能源基金會-《中國光儲直柔建筑戰(zhàn)略發(fā)展路徑研究》系列報告2-中國光儲直柔建筑未來發(fā)展實施路徑研究

中國光儲直柔建筑戰(zhàn)略發(fā)展路徑研究子課題

2:

中國“光儲直柔”建筑未來發(fā)展實施路徑研究Research

on

China’s

PEDF

BuildingSystem

DevelopmentSub

project

2:

Implementation

Path

ofPEDF

Building

in

China深圳市建筑科學研究院股份有限公司2022

年

6

月

30

日Shenzhen

Institute

of

Building

Research

co.,

LtdJune

30,

2022關于作者郝

斌

深圳市建筑科學研究院股份有限公司直流實驗室主任

李葉茂

深圳市建筑科學研究院股份有限公司高級技術(shù)經(jīng)理陸元元

深圳市建筑科學研究院股份有限公司技術(shù)經(jīng)理李雨桐

深圳市建筑科學研究院股份有限公司直流實驗室副主任ABOUT

THE

AUTHORSHao

Bin Shenzhen

Institute

of

Building

Research

co.,

LtdLi

Yemao Shenzhen

Institute

of

Building

Research

co.,

LtdLu

Yuanyuan

Shenzhen

Institute

of

Building

Research

co.,

LtdLi

Yutong Shenzhen

Institute

of

Building

Research

co.,

Ltd致謝本研究由深圳市建筑科學研究院股份有限公司統(tǒng)籌撰寫，由能源基金會提供資金支持（課題編號:

G-2106-33086）。ACKNOWLEDGEMENTThis

report

is

a

product

of

Shenzhen

Institute

of

Building

Research

co.,

Ltd

and

is

funded

by

Energy

Foundation

China

(Grant

Number:

G-2106-33086).免責聲明- 若無特別聲明，報告中陳述的觀點僅代表作者個人意見，不代表能源基金會的觀點。能源基金會不保證本報告中信息及數(shù)據(jù)的準確性，不對任何人使用本報告引起的后果承擔責任。- 凡提及某些公司、產(chǎn)品及服務時，并不意味著它們已為能源基金會所認可或推薦，或優(yōu)于未提及的其他類似公司、產(chǎn)品及服務。Disclaimer- Unless

otherwise

specified,

the

views

expressed

in

this

report

are

those

ofthe

authors

and

do

not

necessarily

represent

the

views

of

Energy

Foundation

China.

Energy

Foundation

China

does

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guarantee

the

accuracy

of

the

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and

data

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in

this

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related

to

using

this

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party.- The

mention

of

specific

companies,

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and

services

does

not

implythat

they

are

endorsed

or

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by

Energy

Foundation

China

in

preference

to

others

of

a

similar

nature

that

are

not

mentioned.前言本研究是清華大學牽頭的《中國“光儲直柔”建筑發(fā)展戰(zhàn)略路徑研究》的子課

題

2：中國“光儲直柔”建筑未來發(fā)展實施路徑研究（以下簡稱“本課題”）。課題旨

在系統(tǒng)梳理中國建筑規(guī)模，全面分析建筑負荷特性，研判光伏、儲能、直流、柔

性等技術(shù)發(fā)展趨勢與不確定性因素，規(guī)劃發(fā)展“光儲直柔”建筑的技術(shù)路徑。本研究項目受能源基金會資助，由清華大學牽頭，深圳市建筑科學研究院股

份有限公司承擔，并邀請來自清華大學、深圳供電局有限公司等單位的專家學者

共同完成。減少建筑直接碳排放是低碳發(fā)展的前提，建筑電氣化則是其中的重要技術(shù)路

徑。由能源基金會支持的“建筑電氣化及其驅(qū)動的城市能源轉(zhuǎn)型路徑”項目研究指

出，要實現(xiàn)

2℃溫升目標，在建筑節(jié)能的基礎上，建筑電氣化率要從當前的

48%提高到

2050

年的

90%以上，非化石電力在建筑總電量中的比例至少從當前的

29%提高到

2050

年的

90%以上。建筑電氣化率的提高，意味著需要更多的電力，非

化石電力比例的提高在總量上將能夠滿足電氣化率提高所帶來的電力總量增長

的需求。著眼未來電力發(fā)展，我們?nèi)詫⒚媾R總量平衡的問題，同時面臨電力不平衡的

挑戰(zhàn)。未來大規(guī)模的風電、光伏發(fā)電等可再生能源的發(fā)展，將徹底改變當前的發(fā)

電形態(tài)，同時經(jīng)濟發(fā)展和用能習慣的改變，也將改變用能負荷形態(tài)。做到總量平

衡不易，做到實時電力平衡，就需要“源荷互動”、“荷隨源動”等新技術(shù)的應用?！肮鈨χ比帷毙滦湍茉聪到y(tǒng)是建筑實現(xiàn)自身減排、減少間接碳排放的重要技術(shù)，更是與電網(wǎng)互動、解決電力平衡的關鍵技術(shù)。分布式光伏將能夠直接抵消建筑用能，但在城市農(nóng)村、不同建筑對象，發(fā)展策略不同；儲能尚處在技術(shù)快速發(fā)展進

步中，是否利用電動車電池、如何發(fā)展分布式儲能等諸多方向等待明確；低壓直

流建筑應用是當前國際的熱點，其關鍵技術(shù)和應用障礙有待深入研究；柔性技術(shù)

是建筑與電網(wǎng)協(xié)同實現(xiàn)電力平衡的重要橋梁，但也是發(fā)展相對滯后的，面臨技術(shù)

攻關和政策機制的突破。光、儲、直、柔四項主要技術(shù)所處的發(fā)展階段不同，如何客觀認識并做到合i理的預測，如何根據(jù)“3060”目標看待“光儲直柔”技術(shù)的未來，如何從識別障礙到問題解決再到規(guī)?；瘧?，如何理解其與交通和電網(wǎng)的關系，如何量化評估“光儲直柔”技術(shù)對于目標的支撐，如何開展工程實踐以及技術(shù)目標的性能實現(xiàn)等，都得到了行業(yè)廣泛的關注。ii執(zhí)行摘要- 光儲直柔1（PEDF）是新型電力系統(tǒng)的重要組成，是建筑節(jié)能新方向。建筑節(jié)能經(jīng)歷了

30%、50%、65%的“三步走”，建筑本體的性能以及設備系統(tǒng)效率大幅提升，采暖空調(diào)用能占建筑能耗的比例由過去的三分之二逐步降低到三分之一。同時，電器設備用能比例逐步提高。在建筑電氣化的背景下，考慮可再生能源邊際成本的降低，未來建筑負荷靈活性的作用甚至超過能效提高發(fā)揮的作用。未來建筑將融合光伏、儲能、電動車，逐步由用能者轉(zhuǎn)為產(chǎn)消者?！肮鈨χ比帷奔夹g(shù)即是在建筑能效提升基礎上進一步實現(xiàn)電能替代與電網(wǎng)友好交互的新型建筑配電技術(shù)，是建筑節(jié)能的新方向。圖

I

2001-2020

年建筑終端電能占比變化趨勢- 未來電力峰谷將被重新定義，光儲直柔著力解決電力日平衡需求。當前電力系統(tǒng)面臨負荷連年增長的巨大壓力，但尖峰負荷持續(xù)時間并不長。尤其是夏季，建筑空調(diào)負荷作為夏季電力負荷的重要組成，利用建筑空調(diào)負荷的可調(diào)節(jié)性參與需求響應是當前電力領域和建筑領域都共同關注的焦點。隨著高比例可再生能源發(fā)電的接入，未來電網(wǎng)的挑戰(zhàn)是風光電出力與用電負荷的不匹配。當我們同時考慮風電和光伏發(fā)電，未來的峰1 《民用建筑直流配電設計標準》T/CABEE

030-2022

術(shù)語

2.1.1。iii谷將被重新定義。從日平衡角度看，未來電力可能白天是谷晚上是峰，與現(xiàn)在正好顛倒過來?，F(xiàn)在的電力緊張主要是由于用電負荷高峰，而未來的電力緊張還要看風光電出力的大小。用電負荷低但風光電出力更低的情況仍然會出現(xiàn)電力緊張，而用電負荷高但風光電出力更高的情況依然會出現(xiàn)電力盈余。隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，電力供需關系也發(fā)生改變，建筑柔性價值也將發(fā)生改變。建筑柔性（負荷調(diào)節(jié)和電動車）對不同時間尺度的儲能容量需求和累計儲能量起不同程度的替代效果。在替代儲能容量方面，建筑柔性幾乎能解決全部的日調(diào)峰需求，不依賴于電網(wǎng)儲能和調(diào)峰電源，如圖

II

所示。圖

II

建筑柔性解決儲能容量和年累計儲能量的比例- 光儲直柔應遵循城鄉(xiāng)差異化發(fā)展，城市應用重在“柔”且先公建、后住宅，而農(nóng)村應用重在“光”和“光伏+”。在城市地區(qū)，建筑用電負荷高、需求大，發(fā)展以“儲”和“柔”為核心的“光儲直柔”配電系統(tǒng)，發(fā)揮建筑的資源聚合作用，使建筑成為虛擬電廠，主動調(diào)節(jié)建筑負荷，與電動車、電力系統(tǒng)的雙向友好互動，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性，提高可再生能源的消納比例。且在前期由政府辦公建筑帶頭發(fā)展分布式光伏，推動公車電動化和有序充放電模式，鼓勵柔性用電。同時，結(jié)合峰谷價差、電力市場、需求響應等有關政策機制，探索“光儲直柔”的市場化推廣模式，走先公建、后居住的發(fā)展路徑。如圖

V

所示。而在農(nóng)村地區(qū)，建筑屋頂資源豐富，發(fā)iv展以“光”為核心的“光伏+”系統(tǒng)，自發(fā)自用、余電外送，圍繞農(nóng)村建筑屋頂和周邊場地的太陽能資源全面開發(fā)，推動農(nóng)村用能電氣化、農(nóng)業(yè)機具電動化、用電管理有序智能化，建設村級直流配電網(wǎng)和蓄電蓄熱設施，促進光伏發(fā)電的高效利用和充分消納。圖

V

光儲直柔在城市和農(nóng)村的發(fā)展策略- 中國光儲直柔建筑未來發(fā)展實施路徑近期側(cè)重政策與科技研發(fā)，近中期重點在于示范，中遠期則在于柔性價值突破。光儲直柔技術(shù)現(xiàn)階段仍處于發(fā)展初期，其應用及推廣離不開全社會對零碳電力和柔性用電的認知，離不開發(fā)電側(cè)與用電側(cè)的協(xié)同共識，離不開政府部門的帶頭示范，離不開商業(yè)模式與機制的探索與構(gòu)建，更離不開持續(xù)的技術(shù)攻關與設備研發(fā)?？傮w看，近期側(cè)重政策與科技研發(fā)，近中期重點在于示范，中遠期則在于柔性價值突破，如圖

VI

所示。具體推動光儲直柔建筑發(fā)展應從以下六個方面入手：1)

從標準入手，確保太陽能光伏應用；2)

推動充電樁與建筑停車位綁定，成為規(guī)劃審批的重要組成；3)

公共機構(gòu)示范先行，尤其是建筑電動車交互2（BVB）；4)

探索零碳標識認證，解決“帽子”驅(qū)動力；5)

探索建筑電力交互3（GIB）商業(yè)模式，解決“利益”驅(qū)動力；6)

組織技術(shù)與產(chǎn)品裝備的科技攻關，解決

1-100

多元化。2 《民用建筑直流配電設計標準》T/CABEE

030-2022

術(shù)語

2.1.12。3 《民用建筑直流配電設計標準》T/CABEE

030-2022

術(shù)語

2.1.2v圖

VI

光儲直柔實施路徑viExecutive

Summary- PEDF4

is

an

important

component

of

the

new

power

system

and

a

newdirection

for

building

energy

efficiency.The

building

energy

efficiency

has

been

through

a

“three-step

process”

of

30%,

50%,

and

65%,

during

which,

the

performance

of

the

building

envelope

and

the

equipment

efficiency

have

been

greatly

improved.

The

energy

consumption

of

heating

ventilation

and

air

conditioning

(HVAC)

in

the

building

gradually

reduced

from

two-thirds

of

the

total

energy

consumption

to

only

one-third.

Meanwhile,

the

proportion

of

energy

used

by

electrical

appliances

has

gradually

increased.

In

the

context

of

building

electrification,

considering

the

reduction

of

marginal

cost

of

renewable

energy,

the

role

of

future

building

energy

flexibility

will

exceed

that

of

the

energy

efficiency

improvement.

Future

buildings

will

integrate

PV,

energy

storage,

electric

vehicles,

and

gradually

turn

from

energy

consumers

to

prosumers.

Based

on

the

building

energy

efficiency

improvement,

PEDF

is

a

new

building

electricity

distribution

technology

that

will

further

realize

electric

energy

substitution

and

grid-friendly

interaction,

which

is

the

new

direction

of

building

energy

efficiency.Figure

1.

Change

Trend

of

the

Proportion

of

Building

End

Power

from

2001

to

2020- With

re-definition

of

future

power

peaks

and

valleys,

PEDF

focuses

onmeeting

the

daily

balance

demand

of

power.The

current

power

system

is

under

tremendous

pressure

of

increasing

load

growth,

but

the

spike

load

does

not

last

long.

Especially

in

summer,

building

an

air

conditioning

load,

as

an

important

component

of

the

summer

power

load,4 PEDF

is

short

for

photovoltaics,

energy

storage,

direct

current

and

flexibility.viiis

part

of

the

demand

response

with

its

adjustable

nature,

which

is

currently

a

common

focus

of

both

the

power

field

and

the

building

field.

With

a

high

percentage

of

renewable

energy

generation

connected,

the

challenge

for

future

power

grids

is

the

mismatch

between

wind

power

and

PV

output

and

the

power

consumption

load.

When

we

consider

both

wind

power

and

PV

generation,

the

peak

and

valley

of

the

future

will

be

redefined.

From

the

perspective

of

daily

balance,

the

future

power

may

be

a

valley

during

the

day

and

a

peak

at

night,

which

is

exactly

the

reverse

of

today.

The

current

power

tension

is

mainly

due

to

the

peak

power

load,

while

the

future

power

tension

will

also

depend

on

the

size

of

the

wind

power

and

PV

output.

When

the

power

load

is

low

but

the

wind

power

and

PV

output

are

lower,

there

will

still

be

a

power

tension.

When

the

power

load

is

high

but

the

wind

power

and

PV

output

are

higher,

there

will

be

a

power

surplus.

As

the

energy

mix

shifts,

the

relationship

between

power

supply

and

demand

also

changes.

As

shown

in

Figure

2,

building

flexibility

can

solve

almost

all

of

the

daily

peak

shaving

demand,

without

relying

on

grid

storage

and

peak

shaving

power.Figure

2.

The

ratio

of

demand

flexibility

and

its

equivalence

energy

storage

per

year- PEDF

should

follow

the

differentiated

development

of

urban

and

ruralareas.

Its

urban

applications

focus

on

“F”

and

public

construction

before

residence,

while

its

rural

applications

focus

on

“P”

and

“PV+”.In

urban

areas

where

the

power

consumption

of

buildings

features

high

power

load

and

high

demand,

PEDF

power

distribution

systems

with

“energy

storage”

and

“flexibility”

as

the

core

give

play

to

the

resource

aggregation

of

the

building,

so

that

the

building

can

become

a

virtual

power

plant,

actively

adjust

the

building

load,

interact

with

electric

vehicles

and

power

system

in

a

friendly

way,

improve

the

economy

of

the

power

system,

and

increase

the

proportion

of

renewable

energy

consumption.

In

the

early

stage,

government

office

buildings

should

take

the

lead

in

developing

distributed

PV,

promote

theviiielectrification

of

public

vehicles

and

orderly

charging

and

discharging

mode,

and

encourage

flexible

power

consumption.

Meanwhile,

combined

with

the

peak-valley

price

difference,

power

market,

demand

response

and

other

relevant

policy

mechanisms,

it

explores

the

market-oriented

promotion

mode

of

PEDF

and

takes

the

development

path

of

public

construction

before

residence.

As

shown

in

Figure

5,

rural

areas

are

abundant

in

building

rooftop

resources

and

“PV+”

systems

with

PV

as

the

core

should

be

developed.

They

self-generate

and

self-consume

and

deliver

the

surplus

power

out.

Centering

on

the

comprehensive

development

of

solar

power

resources

of

the

building

rooftops

and

surrounding

site

of

rural

areas,

those

areas

promote

the

electrification

of

rural

energy

use,

the

electrification

of

agricultural

machinery,

the

orderly

and

intelligent

management

of

power,

the

construction

of

village-

level

DC

distribution

networks

and

power

storage

and

heat

storage

facilities,

and

promote

the

efficient

use

and

full

consumption

of

PV

power

generation.Figure

5.

Development

Strategies

for

PEDF

in

Urban

and

Rural

Areas- The

future

development

implementation

path

of

China's

PEDF

buildingfocuses

on

policy

and

technology

R&D

in

the

near

term,

demonstrations

in

the

near-to-medium

term

and

the

value

of

demand

flexibility

breakthroughs

in

the

medium-to-long

term.The

PEDF

is

yet

in

the

early

stage

of

development,

and

its

application

and

promotion

cannot

be

separated

from

the

whole

society’s

awareness

of

zero-

carbon

power

and

flexible

power

consumption,

the

consensus

between

the

power

generation

side

and

the

power

consumption

side,

the

leading

demonstrations

of

government

departments,

the

exploration

and

construction

of

business

models

and

mechanisms,

and

the

continuous

technical

R&D

of

equipment.

Generally,

the

focus

is

on

policy

and

technology

R&D

in

the

near

term,

demonstrations

in

the

near-to-medium

term,

and

breakthroughs

in

the

value

of

demand

flexibility

in

the

medium-to-long

term,

as

shown

in

Figure

6.

The

specific

promotion

of

PEDF

building

development

should

start

with

the

following

six

aspects:ixa)

Start

with

standards

to

ensure

solar

PV

applications;b)

Promote

charging

piles

tied

to

building

parking

as

a

key

componentof

planning

approval;c)

Pilot

in

public

institutions,

especially

BVB5

technology;d)

Explore

zero

carbon

labeling

certification

to

address

the

“hat”

driver;e)

Explore

the

business

model

of

grid-interactive

building

(GIB)

to

solvethe

“interest”

driver;f) Organize

technology

and

product

equipment

scientific

andtechnological

research

to

solve

the

1-100

diversity.Figure

6.

PEDF

Implementation

Path5

BVB

is

short

for

the

charge-discharge

coupling

technology

from

building

to

vehicle

and

vehicle

to

building.x目

錄前言

...............................................................................................................................i執(zhí)行摘要

.....................................................................................................................

iiiExecutive

Summary

...................................................................................................vii1

項目背景

...................................................................................................................11.1

雙碳目標下能源綠色低碳轉(zhuǎn)型新要求..........................................................11.2

建筑節(jié)能與電氣化發(fā)展新趨勢......................................................................21.3

高比例可再生能源電力快速發(fā)展..................................................................31.4

新型電力系統(tǒng)對建筑柔性負荷的需求..........................................................51.5

建筑領域碳中和路徑......................................................................................72

中國建筑規(guī)模與負荷特征

.......................................................................................92.1

中國建筑規(guī)模..................................................................................................92.2

建筑負荷特征................................................................................................

112.3

小結(jié)................................................................................................................153

光儲直柔技術(shù)趨勢

.................................................................................................173.1

建筑光伏........................................................................................................173.2

建筑儲能........................................................................................................243.3

直流配電........................................................................................................313.4

用電柔性........................................................................................................353.5

小結(jié)................................................................................................................424

光儲直柔建筑零碳用電模型

.................................................................................444.1

模型介紹........................................................................................................444.2

電網(wǎng)調(diào)峰儲能量............................................................................................444.3

光儲直柔建筑調(diào)峰模型................................................................................464.4

情景設置........................................................................................................524.5

結(jié)果分析........................................................................................................554.6

不確定性因素................................................................................................625

光儲直柔目標、策略與實施路徑

.........................................................................66xi5.1

目標與策略....................................................................................................665.2

實施路徑........................................................................................................69參考文獻

.....................................................................................................................73xii1

項目背景1.1

雙碳目標下能源綠色低碳轉(zhuǎn)型新要求自

2020

年

9

月中國在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出將采取有力的政策和措施，于

2030

年前達到碳達峰，并力爭于

2060

年前實現(xiàn)碳中和的國家目標（簡稱“雙碳目標”），政策密集出臺深化布局綠色低碳產(chǎn)業(yè)，促使能源結(jié)構(gòu)逐步由高碳向低碳甚至無碳轉(zhuǎn)變，相關政策如圖

1-1

所示。圖

1-1 落實雙碳目標相關政策2021

年

10

月

24

日，中共中央

國務院發(fā)布《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》[1]（以下簡稱《意見》），作為碳達峰碳中和“1+N”政策體系中首份綱領性文件，明確了我國實現(xiàn)碳達峰碳中和的時間表、路線圖，是“1+N”中的“1”，為碳達峰碳中和進行了系統(tǒng)謀劃和總體部署，也是中國碳達峰碳中和的頂層設計?！兑庖姟访鞔_提出：以能源綠色低碳發(fā)展為關鍵，加快形成節(jié)約資源和保護環(huán)境的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生活方式、空間格局，堅定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路，確保如期實現(xiàn)碳達峰、碳中和。新時期電氣化發(fā)展是推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要途徑。作為“N”中為首的政策文件，《2030

年前碳達峰行動方案》（國發(fā)〔2021〕23

號）[2]中明確提出：提高建筑終端電氣化水平，建設集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑。到

2025

年，城鎮(zhèn)建筑可再生能源替代率達到

8%，新建公共機構(gòu)建筑、新建廠房屋頂光伏覆蓋率力爭達到50%?？稍偕茉吹碾S機性、波動性將對城市電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行帶來極大的挑戰(zhàn)，制約可再生能源大規(guī)模的應用。建筑中采用“光儲直柔”技術(shù)不僅是解決分1布式光伏接入和消納問題的重要技術(shù)手段，而且是面向新型電力系統(tǒng)實現(xiàn)“荷隨源動”的重要技術(shù)支撐，對于零碳建筑和零碳電力的實現(xiàn)具有重要作用。2022

年

3

月住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《關于印發(fā)“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃的通知》（建標〔2022〕24

號）[3]，提出建筑用能電力替代行動、新型建筑電力系統(tǒng)建設兩項建筑電氣化重點工程。其中，建筑用能電力替代行動以減少建筑溫室氣體直接排放為目標，擴大建筑終端用能清潔電力替代，積極推動以電代氣、以電代油，推進炊事、生活熱水與采暖等建筑用能電氣化，推廣高能效建筑用電設備、產(chǎn)品。到

2025

年，建筑用能中電力消費比例超過

55%；新型建筑電力系統(tǒng)以“光儲直柔”為主要特征，可以實現(xiàn)用電需求靈活可調(diào)，適應光伏發(fā)電大比例接入，使建筑供配電系統(tǒng)簡單化、高效化?！笆奈濉逼陂g積極開展新型建筑電力系統(tǒng)建設試點，逐步完善相關政策、技術(shù)、標準，以及產(chǎn)業(yè)生態(tài)。1.2

建筑節(jié)能與電氣化發(fā)展新趨勢建筑節(jié)能經(jīng)歷了

30%、50%、65%的三步走，從居住建筑延伸到公共建筑，從嚴寒寒冷地區(qū)拓展到夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)，從設計、施工到運行，建筑本體的性能以及設備系統(tǒng)效率大幅提升，采暖空調(diào)占建筑能耗的比例由過去的三分之二逐步降低到三分之一。與此同時，隨著生活水平和智能化水平的提高，電器設備用能比例逐步提高。在建筑電氣化的背景下，未來是繼續(xù)把錢花在建筑本體的能效提升還是兼顧建筑用能的靈活性上，這是值得深入研究的。美國能源部2021

年

5

月公布的《與電網(wǎng)互動的建筑國家發(fā)展路線圖》（A

National

Road

map

for

Grid-Interactive

Efficient

Buildings）[4]認為，考慮可再生能源邊際成本的降低，未來建筑負荷靈活性的作用甚至超過能效提高發(fā)揮的作用?！肮鈨χ比帷奔夹g(shù)是在建筑能效提升基礎上進一步實現(xiàn)電能替代與電網(wǎng)友好交互的新型建筑配電技術(shù)。從

2010~2020

年，我國建筑能耗總量中電力消耗量大幅增長。2020

年全國建筑運行總用電量

20000

億

kWh[5]，占全社會用電量的

26.6%。根據(jù)電力平衡表，建筑用電量在全社會用電量中的比重從

2001

年至

2020

年提升了

6.6%，如圖

1-2所示。2圖

1-2 建筑用電量占全社會用電量的比重而建筑電氣化率，即建筑用電量在建筑終端能源消費中的比重也快速提升。在

2001

年到

2020

年間，如圖

1-3

所示，建筑電氣化率從

19%提升到

58.3%，未來還將提升到

85%以上，潛在的建筑負荷調(diào)節(jié)能力足以解決高比例可再生能源接入所帶來的波動性難題。未來高比例的可再生能源將成為電力供應的主力，由此帶來的突出矛盾是可再生能源的發(fā)電功率與終端用戶用電功率的不同步。按照當前規(guī)劃的“風光”比例，未來電力緊張的時候，從每天的分布看大概率出現(xiàn)在前半夜，從季節(jié)的分布看，大概率出現(xiàn)在冬季，也就是說電力的峰谷將被重新定義。圖

1-3 建筑電氣化率（注：按發(fā)電煤耗法計算）1.3

高比例可再生能源電力快速發(fā)展32021

年

3

月

15

日，中央財經(jīng)委員會第九次會議上提出“要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。雖然這是國家層面首次明確新能源在未來電力系統(tǒng)當中的主體地位，強調(diào)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，但早在

2015

年中共中央國務院發(fā)布《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發(fā)〔2015〕9

號），即已開啟了深化電力體制改革的進程。過去的傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)急需提高對高比例新能源的消納能力，增強分布式能源的就地消納，加強對尖峰用電的大數(shù)據(jù)預測預警及調(diào)配，提高對各類用戶多樣化、多元化用電需求以及極端天氣急促變化的適應性、兼容性和靈活性。2021

年全國可再生能源裝機規(guī)模突破

10

億

kW，風電、光伏發(fā)電裝機均突破

3

億

kW，海上風電裝機躍居世界第一。全國發(fā)電量及發(fā)電裝機容量組成如圖1-4

所示，截至

2021

年底，我國可再生能源發(fā)電量占比

27.7%，發(fā)電裝機容量占比

43.1%。以風電、光伏發(fā)電為主的可再生能源，已經(jīng)成為全國僅次于煤電的第二大電源。未來隨著新型電力系統(tǒng)的加速構(gòu)建，高比例可再生能源電力系統(tǒng)需要更強的調(diào)節(jié)能力，而現(xiàn)階段電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足已成為制約新能源消納的重要因素。同時，在新型電力系統(tǒng)中，建筑將從單純的電力消費者轉(zhuǎn)變?yōu)榧娏ιa(chǎn)、消費、調(diào)蓄“三位一體”的綜合體，用電行為也將從剛性向參與電力輔助調(diào)節(jié)、成為柔性負載轉(zhuǎn)變。圖

1-4

中國發(fā)電量及發(fā)電裝機容量組成（2021

年）（數(shù)據(jù)來源：國家能源局）4此外，通過光伏+電動車雙向充電樁，在光伏發(fā)電富余的時候向電動車充電、光伏不出力且市政電網(wǎng)供電緊張時由電動車向建筑放電，這一模式在清華大學建筑節(jié)能樓、深圳建科院未來大廈等開展了大量的雙向充放電實驗，已經(jīng)實踐驗證了可行性。即建筑-電動車-建筑（BVB）技術(shù)，實現(xiàn)了建筑用能和交通用能的耦合，電動車只會向建筑反向送電，建筑不會向電網(wǎng)反向送電，從而在根本上解決V2G

的重要瓶頸。如此不僅解決了電動車有序充電問題，也能夠?qū)﹄娋W(wǎng)起到重要的支撐作用。2020

年

10

月，國務院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，提出到

2035

年，純電動車成為新銷售車輛的主流，公共領域用車全面電動化。我國電動車每年的產(chǎn)銷量已達百萬輛規(guī)模以上，電動車實現(xiàn)雙向充放電對電網(wǎng)運行將起到巨大的調(diào)節(jié)作用，然而電動車-電網(wǎng)（V2G）技術(shù)由于大量并網(wǎng)點的存在將給電網(wǎng)運行帶來巨大的挑戰(zhàn)?！肮鈨χ比帷苯ㄖ词窃诳沙掷m(xù)發(fā)展層面，通過建筑電力交互技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)、建筑、光伏、儲能四者動態(tài)平衡，實現(xiàn)終端用能電氣化、電力供應低碳化、能源利用高效化，推動城市能源生產(chǎn)與消費變革，支撐實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標。1.4

新型電力系統(tǒng)對建筑柔性負荷的需求如圖

1-5

和圖

1-6

所示為南方某城市

2019

年全社會用電負荷曲線，可以看出其

95%以上的電力尖峰負荷持續(xù)很短，不過

30

余小時。短時尖峰負荷供應短缺是當前我國電力供應安全面臨的主要難題，但這并非是電力裝機不足導致的，其根源是我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性問題，即基礎電源過多、而尖峰資源不足。5圖

1-5 南方某城市電網(wǎng)年持續(xù)負荷曲線（小時為橫坐標）圖

1-6 尖峰負荷延時曲線新型電力系統(tǒng)的特點主要有：新能源發(fā)電占比顯著增加，源、網(wǎng)、荷高度電力電子化，電網(wǎng)輸配電成本上升等。由此帶來的電網(wǎng)電力平衡困難、系統(tǒng)安全穩(wěn)定難度增加、調(diào)節(jié)成本增加等挑戰(zhàn)，需要大力挖掘靈活資源與電網(wǎng)的交互能力。此時加強調(diào)峰能力建設，提升系統(tǒng)靈活性是解決新能源發(fā)展問題，提高新能源開發(fā)和利用效益的關鍵。歐美很多發(fā)達國家的能源轉(zhuǎn)型都是以約

30%的靈活電源作為基礎支撐，目前我國靈活性電源的比例仍舊過低?！秶野l(fā)展改革委

國家能源局關于推進電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補發(fā)展的指導意見》（發(fā)改能源規(guī)[2021]280

號）提出“通過優(yōu)化整合本地電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)資源，以先進技術(shù)突破和體制機制創(chuàng)新為支撐，探索構(gòu)建源網(wǎng)荷儲高度融合的新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑。充分發(fā)揮負荷側(cè)的調(diào)節(jié)能力?！边@對于負荷側(cè)的建筑來說，當通過優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)、提高建筑終端電氣化水平而提升可調(diào)6節(jié)用電負荷的靈活性時，未來還能夠通過“光儲直柔”建筑、虛擬電廠等形式聚合的可調(diào)節(jié)負荷參與電力輔助服務，成為建筑領域碳達峰行動的必然選擇。1.5

建筑領域碳中和路徑根據(jù)《中國建筑能耗研究報告（2020）》指出，全國建筑全過程碳排放總量占全國碳排放總量比重超半數(shù)，其中建筑材料（鋼鐵、水泥、鋁材等）占比

28%；運行階段（城鎮(zhèn)居建、公共建筑、農(nóng)村建筑）占比

22%，施工階段占比

1%。對于運行階段，如圖

1-7，減少建筑直接碳排放是低碳發(fā)展的前提，建筑電氣化則是其中的重要技術(shù)路徑；而“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)是建筑實現(xiàn)自身減排、減少間接碳排放的重要技術(shù)，更是與電網(wǎng)互動、解決電力平衡的關鍵技術(shù)。圖

1-7 建筑運行階段低碳減排發(fā)展路徑然而，當前電力系統(tǒng)面臨負荷連年增長的巨大壓力，但尖峰負荷持續(xù)時間并不長。尤其是夏季，建筑空調(diào)負荷作為夏季電力負荷的重要組成，利用建筑空調(diào)負荷的可調(diào)節(jié)性參與需求響應是當前電力領域和建筑領域都共同關注的焦點，上海、浙江、廣東都有開展建筑負荷需求響應的試點示范。隨著高比例可再生能源發(fā)電的接入，未來電網(wǎng)的挑戰(zhàn)是風光電出力與用電負荷的不匹配。建筑節(jié)能需要更多地考慮如何更好地適應供給側(cè)可再生能源波動，在城市尺度實現(xiàn)能源的安全可靠供應。實踐表明，采用光儲直柔技術(shù)的建筑，在滿足終端用戶舒適要求的前提下能夠按照高比例風光出力規(guī)律用電，如圖

1-8

所示。7圖

1-8 建筑在“雙碳”目標下的技術(shù)路線圖由此，建筑部門未來的低碳轉(zhuǎn)型途徑為：①推動建筑用能的全面電氣化，大力發(fā)展“光儲直柔”的新型建筑配電系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑部門的柔性用電；②在農(nóng)村建立以屋頂光伏為基礎的新型能源系統(tǒng)，全面實現(xiàn)農(nóng)村用能電氣化。充分開發(fā)農(nóng)村生物質(zhì)，實現(xiàn)生物質(zhì)能源的商品化，成為全社會主要的零碳燃料供應；③引導鼓勵中國居民堅持綠色節(jié)約的傳統(tǒng)建筑使用模式；④建筑與電網(wǎng)協(xié)同，增加可再生能源供給、降低綜合成本。站在全社會實現(xiàn)碳中和視角看，建筑零碳化將與電力零碳化攜手同步實現(xiàn)。82

中國建筑規(guī)模與負荷特征2.1

中國建筑規(guī)模2.1.1

總建筑面積隨著新型城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)融合發(fā)展工作推進，截至

2021

年末我國常住人口城鎮(zhèn)化率達到

64.72%，較

2010

年提高了

14.77

個百分點，見圖

2-1?？焖俪擎?zhèn)化帶動建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，我國建筑業(yè)規(guī)模不斷擴大，城鄉(xiāng)建筑面積大幅增加。2020年我國建筑面積總量約

660

億

m2，其中：城鎮(zhèn)住宅建筑面積為

292

億

m2，農(nóng)村住宅建筑面積

227

億

m2，公共建筑面積

140

億

m2，如圖

2-2

所示。城鎮(zhèn)化率（%）100%80%60%40%20%0%2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021圖

2-1 中國常住人口城鎮(zhèn)化率（2010-2021

年）圖

2-2

中國總建筑面積增長趨勢（2001-2020

年）[5]目前公共建筑中，辦公建筑和商場建筑為主要類型，分別占比

34%和

23%；其次為學校建筑，占比

16%；醫(yī)院和酒店建筑占比較小，分別為

5%和

4%。92.1.2

人均建筑面積2020

年我國建筑人均建筑面積為

36.8m2/人，其中城鎮(zhèn)人均住宅面積為32.4m2/人，農(nóng)村人均住宅面積為

44.6

m2/人。對比我國與世界其他國家及地區(qū)的人均建筑面積水平，可以發(fā)現(xiàn)我國的人均住宅面積已經(jīng)接近發(fā)達國家水平。70

60

50

40

30

20

100美國英國德國法國芬蘭日本中國（內(nèi)地）韓國中國（香港）圖

2-3 人均住宅建筑面積但人均公共建筑面積與一些發(fā)達國家相比還相對處在低位，僅

9.9

m2/人。美國、荷蘭、丹麥、芬蘭、德國、加拿大幾個國家的人均建筑面積最大，約大于

20m2/人，瑞士、新西蘭、瑞典幾個國家的人均公共建筑面積處于第二梯隊，約為15~20m2/人；日本、法國、英國、西班牙的人均公共建筑面積與我國水平相當，處于

5~15m2/人。目前我國的辦公類和商場類公共建筑人均面積已基本達到發(fā)達國家水平，數(shù)據(jù)與法國、西班牙、英國等國家處于同一量級。酒店類建筑的人均面積仍顯著低于發(fā)達國家水平，約為美國的五分之一。學校類、醫(yī)院類公共建筑人均面積與部分發(fā)到國家的水平接近，但與國際上人均面積最大的國家仍有

4~5倍的差距，學校教育建筑和醫(yī)療衛(wèi)生建筑將是今后公共建筑發(fā)展的重點。10人均住宅面積（m2/人）30

25

20

15

1050美國荷蘭*丹麥*芬蘭德國加拿大*瑞士新西蘭瑞典*日本發(fā)過英國中國

*

*西班牙圖

2-4

各國人均公共建筑面積（2019）[5]（注：圖中*為

2018

年數(shù)據(jù)，**為

2020

年數(shù)據(jù)）2.2

建筑負荷特征從建筑面積上來看，城鎮(zhèn)住宅和農(nóng)村住宅的面積最大，占建筑面積總量的78.6%，公共建筑面積僅占建筑面積總量的五分之一。但從建筑用電量來看，2020年中國建筑運行用電量

20000

億

kWh[5]，其中公共建筑用電量最大，占建筑用電總量的

50%，城鎮(zhèn)住宅和農(nóng)村住宅用電量分別占建筑用電總量的

28.5%和

17.2%。本節(jié)將從城鎮(zhèn)住宅、公共建筑兩個方面分別介紹建筑負荷特征。2.2.1

住宅建筑從用能分項來看，炊事、家電和照明是中國城鎮(zhèn)住宅除北方集中供暖外耗能比例最大的三個分項，如圖

2-5

所示，其中家電和照明是城鎮(zhèn)住宅中電氣化率最高的用能分項。生活熱水、炊事還有一部分采用非電能源供應，隨著生活熱水電能替代、炊事電能替代等技術(shù)的推廣應用，住宅中非電能源供應占比將逐漸下降。而其他家電設備如空調(diào)、照明、多媒體、洗衣機等本身就使用電能，它們的數(shù)量增長和使用強度增加促進了建筑電氣化率的提升。11人均公共建筑面積（m2/人）圖

2-5

中國城鎮(zhèn)住宅總用電量[6]從不同季節(jié)典型工作日來看，如圖

2-6

所示，住宅建筑用電負荷率為25%~80%，夏季和冬季典型工作日用電負荷高峰均出現(xiàn)在夜晚，夏季午間則出現(xiàn)另一個用電小高峰，以空調(diào)、風扇等制冷用電電器為主。圖

2-6 夏季（左）和冬季（右）典型工作日負荷示意圖從全年用電負荷來看，南方地區(qū)住宅建筑單位面積逐時用電負荷呈現(xiàn)夏季和冬季“雙高峰”特征，如圖

2-7

所示。這是由于我國大部分地區(qū)夏季均有制冷需求，且夏季空調(diào)季時單位面積用電負荷最高為過渡季時單位面積用電負荷的

5~6

倍；而冬季高峰主要為夏熱冬冷地區(qū)、部分夏熱冬暖地區(qū)冬季采暖用電。而北方地區(qū)由于集中供暖不存在冬季用電高峰，居住建筑單位面積用電負荷主要以夏季用電高峰為主。如圖

2-8

所示為北京某高校宿舍全年逐時用電負荷示意圖，即使高校有寒暑假用電低谷，仍可從圖中看出明顯的夏季高峰特征。12圖

2-7 南方地區(qū)住宅建筑全年單位面積逐時負荷示意圖圖

2-8 北方地區(qū)居住建筑全年單位面積逐時負荷示意圖[7]2.2.2

公共建筑不同類型公共建筑夏季和冬季典型日負荷示意如圖2-9

所示，以商業(yè)辦公建、賓館飯店、大型超市等建筑為例，夏季用電負荷均高于冬季用電負荷。其中商業(yè)辦公建筑工作日負荷高于休息日負荷，賓館飯店和大型超市建筑在相同季節(jié)的工作日和休息日用電負荷差異不大，且休息日用電負荷略高于工作日，這與建筑功能及運行時間相關。從用電負荷峰谷比來看，商業(yè)辦公、大型超市建筑用電負荷峰值最高為谷值的

5

倍左右，賓館飯店建筑用電負荷峰值與谷值比為

2

倍左右。13夏季工作日 夏季休息日 冬季工作日 冬季休息日圖

2-9 不同類型公建夏季和冬季典型日負荷示意圖從全年用電負荷來看，公共建筑單位面積逐時用電負荷呈現(xiàn)夏季高峰特征，如圖

2-10

所示。這是由于我國大部分地區(qū)夏季均有制冷需求，且夏季空調(diào)季時

單位面積用電負荷最高為過渡季時單位面積用電負荷的

2

倍左右。圖

2-10 公共建筑全年單位面積用電負荷示意圖我國公共建筑中以辦公建筑和商場建筑為主要類型，占比分別分

34%和

23%。以辦公建筑為例，從不同氣候區(qū)來看夏季、冬季典型工作日單位面積用電負荷示意如圖

2-11

和圖

2-12

所示。以北京、上海、深圳分別代表寒冷地區(qū)、夏熱冬冷14地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)，夏季辦公建筑典型工作日單位面積用電負荷峰谷比均為

5倍左右，其中上海和深圳在

10:00~13:00

和

19:00~23:00

時段用電負荷高于北京；而三個代表城市的冬季典型工作日單位面積用電負荷規(guī)律基本一致，但由于北京和上海冬季有采暖需求，分別為市政熱力+空調(diào)系統(tǒng)和地源熱泵+空調(diào)系統(tǒng)的形式，工作時間段的用電負荷均高于深圳地區(qū)，且用電負荷提升較深圳更早。圖

2-11 辦公建筑夏季典型工作日單位面積用電負荷示意圖圖

2-12 辦公建筑冬季典型工作日單位面積用電負荷示意圖2.3

小結(jié)從建筑規(guī)?？?，2020

年我國建筑面積總量約

660

億

m2，未來隨著新型城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)融合發(fā)展工作推進，居民對更多建筑和建筑面積的需求也將持續(xù)增長。從負荷特征看，對于住宅建筑，用電分項中占比前三的分別為家電、照明、15空調(diào)，且夏季和冬季典型工作日用電負荷高峰均出現(xiàn)在夜晚，夏季午間則出現(xiàn)另一個用電小高峰，以空調(diào)、風扇等制冷用電電器為主。同時，住宅建筑單位面積逐時用電負荷呈現(xiàn)夏季和冬季“雙高峰”特征。對于公共建筑，不同類型公共建筑用電負荷與建筑功能及運行時間相關。對比住宅建筑來看，我國公共建筑單位面積用電負荷高于住宅建筑，且呈現(xiàn)夏季高峰特征。此外，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)等不同氣候區(qū)的辦公建筑夏季典型工作日單位面積用電負荷峰谷比差異不大，均為

5

倍左右，而冬季典型工作日單位面積用電負荷規(guī)律和大小也基本一致。163

光儲直柔技術(shù)趨勢“光儲直柔”建筑集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體，是配置建筑光伏和建筑儲能，采用直流配電系統(tǒng)，且用電設備具備功率主動響應功能的新型建筑能源系統(tǒng)。本章將從建筑光伏、建筑儲能、直流配電、柔性用電等四個方面介紹光儲直柔技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢。3.1

建筑光伏3.1.1

應用現(xiàn)狀據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2021

年光伏新增并網(wǎng)裝機約

5300

萬

kW，其中分布式光伏約

2900

萬

kW，占當年新增光伏發(fā)電裝機比例首次突破

50%（轉(zhuǎn)折點），如圖

3-1

所示。而戶用光伏新增裝機容量約為

2160

萬

kW，占分布式光伏裝機容量的

74%（分布式主戰(zhàn)場在農(nóng)村），如圖

3-2

所示。圖

3-1 不同系統(tǒng)形式光伏新增并網(wǎng)裝機容量17圖

3-2 2016~2021

年分布式光伏新增裝機容量構(gòu)成3.1.2

建筑光伏應用形式光伏組件與建筑有多種結(jié)合方式，如光伏屋頂、光伏立面和光伏構(gòu)件等，如圖

3-3。但是不論哪種形式都必須考慮不同立面朝向、立面傾角、日照時間、太陽輻射量等根本性影響因素。圖

3-3 光伏組件與建筑結(jié)合的方式建筑屋頂用于光伏發(fā)電的優(yōu)勢尤為明顯。首先，屋頂是建筑外表面中接受太陽輻射最多的地方。其次，屋頂是建筑外表面中閑置面積最大、最完整的地方。再次，屋頂安裝光伏系統(tǒng)不影響建筑美觀。最后，光伏屋頂技術(shù)成熟，安裝維修方便。采用建筑屋頂光伏系統(tǒng)，不僅可以產(chǎn)生大