱水、熱空氣等來(lái)滿足建筑用能需求。

建筑外墻結(jié)構(gòu)中,Trombe墻是一種成熟的被動(dòng)式采暖形式,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、圍護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用,然而依然存在功能單一、太陽(yáng)能利用效率低等問(wèn)題[24]。郭超等[25]將光伏系統(tǒng)(PV)與Trombe墻結(jié)合,提出了PV-Trombe墻系統(tǒng),在獲得光伏發(fā)電的同時(shí),實(shí)現(xiàn)室內(nèi)采暖,提升太陽(yáng)能綜合利用效率。根據(jù)建筑用能形式的不同,Xu等[26]將光伏光熱復(fù)合墻系統(tǒng)(BIPV/T),分為BIPV/水系統(tǒng)和BIPV/空氣系統(tǒng)。對(duì)于BIPV/水系統(tǒng),光伏電池吸收太陽(yáng)輻射產(chǎn)生電能,同時(shí)利用水管帶走光伏電池多余熱量獲得生活熱水;BIPV/空氣系統(tǒng)利用空氣通道帶走光伏電池多余熱量,實(shí)現(xiàn)建筑采暖和空氣循環(huán),節(jié)約建筑冬季采暖的能耗[26-28]。在此基礎(chǔ)上,Yu等[29-31]加入光/熱催化材料,設(shè)計(jì)了光/熱催化型光伏復(fù)合墻,實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電、室內(nèi)采暖通風(fēng)的同時(shí),形成對(duì)室內(nèi)空氣凈化的多效系統(tǒng)。火炕是我國(guó)北方寒冷地區(qū)一種重要的采暖方式[32],將火炕與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),竟峰等[33]提出基于主-被動(dòng)采暖的太陽(yáng)能炕技術(shù),如圖3所示,位于建筑屋頂?shù)募療崞鹘邮仗?yáng)能得到熱水,將熱水導(dǎo)入炕體進(jìn)行夜間采暖;同時(shí),在青海搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測(cè)試了不同模式下系統(tǒng)的性能,測(cè)試結(jié)果表明,該太陽(yáng)能炕系統(tǒng)熱效率為73%;室內(nèi)熱量中僅36%的熱量由炕體導(dǎo)入室內(nèi);夜晚太陽(yáng)能炕能維持30 ℃以上溫度,保證夜間人體舒適度;同時(shí),該系統(tǒng)在白天能將室溫提高6 ℃,可用于輔助采暖[34]。

圖3 新型主-被動(dòng)復(fù)合采暖系統(tǒng)示意圖[34]Fig.3 Schematic diagram of a new active-passive composite heating system[34]

為了解決建筑外窗夏季易過(guò)熱造成室內(nèi)冷負(fù)荷增加的問(wèn)題,將光伏電池引入建筑外窗,Yu等[35]設(shè)計(jì)了光伏呼吸窗系統(tǒng),用于建筑的遮光、發(fā)電和通風(fēng)。此外,Yu等[35]將光伏窗與光熱催化凈化技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種新型的光熱催化光伏通風(fēng)窗,白天發(fā)生光催化氧化反應(yīng)降解污染物,同時(shí)產(chǎn)生熱能和電能;夜晚通風(fēng)口關(guān)閉,光催化涂層的密封氣腔和低透氣性可增強(qiáng)耐熱性,減少通過(guò)窗口的熱量損失,同時(shí)又降解了甲醛等污染物。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全年發(fā)電采光、冬季采暖凈化、夏季通風(fēng)降溫等功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn):發(fā)電量、節(jié)約的熱能和產(chǎn)生的干凈空氣分別為46、 479 kW·h/m2和 7 014 m3/m2,比傳統(tǒng)光伏通風(fēng)窗系統(tǒng)具有更好的保溫隔熱性能[30]。

2.2 新型建筑空調(diào)系統(tǒng)

2.2.1 復(fù)合型熱泵系統(tǒng)

傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)中的熱源通常是空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵,不僅能耗大,且部分熱泵系統(tǒng)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染[36]。與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)相比,復(fù)合地源熱泵具有更高的效率和更好的穩(wěn)定性[37]。常見(jiàn)的復(fù)合熱泵有多熱源熱泵、蓄熱熱泵和太陽(yáng)能熱泵等。

為了解決傳統(tǒng)熱源熱泵結(jié)構(gòu)單一、供熱不靈活的問(wèn)題,將多種熱源熱泵系統(tǒng)結(jié)合在一起,提高系統(tǒng)供熱能力的同時(shí)降低了系統(tǒng)的耗電量。三熱源熱泵熱水系統(tǒng)分為夜間用電低谷時(shí)運(yùn)行的空氣源熱泵循環(huán)、回收日間洗浴廢熱的水-水能量回收系統(tǒng)和用電高峰時(shí)運(yùn)行的峰污水源熱泵循環(huán)(圖4)。系統(tǒng)通過(guò)多熱源互補(bǔ)交替使用,回收生活余熱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了建筑電網(wǎng)的“移峰填谷”。為了提高熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的適用性及供熱效率,翟有榮等[38]將相變蓄熱系統(tǒng)與多源熱泵系統(tǒng)結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種自耦合相變蓄熱熱泵系統(tǒng),夜晚將空氣源熱泵產(chǎn)生的熱能儲(chǔ)存在蓄熱器的熱水中,白天通過(guò)蓄熱器將空氣源熱泵切換為水源熱泵并與熱水進(jìn)行換熱,為建筑源源不斷提供熱量。

圖4 三熱源熱泵熱水系統(tǒng)原理[38]Fig.4 Principle of three heat source heat pump hot water system[38]

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)是一種較為綠色清潔的熱泵系統(tǒng),利用太陽(yáng)能的光熱,有效緩解了熱泵供暖需求壓力[39-40]。為了克服太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)受天氣限制的缺點(diǎn),胡文舉等[41]設(shè)計(jì)低溫蓄能型太陽(yáng)能-空氣源熱泵,系統(tǒng)以水為相變材料,通過(guò)結(jié)冰釋熱和融冰蓄熱模式,實(shí)現(xiàn)夜間高效運(yùn)行。為在寒冷地區(qū)利用清潔能源供暖,提高光伏組件的發(fā)電量,楊先亮等[42]設(shè)計(jì)了基于光伏發(fā)電余熱的地源熱泵系統(tǒng),如圖5所示,在非采暖季節(jié),冷卻水系統(tǒng)流動(dòng),吸收發(fā)電余熱并儲(chǔ)存在土壤中;在采暖季節(jié),提取余熱為用戶供暖。以張家口某農(nóng)村住宅為研究對(duì)象,建立模型進(jìn)行分析和模擬,進(jìn)行3種不同冷卻流量(7 200、4 700、0 kg/h)的光伏發(fā)電系統(tǒng)分析,結(jié)果表明:冷卻流量對(duì)系統(tǒng)地埋管周?chē)寥赖臏囟茸兓绊懖淮?當(dāng)冷卻流量為4 700 kg/h時(shí),系統(tǒng)性能最佳,此時(shí)系統(tǒng)的凈發(fā)電量最大,為5 900 kW·h,相比于無(wú)光伏冷卻系統(tǒng)提升了386.63 kW·h[43]。

1—光伏組件; 2—集熱器; 3—補(bǔ)給水箱; 4—分水器; 5—地埋管; 6—集水器; 7—熱泵機(jī)組; 8—用戶; 9～11—水泵; 12～20—閥門(mén); 21～23—溫度傳感器圖5 基于光伏發(fā)電余熱的戶式地源熱泵供暖系統(tǒng)原理[42]Fig.5 Principle of the household ground source heat pump heating system based on photovoltaic power generation waste heat[42]

2.2.2 新型空調(diào)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)一般指的是風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),這兩種系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛。為了滿足建筑溫濕度的要求,傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)采取較低的蒸發(fā)溫度,通過(guò)增大系統(tǒng)制冷劑與空氣的溫度,大大降低了空調(diào)系統(tǒng)的能效比(COP)[43]。據(jù)統(tǒng)計(jì), COP提升10%,將節(jié)約35 GW·h的空調(diào)耗電量,因此,提升空調(diào)的能效比非常重要,可通過(guò)蓄冰技術(shù)、太陽(yáng)能制冷技術(shù)等與空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)[44]。

蓄冷空調(diào)系統(tǒng)既能夠提高空調(diào)系統(tǒng)的能源利用率,還能夠調(diào)節(jié)建筑電力峰谷,大幅度降低建筑終端用能需求和能耗,有效減少建筑運(yùn)行階段的間接碳排放。為了回收利用建筑顯熱冷量進(jìn)行蓄冷,顏承初等[45]設(shè)計(jì)了基于夜間溫濕度獨(dú)立控制的夜間水蓄冷(CWS-ITHC)系統(tǒng)。系統(tǒng)的末端系統(tǒng)分別通過(guò)處理房間的顯熱和潛熱來(lái)調(diào)節(jié)房間溫濕度(圖6)。夜間電力低谷時(shí),系統(tǒng)全負(fù)荷運(yùn)行,將冷量?jī)?chǔ)存在6～8 ℃的冷水槽中,白天將利用蓄冷槽為房間提供冷量,同時(shí)切換新風(fēng)除濕模式。當(dāng)夜間房間有冷量需求時(shí),制冷機(jī)同時(shí)進(jìn)行蓄冷和除濕操作,此時(shí) “蓄冷”和“供冷”系統(tǒng)發(fā)生短路現(xiàn)象,快速將“蓄冷”系統(tǒng)的冷量傳送到溫控系統(tǒng)。以北京某辦公樓空調(diào)系統(tǒng)為案例,通過(guò)設(shè)計(jì)分析表明:由于蓄冷槽容積小,為傳統(tǒng)系統(tǒng)容量的55.6%,提高了系統(tǒng)效率,其運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)省25%,如果放在峰谷差值較大的地區(qū)將大大節(jié)省運(yùn)行能耗。

圖6 基于溫濕度獨(dú)立控制的夜間水蓄冷系統(tǒng)原理[45]Fig.6 Principle of night water storage system based on independent control of temperature and humidity[45]

利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的制冷,可通過(guò)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換,以熱制冷的方式實(shí)現(xiàn),并且在太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的時(shí)候空調(diào)系統(tǒng)的制冷量基本為最大,剛好滿足建筑空調(diào)冷量需求。以鄭州某別墅為例,太陽(yáng)能制冷空調(diào)系統(tǒng)在制冷月份可提供76%～122%的建筑冷負(fù)荷,但是該系統(tǒng)在陰雨天卻不能滿足建筑制冷需求[46]。因此,為了擴(kuò)大太陽(yáng)能光伏空調(diào)制冷技術(shù)應(yīng)用范圍,將冰蓄冷空調(diào)技術(shù)與太陽(yáng)能光伏蒸汽壓縮式制冷技術(shù)結(jié)合起來(lái),韓可東[47]設(shè)計(jì)了光伏直驅(qū)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng),該系統(tǒng)運(yùn)行分為制冰蓄冷和融冰空調(diào)過(guò)程,如圖7所示,白天,光伏發(fā)電供壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),制冷循環(huán)開(kāi)始,冰蓄冷槽開(kāi)始蓄冷;夜晚,水泵通過(guò)小容量蓄電池運(yùn)轉(zhuǎn),冰蓄冷槽通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管開(kāi)始與室內(nèi)空氣換熱,實(shí)現(xiàn)建筑制冷循環(huán)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在實(shí)驗(yàn)條件下,冰蓄冷量為6.67 MJ,總制冰量為6.38 kg,制冰的性能參數(shù)為0.07,融冰過(guò)程制冷量為5.32 MJ,其效率為60%[47]。

圖7 光伏直驅(qū)冰蓄冷空調(diào)工作原理[47]Fig.7 Working principle of photovoltaic direct-driven ice storage air-conditioning system[47]

3 建筑與外部能源交互節(jié)能減碳實(shí)現(xiàn)途徑

在能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中,由于大量隨機(jī)、間歇、難控的可再生能源滲透應(yīng)用,能源系統(tǒng)急需能夠提供靈活調(diào)控能力的友好型電力用戶,協(xié)助其應(yīng)對(duì)峰值負(fù)荷過(guò)大和實(shí)時(shí)供需不平衡等挑戰(zhàn)[8]。一方面,充分利用可再生能源可以大幅度降低建筑的常規(guī)能源消耗量;另一方面,建筑系統(tǒng)通過(guò)電網(wǎng)和熱網(wǎng)等與外界能源形成一個(gè)有機(jī)整體,采用蓄能技術(shù)、光儲(chǔ)直柔、低壓直流配電等技術(shù),充分利用建筑用能的靈活性,通過(guò)需求響應(yīng)等方式降低電網(wǎng)尖峰負(fù)荷和電網(wǎng)不平衡,從而提升電網(wǎng)負(fù)荷率、可靠性及可再生能源消納率,可助力建筑系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型。

3.1 建筑中多能互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1.1 基于可再生能源利用的高效能源系統(tǒng)

建筑電氣化和柔性用電是未來(lái)低碳建筑的發(fā)展方向,建筑與能源供給側(cè)的協(xié)同發(fā)展是實(shí)現(xiàn)全社會(huì)節(jié)能減排的重要路徑[48]?；谏镔|(zhì)能的電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用,總能利用效率在90%以上,是一種高效的低碳能源供應(yīng)系統(tǒng)[49]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年底,我國(guó)采用生物質(zhì)能發(fā)電量高達(dá)1 326 kW·h,可減少2 145萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒[50]。為了提高生物質(zhì)能的利用率,薛小軍等[49]設(shè)計(jì)了新型生物質(zhì)電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),如圖8所示,該系統(tǒng)利用回?zé)崮Y(jié)水為熱源,使用板式水-水換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)的熱網(wǎng)加熱器,新型系統(tǒng)3號(hào)管段使用的是凝結(jié)水,并且在換熱完成后回到6號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水入口處;通過(guò)采取措施增加凝結(jié)水和低壓抽氣量,節(jié)省了系統(tǒng)能耗;通過(guò)系統(tǒng)建模對(duì)比分析了傳統(tǒng)和新型生物電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),結(jié)果表明:采用新型系統(tǒng)更有利于提高能量利用效率,不但減少了能耗,而且增大了系統(tǒng)的效率;改造后的新系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì),新增收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于投資和運(yùn)行圍護(hù)費(fèi)用的增加。

圖8 新型生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖[49]Fig.8 Schematic diagram of the new biomass cogeneration system[49]

此外,建筑外立面已成為光伏發(fā)電裝置安裝的優(yōu)選位置,從而使“光伏發(fā)電、儲(chǔ)能蓄電、直流供電、柔性用電”在建筑中成為可能, 簡(jiǎn)稱(chēng)“光儲(chǔ)直柔”新型建筑能源系統(tǒng)?！肮鈨?chǔ)直柔”的基本原理見(jiàn)圖9,“光”是指通過(guò)光伏發(fā)電并通過(guò)DC/DC(直流變流器)接入375 V母線,“儲(chǔ)”是指由母線連接的蓄電池組和充電樁,“直”是指直流供電,“柔”是指根據(jù)電網(wǎng)供需關(guān)系通過(guò)調(diào)節(jié)取電?！肮鈨?chǔ)直柔”系統(tǒng)大部分時(shí)間處于平衡狀態(tài),當(dāng)用戶側(cè)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),將由蓄電調(diào)節(jié)系統(tǒng)從電網(wǎng)取電供給,使系統(tǒng)重新恢復(fù)到平衡狀態(tài)[51]。系統(tǒng)不僅能夠在風(fēng)電和光電等電力充足時(shí)儲(chǔ)存電能,在陰雨天氣也可以起到電力“移峰填谷”的作用。我國(guó)西部地區(qū)具有大量的風(fēng)電和光電,約70%通過(guò)分布式發(fā)電送往負(fù)荷密集地區(qū),通過(guò)“光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)可消納這部分電力,據(jù)統(tǒng)計(jì),“光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)每年可消納3萬(wàn)億～4萬(wàn)億 kW·h的自身電量與外界風(fēng)電和光電,有效解決了我國(guó)西北等地區(qū)的大比例風(fēng)電和光電消納問(wèn)題[52-53]。

圖9 “光儲(chǔ)直柔”建筑配電系統(tǒng)[53]Fig.9 “Light storage direct soft” building of power distribution system[53]

3.1.2 多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)

基于可再生能源在建筑系統(tǒng)中的利用技術(shù),開(kāi)發(fā)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng),降低建筑的常規(guī)能源消耗量,提高可再生能源利用效率和消納能力[54]。常見(jiàn)的綜合能源系統(tǒng)有熱-電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、電-氣綜合能源系統(tǒng)和電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)。黃冰等[55]將核能供熱與生物質(zhì)能系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái),設(shè)計(jì)了小型堆-生物質(zhì)綜合能源系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠同時(shí)為建筑提供熱能和電能,解決了單一能源系統(tǒng)不靈活性的問(wèn)題。為了提高電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)(EHG-IES)的互補(bǔ)、互濟(jì)能力,田壁源等[56]將電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)與綜合需求響應(yīng)(IDR)系統(tǒng)結(jié)合,設(shè)計(jì)了含IDR的EHG-IES系統(tǒng)(圖10)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能源的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換等功能,其中EHG-IES部分為建筑提供電、熱、氣能源,同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了多種能源的耦合互補(bǔ)與替代,具有雙向協(xié)同互補(bǔ)的特性;系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備有熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)機(jī)組、可再生能源發(fā)電技術(shù)(P2G)和燃?xì)忮仩t(GB)、電鍋爐(EB);IDR系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶需求在時(shí)間與容量尺度進(jìn)行柔性調(diào)節(jié),增強(qiáng)了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與經(jīng)濟(jì)性,結(jié)果表明:系統(tǒng)采用風(fēng)電和光電的模式,比不采用下網(wǎng)電量上升了28.65%的運(yùn)行成本;相比于不采用IDR系統(tǒng),采用IDR系統(tǒng)的能源利用率由86.32%上升至91.88%,提高了能源系統(tǒng)的利用效率[56]。

圖10 含IDR的EHG-IES結(jié)構(gòu)示意圖[56]Fig.10 Schematic diagram of EHG-IES with IDR[56]

3.2 智能調(diào)配技術(shù)在建筑多能系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過(guò)建筑與外界能源的友好交互,建立電/熱網(wǎng)友好型的智能建筑是低碳/零碳建筑的新內(nèi)涵,使智能建筑用能負(fù)荷更加平穩(wěn),從而節(jié)約建筑總能耗。在已建成的建筑中利用人工智能、數(shù)據(jù)挖掘的智慧運(yùn)維技術(shù)降低智能建筑使用過(guò)程中的能耗已成為發(fā)展趨勢(shì)[57]。建筑通過(guò)構(gòu)筑“建筑-電網(wǎng)-熱網(wǎng)”能源生態(tài)系統(tǒng),幫助電網(wǎng)克服短、長(zhǎng)期電/熱力不平衡問(wèn)題,降低建筑能耗,提高建筑電/熱網(wǎng)的穩(wěn)定性[58];通過(guò)電/熱力需求側(cè)管理和電/熱力需求響應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié),需求響應(yīng)是通過(guò)補(bǔ)償或者升價(jià)來(lái)誘導(dǎo)用戶減少電/熱力高峰期的使用,也可通過(guò)建筑的蓄電/熱或反向供電/熱能力進(jìn)行調(diào)節(jié)[59-60]。圖11為含冷熱電/熱聯(lián)供(CCHP)微網(wǎng)的主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng),在滿足自身需求下,合理的安排與配電網(wǎng)的交互,通過(guò)柔性調(diào)節(jié)冷熱電負(fù)荷,提高能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性與響應(yīng)能力,從而提升系統(tǒng)能源的利用率,降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。通過(guò)建立系統(tǒng)模型和算例分析,結(jié)果表明:CCHP系統(tǒng)通過(guò)柔性調(diào)節(jié)有效降低了電網(wǎng)運(yùn)行成本;系統(tǒng)在用電高峰時(shí)放電,在用電低峰時(shí)充電,實(shí)現(xiàn)了電負(fù)荷轉(zhuǎn)移,從而實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的“削峰填谷”[61]。

城鎮(zhèn)化的發(fā)展使得城市熱網(wǎng)多元化和用戶供需不確定性增大。陳嘉映等[62]通過(guò)建立映射模型,使用“靈活性”來(lái)估算熱網(wǎng)的靈活運(yùn)輸熱量的能力。為提高多能系統(tǒng)的靈活性,供熱系統(tǒng)的“智能化”和“管控”逐漸成為減少熱源浪費(fèi)的關(guān)鍵技術(shù)[63]。此外,利用大型蓄熱水罐系統(tǒng)也是一種提高其靈活性的手段,該技術(shù)將熱網(wǎng)負(fù)荷有效轉(zhuǎn)移,降低了建筑運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)建筑與外界熱網(wǎng)的友好交互。當(dāng)熱網(wǎng)供熱量大于用戶負(fù)荷時(shí),將多余熱量存儲(chǔ)至蓄熱水罐,保證了用戶所需熱量與熱網(wǎng)匹配;當(dāng)用戶負(fù)荷大于熱網(wǎng)供熱量時(shí),通過(guò)蓄水罐放熱來(lái)補(bǔ)充熱網(wǎng)作為熱源供給,從而實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)“移峰填谷”的作用(圖12)[64]。以鄭州為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)最冷月采暖日負(fù)荷進(jìn)行分析,結(jié)果表明:當(dāng)蓄熱罐容量<1 100 MW·h時(shí),系統(tǒng)削峰負(fù)荷隨著蓄熱罐容量的增加而顯著增長(zhǎng),削峰效果顯著;當(dāng)蓄熱罐容量≥1 100 MW·h時(shí),隨著蓄熱罐容量的增加,削峰效果逐漸平穩(wěn),削峰效果減弱;蓄水罐容量小于熱網(wǎng)熱負(fù)荷尖峰段的移峰效果最好;此外,為提高蓄熱水罐靈活性,需要及時(shí)根據(jù)用戶熱負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)整。

1—熱網(wǎng)循環(huán)泵; 2—電動(dòng)調(diào)節(jié)閥; 3—混水用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥; 4—蓄熱用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥; 5—放熱用水泵; 6—換熱站; 7—熱電廠; 8—蓄熱水罐; 9—熱用戶; 10—蓄熱用水泵圖12 蓄熱水罐系統(tǒng)運(yùn)行原理[64]Fig.12 Operating principle of the hot water storage tank system[64]

4 總結(jié)與展望

大幅度降低建筑運(yùn)行階段的碳排放是實(shí)現(xiàn)建筑“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的必然選擇。筆者從建筑本體和建筑-外界交互兩個(gè)層面,分析了建筑運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)低碳排放目標(biāo)的路徑與關(guān)鍵技術(shù),主要結(jié)論如下:

1)從建筑本體看,大部分建筑的主要能耗是源于營(yíng)造舒適、健康的室內(nèi)環(huán)境帶來(lái)的空調(diào)和采暖能耗,大量應(yīng)用主/被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)可以有效降低建筑終端用能需求和能耗。其一,可以應(yīng)用保溫墻、熱管嵌入式墻、真空窗、相變-輻射屋頂?shù)雀咝阅芙ㄖS護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)降低建筑冷/熱負(fù)荷需求;其二,將太陽(yáng)能利用技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用到建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)上,滿足建筑供電、采暖、供冷和凈化等多樣化需求,促使建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)從“保溫”到“產(chǎn)能”的角色轉(zhuǎn)變;其三,應(yīng)用高能效空調(diào)系統(tǒng),如復(fù)合型熱泵、高效節(jié)能蓄冷空調(diào)、光伏直驅(qū)冰蓄冷空調(diào)等技術(shù),提升空調(diào)效能,減少建筑運(yùn)行碳排放。

2)從建筑-外界交互角度看,首先,需要因地制宜地充分利用可再生能源和余熱資源,包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、工廠園區(qū)余熱資源等,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效多能互補(bǔ)系統(tǒng),最大幅度降低建筑的常規(guī)能源消耗量,以較少能源提供健康舒適的室內(nèi)環(huán)境;其次,采用蓄能技術(shù)、光儲(chǔ)直柔、低壓直流配電等先進(jìn)技術(shù),并融入智能化控制技術(shù),使得建筑用能負(fù)荷更加平穩(wěn),成為外界熱/電網(wǎng)的友好負(fù)載,來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑與電/熱網(wǎng)等外部能源系統(tǒng)進(jìn)行需求響應(yīng)、友好交互等功能,最終實(shí)現(xiàn)降低建筑運(yùn)維階段的碳排放。

3)建筑全生命周期包括建筑設(shè)計(jì)、建筑建造、建筑運(yùn)行、建筑回收拆除。從建筑運(yùn)行階段著手,后續(xù)的研究還應(yīng)該從建筑的炊事、照明及生活熱水等方面進(jìn)行探討,改用清潔炊事活動(dòng),更換節(jié)能照明系統(tǒng),采取更加清潔高效的手段獲取生活熱水,更換清潔采暖方式。此外,從建筑設(shè)計(jì)、建筑建造和建筑回收拆除階段著手,從建筑材料選擇、建筑材料運(yùn)輸、建筑通風(fēng)等其他節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建筑拆除階段材料的回收等方面進(jìn)行研究,力求建筑在整個(gè)生命周期實(shí)現(xiàn)零碳排放。