張 濤 劉曉華 劉效辰 李 浩 陳 琪

(清華大學(xué),北京)

0 引言

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐,需要電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變[1-3]。新型電力系統(tǒng)構(gòu)建不單單是電源側(cè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,更需要源側(cè)與用戶側(cè)協(xié)同起來應(yīng)對(duì)風(fēng)電、光電(以下簡稱風(fēng)光電)等高比例可再生電力的波動(dòng)性。“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”多向協(xié)同、靈活互動(dòng)是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的堅(jiān)強(qiáng)支撐[4],這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要建筑等用戶側(cè)的角色由單純的電力用戶轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂小爱a(chǎn)儲(chǔ)用調(diào)”四位一體功能的復(fù)合體。建筑自身能源系統(tǒng)的革新,一方面是全面電氣化、促進(jìn)建筑用能結(jié)構(gòu)的低碳化,另一方面也需要建筑能夠成為未來新型電力系統(tǒng)中的柔性節(jié)點(diǎn),承擔(dān)起與電力系統(tǒng)的供給側(cè)、電網(wǎng)側(cè)友好互動(dòng)的任務(wù)[5]。

建筑中的空調(diào)系統(tǒng)是用戶側(cè)用電的重要組成,也是電力系統(tǒng)在峰谷調(diào)節(jié)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的用電環(huán)節(jié)。電力高峰多為空調(diào)用電高峰導(dǎo)致,例如浙江、湖北等地電力部門統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,夏季空調(diào)降溫用電負(fù)荷占比已近四成,成為電網(wǎng)峰谷差拉大、尖峰負(fù)荷凸顯的重要原因[6-7];未來隨著建筑部門電氣化水平的進(jìn)一步提升,這種溫度敏感型負(fù)荷在電力負(fù)荷中的占比仍有進(jìn)一步上升的空間。這樣,當(dāng)從整個(gè)電力系統(tǒng)視角認(rèn)識(shí)空調(diào)系統(tǒng)的角色時(shí),空調(diào)系統(tǒng)也不再單純是電力系統(tǒng)的用戶,而是可作為電力系統(tǒng)中的用電環(huán)節(jié)起到參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的作用?？照{(diào)系統(tǒng)的構(gòu)建目標(biāo)也將發(fā)生變化(如圖1所示),由滿足用戶側(cè)的基本熱濕環(huán)境營造需求、實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的高效運(yùn)行(服務(wù)于建筑節(jié)能目標(biāo)),進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成電力系統(tǒng)中的柔性用電環(huán)節(jié),使得用戶側(cè)用電能夠更好地響應(yīng)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求,推進(jìn)“荷隨源變”。為了適應(yīng)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求,建筑側(cè)已采取了蓄冷/蓄熱等方式來響應(yīng)。建筑側(cè)蓄冷是響應(yīng)電網(wǎng)峰谷電價(jià)、輔助電力系統(tǒng)峰谷調(diào)節(jié)的重要措施,冰蓄冷、水蓄冷等空調(diào)蓄冷相關(guān)技術(shù)已得到快速發(fā)展[8-10],在蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、蓄冷技術(shù)裝置、蓄冷系統(tǒng)的建設(shè)及運(yùn)行調(diào)控等方面均已非常成熟,支撐了大量蓄冷工程的實(shí)際應(yīng)用,例如冰蓄冷、水蓄冷在多座機(jī)場(chǎng)航站樓、商業(yè)綜合體等建筑中得到較大規(guī)模應(yīng)用[11-13],對(duì)降低建筑自身用電成本、降低空調(diào)冷源總裝機(jī)容量等起到了很好的作用。

圖1 新型電力系統(tǒng)視角下建筑用戶及空調(diào)系統(tǒng)的角色轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)模式下空調(diào)系統(tǒng)中的蓄冷多是圍繞電網(wǎng)峰谷電價(jià)、保障自身空調(diào)負(fù)荷需求等來設(shè)計(jì)、運(yùn)行,在新型電力系統(tǒng)中,如何將蓄冷與電力系統(tǒng)發(fā)生的變化相結(jié)合,如何將新型電力系統(tǒng)對(duì)用戶側(cè)的新要求在空調(diào)系統(tǒng)蓄冷的設(shè)計(jì)、運(yùn)行過程中充分考慮,蓄冷與其他用戶側(cè)蓄能方式有何差異,這些問題都亟需解答。為此,本文針對(duì)新型電力系統(tǒng)中建筑側(cè)蓄冷的新要求、蓄冷如何更好地服務(wù)于用戶側(cè)變化等問題開展初步探討,以期在新型電力系統(tǒng)中充分發(fā)揮建筑側(cè)蓄冷的作用、更好地促進(jìn)電力系統(tǒng)變革目標(biāo)與建筑自身能源系統(tǒng)革新目標(biāo)之間的協(xié)同。

1 新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的要求

1.1 新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的需求

新型電力系統(tǒng)面臨風(fēng)光電出力不穩(wěn)定、電力供給與負(fù)荷需求兩端難以完全匹配等瓶頸問題,外部風(fēng)光電等可再生電力如何有效消納、建筑側(cè)分布式光伏等可再生電力如何有效消納、如何應(yīng)對(duì)風(fēng)光電的波動(dòng)性等是在新型電力系統(tǒng)中需要設(shè)置儲(chǔ)能資源來應(yīng)對(duì)的重要問題。

儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)節(jié)的重要手段,是在一定程度上實(shí)現(xiàn)可再生供給與終端負(fù)荷需求之間解耦的重要抓手,能夠?yàn)橄到y(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)提供有效緩沖空間。從電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能應(yīng)對(duì)的問題來看,時(shí)間尺度上包含長周期、短周期儲(chǔ)能,對(duì)應(yīng)有不同的技術(shù)解決方式。例如對(duì)于年內(nèi)或季節(jié)尺度上的跨季節(jié)電力供需不平衡問題,需要一些跨季節(jié)儲(chǔ)能的方式如儲(chǔ)氫、跨季節(jié)運(yùn)行的火電調(diào)峰機(jī)組等解決方案;對(duì)于日間的儲(chǔ)能需求,抽水蓄能等可作為電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)對(duì)手段,蓄電池等可應(yīng)對(duì)日間或日內(nèi)不平衡下的儲(chǔ)能需求。這些儲(chǔ)能方式對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間尺度,可用于解決不同體量/時(shí)間尺度下的能量調(diào)蓄問題。

單純依靠儲(chǔ)能電池等現(xiàn)有方式實(shí)現(xiàn)能源/零碳電力系統(tǒng)的調(diào)蓄,需要投入極大的成本,迫切需要探索經(jīng)濟(jì)性合理、可負(fù)擔(dān)的調(diào)蓄方式。為此可探索的路徑包括:一方面尋求降低儲(chǔ)能成本、提高儲(chǔ)能技術(shù)的方式,電池、各類儲(chǔ)能技術(shù)一直是熱門研究領(lǐng)域,未來隨著技術(shù)進(jìn)步,儲(chǔ)能成本也存在一定下降空間;另一方面則可通過需求側(cè)的靈活調(diào)節(jié)來降低系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能容量的要求,尋求替代的方式來獲得等效儲(chǔ)能的效果,這就使得建筑、電動(dòng)汽車等用戶側(cè)有望成為重要的等效儲(chǔ)能或調(diào)蓄資源[14-17]。

根據(jù)所處位置的不同,電力系統(tǒng)中可設(shè)置或可利用的儲(chǔ)能資源主要包括電源側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能和用戶側(cè)儲(chǔ)能(如圖2所示),3種儲(chǔ)能資源發(fā)揮的作用不同,需要對(duì)各類儲(chǔ)能資源的合理配置、合理調(diào)度進(jìn)行整體規(guī)劃。

圖2 新型電力系統(tǒng)中可利用的儲(chǔ)能/等效儲(chǔ)能資源

1) 在電源側(cè)需要有效的儲(chǔ)能手段或組合電源來應(yīng)對(duì)風(fēng)光電的波動(dòng)性。

風(fēng)光打捆、水光打捆等實(shí)際上是利用了各類電源間的互補(bǔ)性,有助于降低對(duì)電源側(cè)儲(chǔ)能的要求、更好地利用可再生能源[18-19]。為了更好地平衡風(fēng)光電等電源側(cè)出力,電源側(cè)需采用集中儲(chǔ)能方式,例如風(fēng)光電電站均需要設(shè)置一定容量的儲(chǔ)能,來盡可能實(shí)現(xiàn)風(fēng)光電電源側(cè)的儲(chǔ)能調(diào)節(jié),一定程度上緩解風(fēng)光電出力的波動(dòng)性。一些可再生能源發(fā)電方式例如光熱發(fā)電,具有較好的出力特點(diǎn),自身即可實(shí)現(xiàn)太陽能熱量的儲(chǔ)蓄和發(fā)電能力調(diào)節(jié),也是一種在電源側(cè)改善可再生電力波動(dòng)的手段。

2) 在電網(wǎng)側(cè)需要合理的儲(chǔ)能方式來為電網(wǎng)調(diào)節(jié)提供可利用手段。

整體上協(xié)調(diào)電源與終端用戶間電力的供需平衡,是電力系統(tǒng)調(diào)度調(diào)節(jié)中重要的可利用手段。電網(wǎng)側(cè)常見的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)方式包括抽水蓄能電站、壓縮空氣儲(chǔ)能電站、集中式蓄電池電站等,其中抽水蓄能電站可實(shí)現(xiàn)非常高的儲(chǔ)能效率,但對(duì)地理?xiàng)l件有較高要求,需要蓄水上庫、下庫間具有較大高差[20],一些廢棄礦坑等也有望改造為抽水蓄能電站;目前各地規(guī)劃建設(shè)的抽水蓄能電站規(guī)模達(dá)到上億kW,未來可達(dá)到4億～5億kW。利用鹽穴開展的壓縮空氣儲(chǔ)能,在儲(chǔ)電、放電過程中由于空氣壓縮、高壓空氣釋放等導(dǎo)致大量的冷熱產(chǎn)生,需對(duì)冷熱進(jìn)行有效利用以提高系統(tǒng)綜合性能。

3) 在用戶側(cè)充分挖掘其具有的等效儲(chǔ)能資源來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷柔性可調(diào)、輔助電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

用戶側(cè)如建筑、交通領(lǐng)域全面電氣化會(huì)帶來終端用電需求的進(jìn)一步增長,而終端用戶具有的儲(chǔ)能能力也需要得到進(jìn)一步重視。終端用戶的特點(diǎn)是單個(gè)體量較小,遠(yuǎn)小于大規(guī)模電站的能量調(diào)度能力,但其特點(diǎn)是具有海量用戶、擁有海量的可調(diào)節(jié)等效儲(chǔ)能資源。用戶側(cè)的電動(dòng)汽車、電器設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng),甚至分布式蓄電池等,都有望成為用戶側(cè)可挖掘的儲(chǔ)能資源。當(dāng)前電網(wǎng)與用戶互動(dòng)的重點(diǎn)也包括車網(wǎng)互動(dòng)、對(duì)建筑空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等方向[21-23],未來需要進(jìn)一步解決用戶自身等效儲(chǔ)能能力的充分挖掘、電網(wǎng)與海量用戶之間有效互動(dòng)等關(guān)鍵問題。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)可發(fā)揮的儲(chǔ)能作用

暖通空調(diào)系統(tǒng)是用戶側(cè)用電的重要組成,也是當(dāng)前電力系統(tǒng)對(duì)用戶側(cè)調(diào)節(jié)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。電力部門已初步開展建筑空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)管理工作,通過在夏季用電負(fù)荷高峰期對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的冷源進(jìn)行有效調(diào)節(jié),例如在中午需求側(cè)響應(yīng)時(shí)間(1 h)內(nèi),通過提高制冷機(jī)供水溫度等方式,即可在基本保障末端空調(diào)溫度調(diào)節(jié)需求的情況下實(shí)現(xiàn)空調(diào)用電負(fù)荷的顯著降低[24]。而從空調(diào)系統(tǒng)的多環(huán)節(jié)組成特點(diǎn)出發(fā),可對(duì)其具有的等效儲(chǔ)能能力進(jìn)一步刻畫(如圖3所示),以便對(duì)空調(diào)系統(tǒng)可發(fā)揮的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)效果形成整體認(rèn)識(shí),更好地服務(wù)于電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。

1) 室內(nèi)末端側(cè)。

主要通過室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)的可調(diào)節(jié)、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身蓄能特征及末端處理設(shè)備(如空氣處理機(jī)組、新風(fēng)處理機(jī)組)的柔性運(yùn)行等來實(shí)現(xiàn)柔性用能。室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)層面,實(shí)際上溫濕度、CO2濃度均可在一定范圍內(nèi)變化(例如溫度可在±1 ℃、±2 ℃范圍內(nèi)變化,相對(duì)濕度可在±5%、±10% 范圍內(nèi)變化,CO2濃度也可在較大范圍內(nèi)變化,當(dāng)然部分環(huán)境參數(shù)控制要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合其參數(shù)允許的變化范圍相對(duì)較小),這種可變參數(shù)本身就為柔性用電提供了重要的可調(diào)空間,是空調(diào)系統(tǒng)能夠發(fā)揮等效儲(chǔ)能能力的重要基礎(chǔ);建筑本體/圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有熱慣性,與不同空調(diào)末端結(jié)合也可進(jìn)一步發(fā)揮蓄能效果,例如混凝土輻射地板可通過提前供冷、預(yù)冷或預(yù)熱等方式實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)的熱量轉(zhuǎn)移、蓄存釋放。

2) 輸配系統(tǒng)側(cè)。

可通過管道中冷熱水的蓄存能力和輸配系統(tǒng)中水泵、風(fēng)機(jī)的變頻運(yùn)行等來獲得等效儲(chǔ)能能力。例如一些空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在冷源系統(tǒng)關(guān)閉一段時(shí)間后仍能維持末端環(huán)境參數(shù),就是利用了管道中蓄存的冷水所發(fā)揮的蓄冷作用;輸配系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、水泵可利用末端參數(shù)的容許變化范圍來改變自身運(yùn)行特征,通過變頻運(yùn)行等柔性調(diào)節(jié)模式來響應(yīng)柔性用電目標(biāo)。

3) 冷熱源側(cè)。

主要通過蓄冷蓄熱來獲得蓄能能力,也可利用冷水水溫調(diào)節(jié)等適應(yīng)功率調(diào)節(jié)需求。冷水水溫調(diào)節(jié)(如在需要降低用電功率時(shí)適當(dāng)提高冷水供水溫度)等方式仍是從空調(diào)系統(tǒng)整體出發(fā)、結(jié)合末端參數(shù)可調(diào)等實(shí)現(xiàn)的整體等效蓄能效果,而蓄冷蓄熱則是冷熱源側(cè)的主動(dòng)蓄能方式。建筑側(cè)蓄冷是建筑自身空調(diào)用電主動(dòng)適應(yīng)電力供給特征的重要措施,多是根據(jù)峰谷電價(jià)、空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行。建筑側(cè)水蓄冷、冰蓄冷等相關(guān)技術(shù)已發(fā)展得十分成熟,在當(dāng)前新型電力系統(tǒng)建設(shè)視角下,需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)對(duì)建筑側(cè)蓄冷的新要求,充分發(fā)揮蓄冷的作用。

2 對(duì)蓄冷的新要求與新認(rèn)識(shí)

2.1 對(duì)建筑側(cè)蓄冷的新要求

冰蓄冷/水蓄冷系統(tǒng)是空調(diào)系統(tǒng)中常見的蓄冷手段,分別從空調(diào)系統(tǒng)視角和新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的視角出發(fā)時(shí),會(huì)對(duì)這些建筑側(cè)蓄冷方式的基本要求、擬實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)等產(chǎn)生不同認(rèn)識(shí)(如圖4所示)。建筑側(cè)蓄冷的基本目的仍以滿足建筑自身空調(diào)供冷需求為基礎(chǔ),目前的設(shè)計(jì)方法、運(yùn)行模式等也多是從滿足空調(diào)系統(tǒng)自身需求和適應(yīng)電力削峰填谷等要求出發(fā),在設(shè)計(jì)容量選取、實(shí)際運(yùn)行中也以上述目標(biāo)為邊界條件。例如根據(jù)峰谷電價(jià)、空調(diào)系統(tǒng)自身負(fù)荷特點(diǎn)來確定蓄冷的容量,負(fù)荷容量選取多以空調(diào)尖峰負(fù)荷的消減作為指標(biāo),根據(jù)降低冷源設(shè)備總?cè)萘客度?、?fù)荷消減率、利用峰谷電價(jià)差獲得經(jīng)濟(jì)收益等來確定所需的蓄冷系統(tǒng)容量。制冷機(jī)在電價(jià)低谷時(shí)蓄存冷量,冷負(fù)荷高峰或電價(jià)高峰時(shí)由蓄冷系統(tǒng)釋冷、基載制冷機(jī)供冷甚至雙工況制冷機(jī)(可同時(shí)運(yùn)行在蓄冷工況和常規(guī)供冷工況)供冷來聯(lián)合滿足要求。

圖4 從新型電力系統(tǒng)視角認(rèn)識(shí)空調(diào)系統(tǒng)中蓄冷的作用[25]

在蓄冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中,也根據(jù)上述設(shè)計(jì)確定的系統(tǒng)形式、運(yùn)行目標(biāo)來確定合理的運(yùn)行模式。根據(jù)實(shí)際峰谷電價(jià)特點(diǎn),蓄冷系統(tǒng)可根據(jù)建筑實(shí)際冷負(fù)荷特點(diǎn)、蓄冷系統(tǒng)容量、冷源系統(tǒng)的運(yùn)行性能等來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式的優(yōu)化,通常情況下蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行以充分利用峰谷電價(jià)差、充分將蓄存的冷量在電價(jià)高峰時(shí)段釋放來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的提升。例如很多蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行模式為夜間電價(jià)低谷時(shí)段蓄冷(此時(shí)通常為建筑側(cè)空調(diào)冷負(fù)荷需求的低谷,冷負(fù)荷需求可利用基載制冷機(jī)等滿足),而在日間負(fù)荷高峰時(shí)段(如下午,也通常為電價(jià)高峰時(shí)段)盡量依靠蓄冷系統(tǒng)釋冷并結(jié)合其他制冷機(jī)供冷來應(yīng)對(duì)冷負(fù)荷高峰,其余時(shí)段則可根據(jù)負(fù)荷需求和系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)來確定合理的運(yùn)行模式。

當(dāng)以成為新型電力系統(tǒng)中的終端有效儲(chǔ)能資源為目標(biāo)時(shí),建筑側(cè)蓄冷的功能、任務(wù)目標(biāo)也會(huì)發(fā)生變化。新型電力系統(tǒng)的特點(diǎn)之一為電源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化:集中電源中風(fēng)光電大比例增加,需要電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)置大量儲(chǔ)能調(diào)蓄資源應(yīng)對(duì);建筑等分布式光伏可再生電力大幅增加,有效消納建筑自身的分布式光伏也需要建筑自身具備一定的儲(chǔ)能能力。從整個(gè)新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過程來看,建筑等終端用戶有望成為電力“產(chǎn)儲(chǔ)用調(diào)”的復(fù)合體,將建筑變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)中柔性用電節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)也迫切需要終端側(cè)具備一定的儲(chǔ)能能力。這樣,建筑側(cè)蓄冷的目標(biāo)就不再僅局限于服務(wù)建筑自身空調(diào)需求或響應(yīng)峰谷電價(jià)獲取經(jīng)濟(jì)收益,而是應(yīng)從整個(gè)新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建目標(biāo)出發(fā),從使得用戶側(cè)能夠更好地滿足“產(chǎn)儲(chǔ)用調(diào)”四位一體的柔性用電終端出發(fā),重新認(rèn)識(shí)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行的基本要求。

當(dāng)從成為電力系統(tǒng)中柔性節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)出發(fā)時(shí),建筑側(cè)蓄冷的任務(wù)需要考慮自身分布式光伏消納、協(xié)助外部風(fēng)光電可再生電力消納、實(shí)現(xiàn)建筑自身電力的柔性調(diào)節(jié)等方面的需求。例如考慮自身分布式光伏消納時(shí),建筑光伏發(fā)電量的高峰時(shí)刻多與空調(diào)冷負(fù)荷的高峰時(shí)刻相近,此時(shí)蓄冷容量的設(shè)計(jì)也將轉(zhuǎn)變?yōu)樵谌臻g消納多余光伏電力,同時(shí)需要與系統(tǒng)中的冷源設(shè)備配合來滿足空調(diào)冷負(fù)荷需求,蓄冷系統(tǒng)需要根據(jù)此目標(biāo)來重新選取容量、確定系統(tǒng)運(yùn)行模式。當(dāng)以實(shí)現(xiàn)建筑自身用電的柔性調(diào)節(jié)能力為目標(biāo)時(shí),蓄冷系統(tǒng)也應(yīng)考慮到空調(diào)用電的柔性調(diào)節(jié)能力,將響應(yīng)外部電力供給特點(diǎn)等要求體現(xiàn)在蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行中。

2.2 應(yīng)對(duì)新要求——從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到運(yùn)行使用模式

新型電力系統(tǒng)構(gòu)建對(duì)建筑側(cè)蓄冷提出了新要求,當(dāng)以成為電力系統(tǒng)中的柔性用戶、更好地滿足終端用戶柔性用電需求為目標(biāo)時(shí),建筑側(cè)蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量、系統(tǒng)配置、運(yùn)行模式等均會(huì)產(chǎn)生變化,需要在以往僅考慮峰谷電價(jià)、系統(tǒng)冷負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮其作為電力系統(tǒng)中用戶側(cè)可調(diào)節(jié)儲(chǔ)能資源這一新角色的新要求。

1) 容量設(shè)計(jì)方面。

在滿足建筑空調(diào)冷負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上,蓄冷需要根據(jù)目標(biāo)來確定適宜的容量,從單純峰谷電價(jià)差驅(qū)動(dòng)的容量優(yōu)選轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合電力供給特點(diǎn)和柔性調(diào)節(jié)目標(biāo)來綜合考慮系統(tǒng)蓄冷容量的配置。例如以消納建筑自身多余光電或消納外部風(fēng)光電基地供給的可再生電力為目標(biāo)時(shí),光伏電力高峰時(shí)刻通常與空調(diào)冷負(fù)荷高峰時(shí)刻相近,而無光伏電力時(shí)多為夜間,此時(shí)可考慮將建筑夜間的空調(diào)冷負(fù)荷作為蓄冷系統(tǒng)容量選取的目標(biāo),將夜間空調(diào)冷負(fù)荷轉(zhuǎn)移至白天光伏電力高峰時(shí)來有效消納多余的可再生電力,而在可再生電力低谷時(shí)利用蓄冷系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)此時(shí)全部或部分空調(diào)冷負(fù)荷需求(如圖5所示)。這樣,蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量就與可再生電力的供給特點(diǎn)相一致,能夠更好地發(fā)揮建筑側(cè)蓄冷作為電力系統(tǒng)中調(diào)蓄資源的潛力。此外,蓄冷作為建筑側(cè)等效儲(chǔ)能資源的一部分,還應(yīng)當(dāng)考慮其與建筑中其他可利用儲(chǔ)能資源的配合,例如電動(dòng)汽車充電樁、電器設(shè)備、分布式蓄電池等資源,均可作為建筑中可利用的等效儲(chǔ)能資源。如何使得蓄冷這一空調(diào)系統(tǒng)層面的重要蓄能資源與各類等效儲(chǔ)能資源有效協(xié)同,共同發(fā)揮建筑終端的柔性用電能力,尚需進(jìn)一步研究。

圖5 空調(diào)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)視角下對(duì)蓄冷的不同認(rèn)識(shí)

2) 系統(tǒng)配置方面。

需要根據(jù)新的容量配置目標(biāo)、系統(tǒng)冷負(fù)荷需求來確定制冷機(jī)配置。例如以消納日間多余光伏電力為主要任務(wù)時(shí),日間光伏電力高峰時(shí)通常對(duì)應(yīng)的也是空調(diào)冷負(fù)荷的高峰,此時(shí)系統(tǒng)中制冷機(jī)的配置既需要有消納多余光伏電力的蓄冷機(jī)組,也需要能夠滿足系統(tǒng)冷負(fù)荷需求的制冷機(jī),此時(shí)系統(tǒng)的總制冷機(jī)容量配置是否會(huì)偏高?冷源的整體利用率是否會(huì)偏低?如何將消納可再生電力的目標(biāo)與系統(tǒng)冷源容量合理設(shè)置的目標(biāo)有效結(jié)合?這些問題還需要進(jìn)一步結(jié)合可再生電力消納、自身冷負(fù)荷需求等特點(diǎn)來解決。

3) 系統(tǒng)運(yùn)行模式方面。

任務(wù)目標(biāo)的轉(zhuǎn)變也會(huì)導(dǎo)致蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行模式發(fā)生轉(zhuǎn)變,如圖6所示。為了將日間電價(jià)高峰時(shí)段的空調(diào)冷負(fù)荷“搬運(yùn)”至夜間電價(jià)低谷時(shí)段,蓄冷系統(tǒng)原有運(yùn)行模式多為夜間蓄冷、日間釋冷;當(dāng)前一些地區(qū)的峰谷電價(jià)已不單純是夜間為低谷電價(jià),在日間中午時(shí)段也可能出現(xiàn)低谷電價(jià),這也反映出光電等可再生電力占比增加后電力供給特點(diǎn)發(fā)生了改變,需要建筑側(cè)蓄冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、運(yùn)行中充分適應(yīng)這種電力供給特點(diǎn)的變化。當(dāng)以消納日間光伏電力為目標(biāo)時(shí),蓄冷系統(tǒng)需要在日間空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí)段運(yùn)行,此時(shí)需要蓄冷冷源、供冷冷源等同時(shí)運(yùn)行,一方面滿足空調(diào)冷負(fù)荷需求,另一方面滿足消納多余光伏電力的目標(biāo);非光伏電力時(shí)段,可根據(jù)空調(diào)冷負(fù)荷需求與冷量蓄存容量來確定合理的運(yùn)行模式,例如在夜間無光伏可再生電力時(shí),可將日間蓄存的冷量釋放出來,滿足部分或全部夜間空調(diào)供冷需求。這樣,蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行才能更好地適應(yīng)可再生電力的變化特點(diǎn),使得用戶側(cè)的空調(diào)用電需求更好地與可再生發(fā)電特點(diǎn)相匹配。

圖6 不同視角下蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行模式的差異

3 蓄冷與蓄電

3.1 建筑側(cè)等效儲(chǔ)能資源

從新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建要求和對(duì)各環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能需求來看,建筑等用戶側(cè)可利用的等效儲(chǔ)能資源主要包括蓄電池類(分布式蓄電)、蓄冷/蓄熱類(空調(diào)系統(tǒng)、建筑本體圍護(hù)結(jié)構(gòu))、電動(dòng)汽車+充電樁(與建筑配電系統(tǒng)互聯(lián)互通)、電器設(shè)備類(如可調(diào)節(jié)的柔性電器),如圖7所示。這些儲(chǔ)能/等效儲(chǔ)能資源既有本身蓄能能力、可調(diào)節(jié)能力的差別,又在很大程度上受到建筑服務(wù)功能、建筑自身特點(diǎn)的影響,需要在利用用戶側(cè)儲(chǔ)能資源過程中加以區(qū)分。

圖7 建筑中儲(chǔ)能資源的分類及影響因素

1) 從可利用儲(chǔ)能的確定性和可調(diào)度程度來看,建筑側(cè)可利用的等效儲(chǔ)能資源中,蓄冷/蓄熱、單獨(dú)設(shè)置的蓄電池是確定的可利用儲(chǔ)能資源。蓄電池可完全服務(wù)于用戶側(cè)柔性用電調(diào)節(jié),在滿足用戶空調(diào)需求的基礎(chǔ)上蓄冷/蓄熱也可作為建筑空調(diào)系統(tǒng)柔性調(diào)節(jié)的重要手段來響應(yīng)柔性調(diào)節(jié)指令。在對(duì)建筑等用戶側(cè)的儲(chǔ)能資源進(jìn)行合理配置時(shí),也應(yīng)重點(diǎn)考慮蓄冷/蓄熱、蓄電池等這類具有確定性、可被調(diào)用的儲(chǔ)能資源,作為發(fā)揮建筑柔性調(diào)節(jié)能力的重要基礎(chǔ)資源。而與建筑配電系統(tǒng)互聯(lián)互通的電動(dòng)汽車(含充電樁)、建筑中可發(fā)揮儲(chǔ)能能力的電器設(shè)備,很大程度上是具有不確定性的可利用儲(chǔ)能資源,均需要在滿足用戶使用需求的基礎(chǔ)上再考慮發(fā)揮其可利用的儲(chǔ)能潛力。這兩類等效儲(chǔ)能資源的使用模式、可調(diào)節(jié)潛力等受到建筑使用模式、人員使用規(guī)律等多種因素影響,例如電動(dòng)汽車的出行使用特征、停留規(guī)律等很大程度影響了其與建筑配電系統(tǒng)有效交互的能力;各類電器設(shè)備的使用行為也會(huì)影響其可利用的調(diào)節(jié)潛力。在利用這些等效儲(chǔ)能資源時(shí),需要在考慮其使用特征的基礎(chǔ)上再利用其可調(diào)能力。

2) 用戶側(cè)各類儲(chǔ)能資源的等效儲(chǔ)能成本,也是很重要的影響因素。盡管分布式蓄電池可有最直接的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)效果,但通常其成本最高,1 W·h的投入成本可達(dá)1～2元;盡管隨著電池技術(shù)的不斷突破,未來其成本有一定下降空間,但這種化學(xué)儲(chǔ)能電池的投資尚難以支撐未來大規(guī)模儲(chǔ)能的需求。蓄冷雖然僅可在空調(diào)系統(tǒng)層面發(fā)揮蓄能調(diào)節(jié)效果,但其投入成本(例如水蓄冷的初投資成本約在0.1～0.3元/(W·h),冰蓄冷的投資成本約在0.3～0.4元/(W·h)[26])要顯著低于蓄電池,這也使得其有望成為用戶側(cè)等效儲(chǔ)能資源的重要選項(xiàng)。對(duì)于充電樁+電動(dòng)汽車的等效儲(chǔ)能方式,盡管不需要為汽車電池額外投入,但需要適宜的充電樁作為接口、需要適宜的充放電運(yùn)行調(diào)節(jié)策略。建筑中的設(shè)備電器作為等效儲(chǔ)能資源,也幾乎無額外投入,但需要在合理使用模式、建筑自身功能保障基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮其可利用的調(diào)節(jié)能力。

3.2 建筑側(cè)蓄冷與蓄電

從實(shí)現(xiàn)建筑柔性用電的目標(biāo)來看,與蓄電相比,蓄冷可發(fā)揮的作用受到限制(如圖8所示):蓄冷僅能解決空調(diào)系統(tǒng)的柔性調(diào)節(jié)問題,對(duì)應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)部分的功率、能量調(diào)節(jié)能力;蓄冷系統(tǒng)輸入的是電力,輸出的是冷水(冷量),僅能通過蓄存電力來解決空調(diào)需求(電力→熱力)。而蓄電則可適用于對(duì)整個(gè)建筑用電功率、能量的調(diào)節(jié),服務(wù)于建筑中所有用電環(huán)節(jié)的能量柔性目標(biāo),蓄電池是實(shí)現(xiàn)電力蓄存、釋放的有效措施(電力→電力)。

圖8 建筑中蓄冷與蓄電發(fā)揮作用的對(duì)比示例[27]

蓄冷可發(fā)揮多大的功率、能量調(diào)節(jié)作用,與建筑功能類型、使用特征、空調(diào)負(fù)荷需求等密切相關(guān)。以某辦公建筑為例,根據(jù)其逐時(shí)用電負(fù)荷(空調(diào)用電負(fù)荷和其他用電負(fù)荷)、蓄冷(折合電量)和蓄電同等容量投入下的柔性用電效果,可對(duì)比蓄冷與蓄電的差異[27]。在供冷季蓄冷可用于解決空調(diào)冷負(fù)荷/空調(diào)用電的柔性調(diào)節(jié)問題,但由于蓄冷僅能應(yīng)對(duì)空調(diào)負(fù)荷部分的柔性調(diào)節(jié)需求,且空調(diào)負(fù)荷逐日、逐時(shí)波動(dòng)特征使得蓄冷可發(fā)揮的效果要低于蓄電。定義同等容量下蓄冷與蓄電發(fā)揮的柔性用電效果之比為二者的等效系數(shù)α,上述案例中的等效系數(shù)在0.6左右(供冷季)。這就說明在同等容量(等效電量)投入的情況下,1份蓄冷可發(fā)揮的柔性用電調(diào)節(jié)效果僅能相當(dāng)于約0.6份的蓄電;當(dāng)進(jìn)一步考慮空調(diào)蓄冷僅能在供冷季發(fā)揮作用而蓄電可在全年發(fā)揮作用時(shí),蓄冷、蓄電二者的差異更加顯著,上述等效系數(shù)也會(huì)進(jìn)一步降低。當(dāng)然這一等效系數(shù)與建筑用電負(fù)荷構(gòu)成情況、用電柔性需求目標(biāo)等因素相關(guān),但仍可說明蓄冷與蓄電在實(shí)現(xiàn)柔性用電調(diào)節(jié)方面的差異。

從使得用戶具有等效儲(chǔ)能能力、滿足建筑側(cè)柔性用電的目標(biāo)來看,蓄冷、蓄電均是可選的方式,但在實(shí)際工程中還需要關(guān)注如何合理選取這兩種儲(chǔ)能方式,二者的主要區(qū)別見圖9。

圖9 建筑中蓄冷與蓄電的比較

1) 從使用場(chǎng)景和發(fā)揮效果來看,蓄冷僅用于空調(diào)系統(tǒng)的柔性調(diào)節(jié),而蓄電可服務(wù)于建筑整體的柔性用電目標(biāo),因而考慮蓄冷容量發(fā)揮的效果時(shí),需考慮其與蓄電之間的差異,可通過等效系數(shù)的方法來刻畫這種差異,該系數(shù)受不同類型建筑、不同運(yùn)行模式的影響。

2) 從能量蓄存、釋放效果來看,二者均為輸入電力,但蓄冷僅能蓄存電力、釋放冷量,蓄存、釋放效率(損失)主要受到保溫效果的影響,會(huì)有一定的冷量損失(日冷量損失大約在2%水平[28]);蓄電池可實(shí)現(xiàn)電力的蓄存、釋放,但其蓄存、釋放效率也僅在0.9左右,存在10%左右的能量損失。蓄冷、蓄電均可實(shí)現(xiàn)能量的多次蓄存、釋放,如冰蓄冷、水蓄冷的蓄存、釋放次數(shù)可滿足空調(diào)系統(tǒng)10年以上的使用需求;蓄電池雖有循環(huán)壽命限制,但鋰電池的循環(huán)次數(shù)已可達(dá)上千次,也可較好地滿足建筑側(cè)蓄能的使用需求。

3) 從投入成本來看,蓄冷的初投資會(huì)顯著優(yōu)于蓄電(折合到單位W·h電量),即便進(jìn)一步考慮到蓄冷可發(fā)揮的電力蓄放作用要小于蓄電,考慮蓄冷的等效折算系數(shù)后,當(dāng)前蓄冷的經(jīng)濟(jì)性仍要優(yōu)于蓄電;當(dāng)然未來隨著蓄電的成本進(jìn)一步降低,二者的初投資比會(huì)有一定改觀。

4) 從蓄存能量密度、占地等方面來看,蓄電具有極高的能量密度,所需的占地面積要顯著小于蓄冷。蓄冷的能量密度與蓄冷介質(zhì)密切相關(guān),水蓄冷的單位體積能量密度約在0.04 MJ/L(以10 ℃水循環(huán)溫差為例),冰蓄冷方式則可達(dá)約0.3 MJ/L(冰的相變潛熱約為335 kJ/kg),一些新開發(fā)的蓄冷介質(zhì)的能量密度也可達(dá)0.1～0.2 MJ/L[29]。而蓄電池的能量密度通常可達(dá)0.8～0.9 MJ/L,甚至更高。蓄電池的能量密度通?？杀刃罾浞绞礁?個(gè)量級(jí),在減少蓄能系統(tǒng)的占地面積上具有顯著優(yōu)勢(shì)。

5) 從實(shí)際運(yùn)行管理、安全性要求等方面來看,建筑側(cè)水蓄冷、冰蓄冷一般與空調(diào)系統(tǒng)的制冷站統(tǒng)一設(shè)置,由專門的人員運(yùn)維管理,安全性較高。建筑側(cè)分布式蓄電池尚處于發(fā)展階段,已有的建筑側(cè)蓄電如不間斷電源(UPS)多作為備用電源,電池類型(如鉛酸電池)、充放特性與可在建筑電力系統(tǒng)中多次充放的分布式蓄電有明顯區(qū)別,還需要在適宜的蓄電方式上進(jìn)一步探索。在當(dāng)前蓄電池發(fā)展方向仍以鋰電池為主的趨勢(shì)下,對(duì)建筑側(cè)蓄電的安全性仍有非常高的要求,還需要進(jìn)一步探索在滿足蓄電需求下同時(shí)保證安全性的技術(shù)措施,以便進(jìn)一步促進(jìn)建筑側(cè)分布式蓄電方式的發(fā)展。

從上述建筑側(cè)蓄冷、蓄電方式的綜合性能對(duì)比來看,現(xiàn)階段建筑側(cè)蓄冷仍是用戶側(cè)蓄能的重要手段,在適宜的場(chǎng)合可作為實(shí)現(xiàn)建筑柔性用電的有效途徑。

4 結(jié)論

新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能源革命和碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),需要“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同運(yùn)行,需要用戶側(cè)儲(chǔ)能能力的支撐。建筑等用戶側(cè)未來將有望成為集“發(fā)儲(chǔ)用調(diào)”于一體的電力系統(tǒng)柔性節(jié)點(diǎn),需要在自身儲(chǔ)能資源的利用上尋求適宜途徑。為此,本文從新型電力系統(tǒng)構(gòu)建視角出發(fā),針對(duì)建筑側(cè)蓄冷的新要求、應(yīng)對(duì)方式等進(jìn)行了探討,以期為用戶側(cè)儲(chǔ)能手段的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供有益參考。

1) 新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建需要各環(huán)節(jié)投入儲(chǔ)能資源來應(yīng)對(duì)電源結(jié)構(gòu)的變化、風(fēng)光電波動(dòng)特征的影響,用戶側(cè)具有的儲(chǔ)能資源包含蓄冷/蓄熱類、電動(dòng)汽車、電器設(shè)備及單獨(dú)設(shè)置的蓄電池等主要類型,建筑側(cè)蓄冷將成為電力系統(tǒng)中重要的終端儲(chǔ)能手段。

2) 作為重要的用戶側(cè)儲(chǔ)能手段,建筑側(cè)蓄冷從單純響應(yīng)峰谷電價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)自身光伏電力消納、外部可再生電力消納、實(shí)現(xiàn)建筑柔性用電等目標(biāo),需要重新考慮蓄冷系統(tǒng)的容量選取、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行模式,以便與新的目標(biāo)要求相契合。

3) 從用戶側(cè)可利用的儲(chǔ)能資源來看,建筑側(cè)蓄冷與蓄電相比,盡管蓄冷僅能在供冷季、針對(duì)空調(diào)用電發(fā)揮柔性調(diào)節(jié)能力(同等等效蓄存電量下蓄冷可發(fā)揮的效果不如蓄電池),但當(dāng)前其成本顯著低于蓄電方式,具有一定優(yōu)勢(shì),應(yīng)在終端儲(chǔ)能資源設(shè)計(jì)選取時(shí)優(yōu)先考慮。