2023城市建筑光储直柔系统构建模式与工程示范研究报告

ResearchontheStrategicPathofPEDFBuildingsinChina(PhaseII) 子课题2：城市建筑光储直柔系统构建模式与工程示范 Task2: PEDF Building System ConstructionMode and Engineering Demonstration inUrban Area 深圳市建筑科学研究院股份有限公司 2023年12月15⽇ 致谢 本研究由深圳市建筑科学研究院股份有限公司统筹撰写，由能源基金会提供资金支持。 ACKNOWLEDGEMENT This report is a product ofShenzhen Institute of Building Research Co., Ltdandisfunded by Energy Foundation China. 免责声明 -若无特别声明，报告中陈述的观点仅代表作者个人意见，不代表能源基金会的观点。能源基金会不保证本报告中信息及数据的准确性，不对任何人使用本报告引起的后果承担责任。 -凡提及某些公司、产品及服务时，并不意味着它们已为能源基金会所认可或推荐，或优于未提及的其他类似公司、产品及服务。 Disclaimer -Unless otherwise specified, the views expressed in this report are those oftheauthors and do not necessarily represent the views of EnergyFoundationChina.Energy Foundation China does not guarantee theaccuracy of the information and data included in this report and will not beresponsible for any liabilitiesresultingfrom or related to using this reportby any third party. -The mention of specific companies, products and services does not implythat they are endorsed or recommended by Energy Foundation China inpreference to others of a similar nature that are not mentioned. 执行摘要 一、背景与总体进展 城市建筑逐步成为能源的消费主体。根据清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展研究报告2022》显示，2020年全国建筑运行能耗总量为10.6亿tce，占全国能源消费总量比重为21%。2020年全国建筑运行碳排放总量为21.8亿tCO₂，其中直接碳排放占比27%，电力相关间接碳排放占比52%。随着经济结构调整，上述比例未来还会进一步提高。 《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确到2060年我国非化石能源消费比重达到80%以上。同时，《2030年前碳达峰行动方案》明确提出要提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑。《城乡建设领域碳达峰实施方案》也明确提出推动智能微电网、“光储直柔”、蓄冷蓄热、负荷灵活调节、虚拟电厂等技术应用，优先消纳可再生能源电力，主动参与电力需求侧响应。光储直柔既是建筑实现建筑自身减排、减少间接碳排放的重要技术，更是与电网互动、解决电力平衡的关键技术。 《中国光储直柔建筑战略发展路径研究》一期成果表明：目前以煤电为主的电力系统和未来以风光电为主的电力系统，均可通过光储直柔技术提供柔性负载解决灵活电源严重不足的问题，且光储直柔将着力解决电力日平衡需求。 因此，本项目拟开展城市建筑光储直柔以“柔”为主，从系统构建方法和示范工程应用推广两个方面开展研究工作，具体包括城市建筑光储直柔技术方案、光储直柔工程方案咨询和工程案例集编制 等三项具体活动。项目执行周期为2022年8月至2023年9月。按照任务书约定，项目已完成城市建筑光储直柔技术方案、完成光储直柔工程方案咨询6项，并完成光储直柔案例集的编制和出版。本项目得到了能源基金会和多位行业专家的支持，执行进展顺利，完成任务书约定的工作计划。 二、城市建筑光储直柔技术方案 项目组以形成“只进不出”的城市光储直柔技术方案为目标，首先以城市片区（配电台区）为研究对象，分析了不同片区建筑规划条件下，区域分布式屋顶光伏的安装、利用潜力，明确了城市高密度的城市形态下，区域屋顶光伏的安装容量上限和本地消纳能力；其次分析了配电台区负荷形态对配电台区一次能源利用效率和配电线路损耗的影响，再次针对某城市规划片区进行了案例分析，确定区域光伏安装容量和本地自消纳能力，确定了区域配电系统架构和需要配置储能进行光伏消纳的重点项目。通过上述研究，明确了城市区域条件下“只进不出”光储直柔技术方案的光伏消纳目标，并结合实际工程项目规划和设计对区域“光储直柔”系统应用进行方案规划，形成经济合理的光储直柔配置方案。 2.1城市区域光伏安装潜力评估 高密度城市形态下屋顶光伏安装容量受到建筑相互遮挡关系的影响。整体而言，区域开发强度越大，建筑之间的遮挡情况越严重，即建筑容积率和建筑密度越大，屋顶可利用布置太阳能光伏的面积越小。在不同太阳能资源区域内受遮挡影响的程度不同，在全年太阳能总辐射量较大的I类区域内，光伏经济利用比例受遮挡的影响较小，只在容积率大于2.5和建筑密度大于35%的情况下会有轻微的影响。对于全年太阳能总辐射量较小的III、IV类区域，遮挡的影响非 常显著。同时，也发现在相同太阳能资源区内，屋顶光伏经济利用比例𝜗!与太阳高度角呈正相关，即太阳高度角越大，屋顶光伏经济利用比例𝜗!越高。 2.2城市区域光伏消纳能力分析 本项目以深圳市为例，采用深圳市典型建筑模型，通过改变规划设计参数得到不同城市区域的规划方案，并对其全年运行进行模拟，计算不同城市规划方案的光伏自给率与自用率，比较分析城市形态对可再生能源可利用潜力的影响。整体来看，高开发强度的区域太阳能光伏发电量能够得到充分的利用，而低开发强度的区域通常会由于区域建筑用电负荷同光伏发电曲线的不匹配导致弃电现象或向电网大量返送电力。其中商业型区域的自用率可高达98%，说明从充分利用光伏发电的角度来看，商业建筑具有明显的优势。其次是居住建筑，居住建筑白天负荷较为均匀，并不存在白天大量浪费光伏发电的情形，因此自用率较高。相比其他类型区域，办公型区域的光伏自用率只有86%。办公类型的建筑虽然在天的时间尺度上用电负荷同光伏发电曲线匹配较好，但在周末和节假日时间办公类型的建筑用电负荷小，因此从全年的角度来看，办公建筑为主的区域 会出现明显光伏弃电现象。 2.3城市区域光储直柔配置案例 本研究以深圳市某片区面积约1.9平方公里为研究对象，区域建筑面积约337万㎡，其中北区总建筑面积约41万㎡，包含国际会议区及其高端配套酒店、园林会议区和精品会议楼，南区总建筑面积约296万㎡，布局高层办公、特色商业、酒店、文化、居住及配套设施。 本研究首先对区域能耗量和负荷时空分布情况进行了情景分析。根据各类建筑用电负荷情况测算得到区域总体用电量为37432万kWh，北区占区域总用电量13%；中区占区域总用电量87%，负荷呈现北低南高的态势。北区建筑以会展类建筑负荷为主，全年波动性较大。整体从需求侧角度评估，在包括充电桩负荷影响下，该片区尖峰负荷特征明显，20%尖峰负荷运行时间＜100h，全年时间占比约1.1%，有较大的削峰潜力和储能应用潜力。 在建筑光伏安装利用潜力方面，依据规划情景，综合考虑经济性、 片区低碳规划要求，可实现片区可再生能源利用率5.6%。整体来看，区域光伏安装容量占区域建筑能耗比例较小，光伏发电都可在本地消纳。但区域内会展类型建筑，由于屋顶光伏安装容量大，使用不规律，因此在非空调季节会有现状的光伏余电。 通过对区域负荷和光伏发电的规律的分析，根据每个规划单元或地块的建筑负荷特征、光伏资源条件、建筑功能特点，综合考虑电化学储能的规划布局，提出了交直流混合的区域新型配电系统方案。方案根据削峰填谷、容量管理、需求响应、备用电源、光伏消纳等不同的应用目的，规划了各规划单元或地块的用户侧储能形式和容量配置。根据深圳市分时电价政策，在目前不同储能系统成本条件下，静态回收期约为7.4年，后继结合用户侧储能峰谷套利与容量管理，随着电力辅助服务市场的逐步成熟，需求响应次数的增加，系统的静态回收期将大幅度缩减。 三、光储直柔示范工程方案咨询 本项目依托中国建筑节能协会光储直柔专委会组建了行业专家库。基于光储直柔工程应用案例调研，开展了6项工程光储直柔技术方案研讨与论证。针对每一个工程项目特点及光储直柔建设目标，在技术方案设计阶段定期组织专家评审，识别建筑光伏、建筑储能、直流配电设计、柔性控制策略等技术应用情况与系统方案的适用性、可行性、经济性等，提出论证意见与方案优化建议，推动项目建设方实现光储直柔技术落地实践。 3.1行业专家库组建 本项目2022年10月完成“光储直柔”行业专家库第一批专家入库。第一批33位专家，其中52%来自设计研究院、18%来自高等院校、18%来自终端设备厂家、9%来自地产商、3%来自学协会。 3.2光储直柔工程论证 本项目分别于2022年10月、2023年4月和2023年7月在北京、深圳和青岛三地召开了光储直柔工程技术方案研讨与论证会，分别对6项光储直柔示范工程方案进行了论证，示范工程类型涵盖了教育建筑、商业建筑、办公建筑、居住社区、实验建筑和市政设施等六类城市建筑。 3.3推广宣传 本项目依托直流建筑联盟公众号对光储直柔工程技术方案专家论证会分别进行了推送，得到了行业内外的广泛关注和支持，对项目落地具有积极的推动作用。除此以外，论证会的成功举办激发了社会对光储直柔的关注和认识。这将鼓励企事业单位建设以“光储直柔”为主要特征的新型建筑电力系统，发展柔性用电建筑，推广可再生能源建筑应用，为实现能源的高效利用和可持续发展做出了积极贡献。 四、光储直柔工程案例集编制 本项目于2023年3月面向全国调研处于已竣工或运行阶段的光储直柔工程应用案例，了解工程分布情况、光储直柔技术应用现状； 调研共收集了69个建筑“光储直柔”案例项目信息。本项目重点选取运行阶段的26个建筑案例和1个即将完成施工的建筑案例开展文案调研，收集了27个项目的文字介绍资料。综合考虑项目建筑类型代表性、项目资料完整性、项目运行效果及项目特色等多方面因素，从已收集文字介绍的27个项目案例中筛选17个典型案例开展现场调研考察与数据核实，分析工程案例的技术特点与应用方案等，探讨了建筑光储直柔技术发展路径，同时开展了项目建设者及专家访谈，倾听建设者及专家对于光储直柔建筑规模化发展的建议，并于完成《建筑光储直柔技术与工程案例》编制和出版，并入选住房和城乡建设领域“十四五”重点培训教材。 4.1“光储直柔”系统应用分布 从太阳能资源利用角度来看，“光储直柔”主要适用于我国大部分地区，尤其是太阳能资源很丰富的北方严寒寒冷地区和太阳能资源丰富的夏热冬冷（除四川盆地）和夏热冬暖地区。从建筑类型和建筑规模来看，建筑“光储直柔”系统正在逐步从新建建筑扩展到既有建筑，从城市办公建筑推广至商业建筑、校园、产业园区及农村住宅建筑，从中小型的单体建筑向校园、产业园区规模化应用发展。从负载直流化的成熟度来看，建筑中的照明、空调、IT类办公设备及监测展示设备、家用电器及充电桩可以率先直流化。 4.2光伏、储能技术应用特征 调研的建筑均采用了太阳能光伏技术，并采用与市政电网并网连接方式，光伏系统形式以BAPV（光伏附着在