綜合能源多能互補在建筑節能中的應用

秦曉玲

（浙江大合檢測有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

進入21世紀以來，全球環境問題的日趨嚴峻，極端天氣頻出，地球溫升加速，擺脫化石能源依靠成了大多數國家的共識，許多發達國家已經提出了放棄化石能源的時間表。我國也提出了“雙碳”目標，為我國推進節能降碳、探索綠色低碳發展新路徑指明了方向。為實現該目標，我國就要擺脫長期以化石能源為主的能源模式，大力發展可再生能源及可再生能源和傳統化石能源相互配合補充、均衡開發的新能源格局。

建筑能耗是整個社會能耗的一大部分，中國建筑能耗研究報告（2020）中指出，建筑能耗占全國總能耗的17%～21%，考慮建筑整個生命周期過程，建筑能耗占比將高達46.5%。以往受限于建筑供能單一，用能結構不合理，能源利用率低，能量消耗嚴重。將綠色能源作為能量供給源大量引入建筑用能領域，是實現低碳、零碳建筑的重要途徑。對建筑用能實現多能互補，將傳統能源和清潔能源統一調控，逐步減少傳統能源的使用，增加綠色能源使用的占比，可有效解決建筑能源供給安全及減排問題。

1 綜合能源多能互補在建筑節能中的重要性

綜合能源在建筑領域主要是電能供給，建筑電源可分為兩大類，一類是外部電網供給，另一類建筑側分布式供給；綜合能源是可以接入電網的用戶側發電裝置，主要有小型內燃機組、微型燃氣輪機、小型風力發電、分布式光伏、沼氣發電等。其中，太陽能、風能、生物質能等是綠色清潔能源，具有清潔環保、無污染、能源利用率高、使用維護方便、經濟性好等優勢，可以作為建筑用戶側電源裝置。建筑另一大用能需求是冷、熱供給，其在整個建筑耗能中占比高。建筑冷、熱一般都是二次能源（集中供熱、供冷除外），通常將天然氣或電能作為一次能源，利用制熱、制冷設備將一次能源轉變為冷、熱進行供給利用，滿足建筑熱、電負荷需求。

以冷、熱、電聯供系統為核心的小型能源供給網絡，可通過對建筑供能構成具體分析，實現建筑樓宇能量供給多樣性。在此背景下，本文提出的建筑供能綜合能源利用多能互補，為建筑能源生產、傳輸、供給、使用開辟了新途徑。建筑綜合能源具有模塊化、分散化、互補化的特征，一般都是圍繞建筑用能單元，各獨立供能單元也是一種能源供給、轉化單元，建筑樓宇的電力主要由外部電網、分布式光伏發電，微小型燃氣輪機及小型風力發電提供，不同建筑有各自不同的特點。在建筑能源規劃時，自發電本著優先自用、就近并網、就近轉換的原則，優先使用綠色可再生能源，提高能源利用品質，提高建筑能量綜合利用。構建建筑綜合能源系統首先是建筑電力控制智能化，對電力供、需、網三側采用先進的控制手段和通信技術，有效滿足建筑內各用能單元的需求。

2 綜合能源在建筑設計中的應用

建筑微電網系統是將分布式能源（微型燃機、風能、光伏）等通過發電設備，將其他形式的能源轉化為電能，再通過儲能裝置進行部分儲存，并通過內部電力網線輸送到用能端。因“雙碳”政策的提出，光伏、風電作為微電網重要的能源，其特點隨天氣而變，穩定性、可預測性差，造成以風、光為主的微電網系統的不穩定性。這就需要主電網給微電網提供后備支持，在微電網自身無法滿足用能系統所需時，主電網及微型燃機發電系統給予相應補充，然后利用微電網能量管理及運行控制技術，實現相對孤網、實際并網的運行方式。通過實時控制系統的有效調整，可減小建筑電力供給因分布式電源的不穩定性帶來的問題。主配電網和分布式微電網相互配合，實現兩者信息和能量的交換，隨著微電網內源、荷元素的增多，兩者之間的信息量也越來越大、越來越復雜，在電力系統靈活性、安全性、經濟性方面越來越有優勢。

2.1 分布式光伏單元

光伏發電將太陽能轉化為電能，是太陽能間接利用的主要方式，光伏發電技術核心元件是光伏組件，隨著光伏發電技術的成熟應用，近些年光伏組件產量逐年增高，價格大比例下降，特別在我國提出“雙碳”政策，大力發展綠色可再生能源后，光伏技術在我國得到了高速發展，2021年9月14日，國家能源局正式印發《公布整縣（市、區）屋頂分布式光伏開發試點名單的通知》（國能綜通新能〔2021〕84號），全國共有676個縣（市、區）屋頂分布式光伏開發試點，分布式光伏已進入全面性建設階段。將分布式光伏發電接入微電網，以大電網為依托，進行統一調控、一體化運行，使光伏在整個能源系統中得到最優化利用，提高光伏系統的利用率，為實現國家“雙碳”目標做出貢獻。

2.2 分布式風電單元

風力發電就是將自然界的風能轉化為人們可利用的電能，是清潔能源利用最為直接的方式。由于風能是自然界長期存在的能源，世界很多國家都在進行風力發電研究應用工作。近十年，風電在我國得到了快速發展。風能在綠色可再生能源領域有著很強的競爭力，其在能源戰略、能源供應、能源安全等方面有著重要作用，在節能減排、保護環境方面起著特殊作用。建筑小型風電機組是風能分布式利用的有效方式，雙饋風電機組和直驅永磁風力機組是現在兩種常見風力發電機組。

2.3 微小型燃氣輪機

燃氣輪機是一種重要的發電設備，按功率等級可分為重型燃機、微型燃機。由于建筑用能體量，一般都采用微型燃機進行發電，20～500kW功率等級是微型燃機的主要功率范圍，其主要由進氣室、壓氣機、燃燒室、膨脹機構成。微型燃機作為驅動源帶動發電機發電。其做功發電后產生大量高溫余熱煙氣，將高溫余熱煙氣加以利用，如余熱鍋爐回收、制冷、除濕等，為用戶在提供電能的同時也提供熱能、冷能，這就是微燃機系統（CCHP），其綜合效率可達80%以上。

2.4 燃氣鍋爐

我國“雙碳”政策提出控制燃煤消耗，推進煤改氣工程。相對煤而言天然氣是高效率、低污染、好運輸的清潔能源。因此，燃氣鍋爐在目前和很長一段時期都會得到快速發展。燃氣鍋爐主要由燃燒系統、煙氣系統、壓力控制系統、水溫控制系統組成，通過這些系統的輸出給定功率，通過需求信息調節輸入端的燃氣量、送風量，維持燃氣鍋爐的按需輸出。燃氣鍋爐與微型燃氣輪機冷、熱、電聯產協調運行成，成為將來主要的供熱源。

2.5 地源熱泵

地源熱泵是利用地下淺層、中深層地下土壤、巖石所蘊含的熱能給建筑物提供熱源的技術，地下熱能在未開采前常年保持比較穩定的溫度。地源熱泵就是利用地下溫度高、熱量高、補給穩定的特點，僅需消耗少量高品質能量，就可將地下的熱能提取出來，是一種高效的可再生能源使用技術，可滿足供暖、供生活熱水、供冷等多種供能需求。

3 建筑綜合能源評價

3.1 建筑用能指標架構評價

評價建筑綜合能源設計與調控優化的一個重要因素就是評價指標，合理的評價指標架構使得建筑綜合能源投資更加合理、運行更加高效，可最大限度發揮各種能源在建筑能源供給系統中的相互配合，降低能源綜合利用成本，提升綜合能源的使用能效。

本文選用的建筑綜合能源評價指標元素由三個模型組成，分別是經濟模型、能源模型、環境模型，通過這三個模型的設置，分層構成建筑綜合能源調控的判據。在建筑綜合能源經濟模型中，采用綜合成本法，初始投資建設成本、運行和維護成本以及報廢成本指標說明建筑綜合能源的經濟性水平，評價多種能源耦合條件下的建筑綜合能源經濟效益優化的程度，衡量在綜合能源期望收益下可接受經濟性投入。污染物排放的指標值可以在環境評價模型中反映綠色可再生能源與其他能源協調互補綜合利用的程度，用來評價綠色可再生能源替換式應用及多能協調互補的高效能量利用帶來的環境收益。在能源模型中，能源分級優化利用和綠色可再生能源在總能源利用中的占比可反映能源利用率及環境收益，綜合反映能源結構模型的合理性。

1）經濟模型 成本和收益是經濟模型評估的重要目標，建筑綜合能源也應以此為經濟評價模型的最重要目的。經濟模型通常采用綜合成本法，結合各方面因素綜合考慮建筑綜合能源體系在建設、運行的全生命周期內的經濟收益，將建筑用能系統建設成本、運維成本、升級改造成本、消耗成本納入本模型，模型通過對建筑綜合能源建設與運行所涉及的要素在生命周期內的成本綜合累加計算，以獲取經濟收益的量化指標。

式中，BCEI為經濟評價指標（建筑綜合用能）；CCi、OMi、UCi分別為建筑用能中第i類能量單元的初始系統建設成本、運維成本、升級消耗成本。

初始投資成本通常含各分單元設備采購成本、建設成本、安裝和調試過程中所投入的成本；運行和維護成本包含設備運行耗能購入成本、系統設備日常檢修維護成本。

2）環境模型 建筑綜合能源環境評價主要針對建筑能源在運出、存儲、生產過程中所產生的污染物排放指標和對環境氣候變化所產生的影響指標進行量化。污染物、二氧化碳等通常通過零花折算等價計算方法進行。

式中，BPCE為污染物排放指標（建筑綜合能源）；EVPi為第i種污染物所具有的環境價值；Yj為建筑綜合能源中j類能源能夠年供給的量，kW·h；εj為第j類能源單元年運行平均功率；CEPi，j為第i類能源單元系統中第j種污染物排放；PIEi，j為第i類能源單元單位能源消耗量下的第j種污染物排放。

在環境污染物排放指標計算模型中，通過計算減少的污染物排放等量的經濟價值來衡量環境收益，污染物排放量減少得越多，所帶來的環境指標越高。

3）能源模型 能源評價指標模型的作用是衡量建筑能源結構指標非經濟性等價的重要方法。綠色可再生能源充分接納使用是建筑綜合能源建設、運行的重要目標，綠色可再生能源的可持續性使用收益無法直接量化為經濟性數值，而綠色可再生能源的環境收益又難以在綜合效益中體現。

式中，ERE為建筑能源供給循環利用率；Qt.j為建筑用能中第 j類能源的需求量，kW·h；QRGE.i、QECU.i為建筑綜用能中第i類能源的可再生可綠色能源、能源梯級利用滿足的負荷需求，kW·h；εRGE.i、εEUC.i為第 i類能源可再生綠色能源、能源梯級利用率。

3.2 能源供需配置優化

綜合能源供需配置的多目標優化問題可表述為：為滿足既定建筑區域內用戶供熱負荷、供冷負荷的需求，并將不同用途的能源進行相互匹配，梯級利用，合理優化配置建筑內所有能源單元設備的供給量。

式中，決策變量 e=（e1，e2，…，em），是 m 維向量；目標變量e=（y1，y2，…，ym），是n維向量；對應的fi（e），i=1，2，…，n是目標問題優化的n個函數；yj（e）≤0，j=1，2，…，v是優化問題中的v個約束條件。

4 結語

在我國“雙碳”政策的指引下將綜合能源多能互補引入建筑領域，簡要闡述了建筑綜合能源多能互補的構成，對分布式微電網系統，綜合能源體系中分布式光伏、風力發電、微型燃機等進行了分析，給出建筑綜合能源總體技術路線。按照上述思路，本文對建筑能源系統經濟性指標、環境指標、能源評價指標進行分析，考慮建筑用能系統最初建設成本及后期運維成本，升級改造成本、消耗成本及污染物、二氧化碳排放等因素建立數學模型，并進行能源供給優化配置。綠色可再生能源將是未來建筑供能的重要來源，解決綠色可再生能源在建筑供能領域的消納及安全供能問題，是以后研究的重點方向。