新型電力系統視角下建筑側蓄冷再認識*

張 濤 劉曉華 劉效辰 李 浩 陳 琪

(清華大學,北京)

0 引言

構建新型電力系統是實現“雙碳”目標的重要支撐,需要電力系統各個環節發生根本性的轉變[1-3]。新型電力系統構建不單單是電源側結構的轉變,更需要源側與用戶側協同起來應對風電、光電(以下簡稱風光電)等高比例可再生電力的波動性。“源網荷儲”多向協同、靈活互動是構建新型電力系統的堅強支撐[4],這一目標的實現需要建筑等用戶側的角色由單純的電力用戶轉變為具有“產儲用調”四位一體功能的復合體。建筑自身能源系統的革新,一方面是全面電氣化、促進建筑用能結構的低碳化,另一方面也需要建筑能夠成為未來新型電力系統中的柔性節點,承擔起與電力系統的供給側、電網側友好互動的任務[5]。

建筑中的空調系統是用戶側用電的重要組成,也是電力系統在峰谷調節時重點關注的用電環節。電力高峰多為空調用電高峰導致,例如浙江、湖北等地電力部門統計結果顯示,夏季空調降溫用電負荷占比已近四成,成為電網峰谷差拉大、尖峰負荷凸顯的重要原因[6-7];未來隨著建筑部門電氣化水平的進一步提升,這種溫度敏感型負荷在電力負荷中的占比仍有進一步上升的空間。這樣,當從整個電力系統視角認識空調系統的角色時,空調系統也不再單純是電力系統的用戶,而是可作為電力系統中的用電環節起到參與電力系統調節的作用。空調系統的構建目標也將發生變化(如圖1所示),由滿足用戶側的基本熱濕環境營造需求、實現空調系統的高效運行(服務于建筑節能目標),進一步轉變成電力系統中的柔性用電環節,使得用戶側用電能夠更好地響應電力系統的調節需求,推進“荷隨源變”。為了適應電力系統的調節需求,建筑側已采取了蓄冷/蓄熱等方式來響應。建筑側蓄冷是響應電網峰谷電價、輔助電力系統峰谷調節的重要措施,冰蓄冷、水蓄冷等空調蓄冷相關技術已得到快速發展[8-10],在蓄冷系統設計、蓄冷技術裝置、蓄冷系統的建設及運行調控等方面均已非常成熟,支撐了大量蓄冷工程的實際應用,例如冰蓄冷、水蓄冷在多座機場航站樓、商業綜合體等建筑中得到較大規模應用[11-13],對降低建筑自身用電成本、降低空調冷源總裝機容量等起到了很好的作用。

圖1 新型電力系統視角下建筑用戶及空調系統的角色轉變

傳統模式下空調系統中的蓄冷多是圍繞電網峰谷電價、保障自身空調負荷需求等來設計、運行,在新型電力系統中,如何將蓄冷與電力系統發生的變化相結合,如何將新型電力系統對用戶側的新要求在空調系統蓄冷的設計、運行過程中充分考慮,蓄冷與其他用戶側蓄能方式有何差異,這些問題都亟需解答。為此,本文針對新型電力系統中建筑側蓄冷的新要求、蓄冷如何更好地服務于用戶側變化等問題開展初步探討,以期在新型電力系統中充分發揮建筑側蓄冷的作用、更好地促進電力系統變革目標與建筑自身能源系統革新目標之間的協同。

1 新型電力系統對儲能的要求

1.1 新型電力系統對儲能的需求

新型電力系統面臨風光電出力不穩定、電力供給與負荷需求兩端難以完全匹配等瓶頸問題,外部風光電等可再生電力如何有效消納、建筑側分布式光伏等可再生電力如何有效消納、如何應對風光電的波動性等是在新型電力系統中需要設置儲能資源來應對的重要問題。

儲能是實現新型電力系統實時運行調節的重要手段,是在一定程度上實現可再生供給與終端負荷需求之間解耦的重要抓手,能夠為系統實時調節提供有效緩沖空間。從電力系統中儲能應對的問題來看,時間尺度上包含長周期、短周期儲能,對應有不同的技術解決方式。例如對于年內或季節尺度上的跨季節電力供需不平衡問題,需要一些跨季節儲能的方式如儲氫、跨季節運行的火電調峰機組等解決方案;對于日間的儲能需求,抽水蓄能等可作為電網側的應對手段,蓄電池等可應對日間或日內不平衡下的儲能需求。這些儲能方式對應不同的時間尺度,可用于解決不同體量/時間尺度下的能量調蓄問題。

單純依靠儲能電池等現有方式實現能源/零碳電力系統的調蓄,需要投入極大的成本,迫切需要探索經濟性合理、可負擔的調蓄方式。為此可探索的路徑包括:一方面尋求降低儲能成本、提高儲能技術的方式,電池、各類儲能技術一直是熱門研究領域,未來隨著技術進步,儲能成本也存在一定下降空間;另一方面則可通過需求側的靈活調節來降低系統對儲能容量的要求,尋求替代的方式來獲得等效儲能的效果,這就使得建筑、電動汽車等用戶側有望成為重要的等效儲能或調蓄資源[14-17]。

根據所處位置的不同,電力系統中可設置或可利用的儲能資源主要包括電源側儲能、電網側儲能和用戶側儲能(如圖2所示),3種儲能資源發揮的作用不同,需要對各類儲能資源的合理配置、合理調度進行整體規劃。

圖2 新型電力系統中可利用的儲能/等效儲能資源

1) 在電源側需要有效的儲能手段或組合電源來應對風光電的波動性。

風光打捆、水光打捆等實際上是利用了各類電源間的互補性,有助于降低對電源側儲能的要求、更好地利用可再生能源[18-19]。為了更好地平衡風光電等電源側出力,電源側需采用集中儲能方式,例如風光電電站均需要設置一定容量的儲能,來盡可能實現風光電電源側的儲能調節,一定程度上緩解風光電出力的波動性。一些可再生能源發電方式例如光熱發電,具有較好的出力特點,自身即可實現太陽能熱量的儲蓄和發電能力調節,也是一種在電源側改善可再生電力波動的手段。

2) 在電網側需要合理的儲能方式來為電網調節提供可利用手段。

整體上協調電源與終端用戶間電力的供需平衡,是電力系統調度調節中重要的可利用手段。電網側常見的儲能調節方式包括抽水蓄能電站、壓縮空氣儲能電站、集中式蓄電池電站等,其中抽水蓄能電站可實現非常高的儲能效率,但對地理條件有較高要求,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;目前各地規劃建設的抽水蓄能電站規模達到上億kW,未來可達到4億～5億kW。利用鹽穴開展的壓縮空氣儲能,在儲電、放電過程中由于空氣壓縮、高壓空氣釋放等導致大量的冷熱產生,需對冷熱進行有效利用以提高系統綜合性能。

3) 在用戶側充分挖掘其具有的等效儲能資源來實現負荷柔性可調、輔助電力系統調節。

用戶側如建筑、交通領域全面電氣化會帶來終端用電需求的進一步增長,而終端用戶具有的儲能能力也需要得到進一步重視。終端用戶的特點是單個體量較小,遠小于大規模電站的能量調度能力,但其特點是具有海量用戶、擁有海量的可調節等效儲能資源。用戶側的電動汽車、電器設備、空調系統,甚至分布式蓄電池等,都有望成為用戶側可挖掘的儲能資源。當前電網與用戶互動的重點也包括車網互動、對建筑空調系統的調節等方向[21-23],未來需要進一步解決用戶自身等效儲能能力的充分挖掘、電網與海量用戶之間有效互動等關鍵問題。

1.2 空調系統可發揮的儲能作用

暖通空調系統是用戶側用電的重要組成,也是當前電力系統對用戶側調節的重點環節。電力部門已初步開展建筑空調系統的負荷側管理工作,通過在夏季用電負荷高峰期對空調系統的冷源進行有效調節,例如在中午需求側響應時間(1 h)內,通過提高制冷機供水溫度等方式,即可在基本保障末端空調溫度調節需求的情況下實現空調用電負荷的顯著降低[24]。而從空調系統的多環節組成特點出發,可對其具有的等效儲能能力進一步刻畫(如圖3所示),以便對空調系統可發揮的儲能調節效果形成整體認識,更好地服務于電力系統的調節過程。

1) 室內末端側。

主要通過室內環境控制參數的可調節、建筑圍護結構自身蓄能特征及末端處理設備(如空氣處理機組、新風處理機組)的柔性運行等來實現柔性用能。室內環境控制參數層面,實際上溫濕度、CO2濃度均可在一定范圍內變化(例如溫度可在±1 ℃、±2 ℃范圍內變化,相對濕度可在±5%、±10% 范圍內變化,CO2濃度也可在較大范圍內變化,當然部分環境參數控制要求嚴苛的場合其參數允許的變化范圍相對較小),這種可變參數本身就為柔性用電提供了重要的可調空間,是空調系統能夠發揮等效儲能能力的重要基礎;建筑本體/圍護結構具有熱慣性,與不同空調末端結合也可進一步發揮蓄能效果,例如混凝土輻射地板可通過提前供冷、預冷或預熱等方式實現小時級的熱量轉移、蓄存釋放。

2) 輸配系統側。

可通過管道中冷熱水的蓄存能力和輸配系統中水泵、風機的變頻運行等來獲得等效儲能能力。例如一些空調系統運行時在冷源系統關閉一段時間后仍能維持末端環境參數,就是利用了管道中蓄存的冷水所發揮的蓄冷作用;輸配系統的風機、水泵可利用末端參數的容許變化范圍來改變自身運行特征,通過變頻運行等柔性調節模式來響應柔性用電目標。

3) 冷熱源側。

主要通過蓄冷蓄熱來獲得蓄能能力,也可利用冷水水溫調節等適應功率調節需求。冷水水溫調節(如在需要降低用電功率時適當提高冷水供水溫度)等方式仍是從空調系統整體出發、結合末端參數可調等實現的整體等效蓄能效果,而蓄冷蓄熱則是冷熱源側的主動蓄能方式。建筑側蓄冷是建筑自身空調用電主動適應電力供給特征的重要措施,多是根據峰谷電價、空調負荷特點進行系統設計、運行。建筑側水蓄冷、冰蓄冷等相關技術已發展得十分成熟,在當前新型電力系統建設視角下,需要進一步認識對建筑側蓄冷的新要求,充分發揮蓄冷的作用。

2 對蓄冷的新要求與新認識

2.1 對建筑側蓄冷的新要求

冰蓄冷/水蓄冷系統是空調系統中常見的蓄冷手段,分別從空調系統視角和新型電力系統構建的視角出發時,會對這些建筑側蓄冷方式的基本要求、擬實現的目標等產生不同認識(如圖4所示)。建筑側蓄冷的基本目的仍以滿足建筑自身空調供冷需求為基礎,目前的設計方法、運行模式等也多是從滿足空調系統自身需求和適應電力削峰填谷等要求出發,在設計容量選取、實際運行中也以上述目標為邊界條件。例如根據峰谷電價、空調系統自身負荷特點來確定蓄冷的容量,負荷容量選取多以空調尖峰負荷的消減作為指標,根據降低冷源設備總容量投入、負荷消減率、利用峰谷電價差獲得經濟收益等來確定所需的蓄冷系統容量。制冷機在電價低谷時蓄存冷量,冷負荷高峰或電價高峰時由蓄冷系統釋冷、基載制冷機供冷甚至雙工況制冷機(可同時運行在蓄冷工況和常規供冷工況)供冷來聯合滿足要求。

圖4 從新型電力系統視角認識空調系統中蓄冷的作用[25]

在蓄冷系統實際運行中,也根據上述設計確定的系統形式、運行目標來確定合理的運行模式。根據實際峰谷電價特點,蓄冷系統可根據建筑實際冷負荷特點、蓄冷系統容量、冷源系統的運行性能等來實現運行模式的優化,通常情況下蓄冷系統的運行以充分利用峰谷電價差、充分將蓄存的冷量在電價高峰時段釋放來實現運行經濟性的提升。例如很多蓄冷系統的運行模式為夜間電價低谷時段蓄冷(此時通常為建筑側空調冷負荷需求的低谷,冷負荷需求可利用基載制冷機等滿足),而在日間負荷高峰時段(如下午,也通常為電價高峰時段)盡量依靠蓄冷系統釋冷并結合其他制冷機供冷來應對冷負荷高峰,其余時段則可根據負荷需求和系統運行特點來確定合理的運行模式。

當以成為新型電力系統中的終端有效儲能資源為目標時,建筑側蓄冷的功能、任務目標也會發生變化。新型電力系統的特點之一為電源結構發生變化:集中電源中風光電大比例增加,需要電力系統各環節設置大量儲能調蓄資源應對;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能能力。從整個新型電力系統的構建過程來看,建筑等終端用戶有望成為電力“產儲用調”的復合體,將建筑變為電力系統中柔性用電節點的目標也迫切需要終端側具備一定的儲能能力。這樣,建筑側蓄冷的目標就不再僅局限于服務建筑自身空調需求或響應峰谷電價獲取經濟收益,而是應從整個新型電力系統的構建目標出發,從使得用戶側能夠更好地滿足“產儲用調”四位一體的柔性用電終端出發,重新認識其系統設計、運行的基本要求。

當從成為電力系統中柔性節點的目標出發時,建筑側蓄冷的任務需要考慮自身分布式光伏消納、協助外部風光電可再生電力消納、實現建筑自身電力的柔性調節等方面的需求。例如考慮自身分布式光伏消納時,建筑光伏發電量的高峰時刻多與空調冷負荷的高峰時刻相近,此時蓄冷容量的設計也將轉變為在日間消納多余光伏電力,同時需要與系統中的冷源設備配合來滿足空調冷負荷需求,蓄冷系統需要根據此目標來重新選取容量、確定系統運行模式。當以實現建筑自身用電的柔性調節能力為目標時,蓄冷系統也應考慮到空調用電的柔性調節能力,將響應外部電力供給特點等要求體現在蓄冷系統的設計、運行中。

2.2 應對新要求——從系統設計到運行使用模式

新型電力系統構建對建筑側蓄冷提出了新要求,當以成為電力系統中的柔性用戶、更好地滿足終端用戶柔性用電需求為目標時,建筑側蓄冷系統的設計容量、系統配置、運行模式等均會產生變化,需要在以往僅考慮峰谷電價、系統冷負荷需求的基礎上進一步考慮其作為電力系統中用戶側可調節儲能資源這一新角色的新要求。

1) 容量設計方面。

在滿足建筑空調冷負荷需求的基礎上,蓄冷需要根據目標來確定適宜的容量,從單純峰谷電價差驅動的容量優選轉變為結合電力供給特點和柔性調節目標來綜合考慮系統蓄冷容量的配置。例如以消納建筑自身多余光電或消納外部風光電基地供給的可再生電力為目標時,光伏電力高峰時刻通常與空調冷負荷高峰時刻相近,而無光伏電力時多為夜間,此時可考慮將建筑夜間的空調冷負荷作為蓄冷系統容量選取的目標,將夜間空調冷負荷轉移至白天光伏電力高峰時來有效消納多余的可再生電力,而在可再生電力低谷時利用蓄冷系統來應對此時全部或部分空調冷負荷需求(如圖5所示)。這樣,蓄冷系統的設計容量就與可再生電力的供給特點相一致,能夠更好地發揮建筑側蓄冷作為電力系統中調蓄資源的潛力。此外,蓄冷作為建筑側等效儲能資源的一部分,還應當考慮其與建筑中其他可利用儲能資源的配合,例如電動汽車充電樁、電器設備、分布式蓄電池等資源,均可作為建筑中可利用的等效儲能資源。如何使得蓄冷這一空調系統層面的重要蓄能資源與各類等效儲能資源有效協同,共同發揮建筑終端的柔性用電能力,尚需進一步研究。

圖5 空調系統與電力系統視角下對蓄冷的不同認識

2) 系統配置方面。

需要根據新的容量配置目標、系統冷負荷需求來確定制冷機配置。例如以消納日間多余光伏電力為主要任務時,日間光伏電力高峰時通常對應的也是空調冷負荷的高峰,此時系統中制冷機的配置既需要有消納多余光伏電力的蓄冷機組,也需要能夠滿足系統冷負荷需求的制冷機,此時系統的總制冷機容量配置是否會偏高?冷源的整體利用率是否會偏低?如何將消納可再生電力的目標與系統冷源容量合理設置的目標有效結合?這些問題還需要進一步結合可再生電力消納、自身冷負荷需求等特點來解決。

3) 系統運行模式方面。

任務目標的轉變也會導致蓄冷系統的運行模式發生轉變,如圖6所示。為了將日間電價高峰時段的空調冷負荷“搬運”至夜間電價低谷時段,蓄冷系統原有運行模式多為夜間蓄冷、日間釋冷;當前一些地區的峰谷電價已不單純是夜間為低谷電價,在日間中午時段也可能出現低谷電價,這也反映出光電等可再生電力占比增加后電力供給特點發生了改變,需要建筑側蓄冷系統在設計、運行中充分適應這種電力供給特點的變化。當以消納日間光伏電力為目標時,蓄冷系統需要在日間空調負荷高峰時段運行,此時需要蓄冷冷源、供冷冷源等同時運行,一方面滿足空調冷負荷需求,另一方面滿足消納多余光伏電力的目標;非光伏電力時段,可根據空調冷負荷需求與冷量蓄存容量來確定合理的運行模式,例如在夜間無光伏可再生電力時,可將日間蓄存的冷量釋放出來,滿足部分或全部夜間空調供冷需求。這樣,蓄冷系統的運行才能更好地適應可再生電力的變化特點,使得用戶側的空調用電需求更好地與可再生發電特點相匹配。

圖6 不同視角下蓄冷系統運行模式的差異

3 蓄冷與蓄電

3.1 建筑側等效儲能資源

從新型電力系統的構建要求和對各環節的儲能需求來看,建筑等用戶側可利用的等效儲能資源主要包括蓄電池類(分布式蓄電)、蓄冷/蓄熱類(空調系統、建筑本體圍護結構)、電動汽車+充電樁(與建筑配電系統互聯互通)、電器設備類(如可調節的柔性電器),如圖7所示。這些儲能/等效儲能資源既有本身蓄能能力、可調節能力的差別,又在很大程度上受到建筑服務功能、建筑自身特點的影響,需要在利用用戶側儲能資源過程中加以區分。

圖7 建筑中儲能資源的分類及影響因素

1) 從可利用儲能的確定性和可調度程度來看,建筑側可利用的等效儲能資源中,蓄冷/蓄熱、單獨設置的蓄電池是確定的可利用儲能資源。蓄電池可完全服務于用戶側柔性用電調節,在滿足用戶空調需求的基礎上蓄冷/蓄熱也可作為建筑空調系統柔性調節的重要手段來響應柔性調節指令。在對建筑等用戶側的儲能資源進行合理配置時,也應重點考慮蓄冷/蓄熱、蓄電池等這類具有確定性、可被調用的儲能資源,作為發揮建筑柔性調節能力的重要基礎資源。而與建筑配電系統互聯互通的電動汽車(含充電樁)、建筑中可發揮儲能能力的電器設備,很大程度上是具有不確定性的可利用儲能資源,均需要在滿足用戶使用需求的基礎上再考慮發揮其可利用的儲能潛力。這兩類等效儲能資源的使用模式、可調節潛力等受到建筑使用模式、人員使用規律等多種因素影響,例如電動汽車的出行使用特征、停留規律等很大程度影響了其與建筑配電系統有效交互的能力;各類電器設備的使用行為也會影響其可利用的調節潛力。在利用這些等效儲能資源時,需要在考慮其使用特征的基礎上再利用其可調能力。

2) 用戶側各類儲能資源的等效儲能成本,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能調節效果,但通常其成本最高,1 W·h的投入成本可達1～2元;盡管隨著電池技術的不斷突破,未來其成本有一定下降空間,但這種化學儲能電池的投資尚難以支撐未來大規模儲能的需求。蓄冷雖然僅可在空調系統層面發揮蓄能調節效果,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等效儲能資源的重要選項。對于充電樁+電動汽車的等效儲能方式,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行調節策略。建筑中的設備電器作為等效儲能資源,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上,進一步考慮其可利用的調節能力。

3.2 建筑側蓄冷與蓄電

從實現建筑柔性用電的目標來看,與蓄電相比,蓄冷可發揮的作用受到限制(如圖8所示):蓄冷僅能解決空調系統的柔性調節問題,對應空調系統部分的功率、能量調節能力;蓄冷系統輸入的是電力,輸出的是冷水(冷量),僅能通過蓄存電力來解決空調需求(電力→熱力)。而蓄電則可適用于對整個建筑用電功率、能量的調節,服務于建筑中所有用電環節的能量柔性目標,蓄電池是實現電力蓄存、釋放的有效措施(電力→電力)。

圖8 建筑中蓄冷與蓄電發揮作用的對比示例[27]

蓄冷可發揮多大的功率、能量調節作用,與建筑功能類型、使用特征、空調負荷需求等密切相關。以某辦公建筑為例,根據其逐時用電負荷(空調用電負荷和其他用電負荷)、蓄冷(折合電量)和蓄電同等容量投入下的柔性用電效果,可對比蓄冷與蓄電的差異[27]。在供冷季蓄冷可用于解決空調冷負荷/空調用電的柔性調節問題,但由于蓄冷僅能應對空調負荷部分的柔性調節需求,且空調負荷逐日、逐時波動特征使得蓄冷可發揮的效果要低于蓄電。定義同等容量下蓄冷與蓄電發揮的柔性用電效果之比為二者的等效系數α,上述案例中的等效系數在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份蓄冷可發揮的柔性用電調節效果僅能相當于約0.6份的蓄電;當進一步考慮空調蓄冷僅能在供冷季發揮作用而蓄電可在全年發揮作用時,蓄冷、蓄電二者的差異更加顯著,上述等效系數也會進一步降低。當然這一等效系數與建筑用電負荷構成情況、用電柔性需求目標等因素相關,但仍可說明蓄冷與蓄電在實現柔性用電調節方面的差異。

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

圖9 建筑中蓄冷與蓄電的比較

1) 從使用場景和發揮效果來看,蓄冷僅用于空調系統的柔性調節,而蓄電可服務于建筑整體的柔性用電目標,因而考慮蓄冷容量發揮的效果時,需考慮其與蓄電之間的差異,可通過等效系數的方法來刻畫這種差異,該系數受不同類型建筑、不同運行模式的影響。

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]);蓄電池可實現電力的蓄存、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、蓄電均可實現能量的多次蓄存、釋放,如冰蓄冷、水蓄冷的蓄存、釋放次數可滿足空調系統10年以上的使用需求;蓄電池雖有循環壽命限制,但鋰電池的循環次數已可達上千次,也可較好地滿足建筑側蓄能的使用需求。

3) 從投入成本來看,蓄冷的初投資會顯著優于蓄電(折合到單位W·h電量),即便進一步考慮到蓄冷可發揮的電力蓄放作用要小于蓄電,考慮蓄冷的等效折算系數后,當前蓄冷的經濟性仍要優于蓄電;當然未來隨著蓄電的成本進一步降低,二者的初投資比會有一定改觀。

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密切相關,水蓄冷的單位體積能量密度約在0.04 MJ/L(以10 ℃水循環溫差為例),冰蓄冷方式則可達約0.3 MJ/L(冰的相變潛熱約為335 kJ/kg),一些新開發的蓄冷介質的能量密度也可達0.1～0.2 MJ/L[29]。而蓄電池的能量密度通常可達0.8～0.9 MJ/L,甚至更高。蓄電池的能量密度通常可比蓄冷方式高1個量級,在減少蓄能系統的占地面積上具有顯著優勢。

5) 從實際運行管理、安全性要求等方面來看,建筑側水蓄冷、冰蓄冷一般與空調系統的制冷站統一設置,由專門的人員運維管理,安全性較高。建筑側分布式蓄電池尚處于發展階段,已有的建筑側蓄電如不間斷電源(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中多次充放的分布式蓄電有明顯區別,還需要在適宜的蓄電方式上進一步探索。在當前蓄電池發展方向仍以鋰電池為主的趨勢下,對建筑側蓄電的安全性仍有非常高的要求,還需要進一步探索在滿足蓄電需求下同時保證安全性的技術措施,以便進一步促進建筑側分布式蓄電方式的發展。

從上述建筑側蓄冷、蓄電方式的綜合性能對比來看,現階段建筑側蓄冷仍是用戶側蓄能的重要手段,在適宜的場合可作為實現建筑柔性用電的有效途徑。

4 結論

新型電力系統是實現能源革命和碳中和目標的關鍵環節,需要“源網荷儲”協同運行,需要用戶側儲能能力的支撐。建筑等用戶側未來將有望成為集“發儲用調”于一體的電力系統柔性節點,需要在自身儲能資源的利用上尋求適宜途徑。為此,本文從新型電力系統構建視角出發,針對建筑側蓄冷的新要求、應對方式等進行了探討,以期為用戶側儲能手段的合理設計、運行提供有益參考。

1) 新型電力系統的構建需要各環節投入儲能資源來應對電源結構的變化、風光電波動特征的影響,用戶側具有的儲能資源包含蓄冷/蓄熱類、電動汽車、電器設備及單獨設置的蓄電池等主要類型,建筑側蓄冷將成為電力系統中重要的終端儲能手段。

2) 作為重要的用戶側儲能手段,建筑側蓄冷從單純響應峰谷電價轉變為適應自身光伏電力消納、外部可再生電力消納、實現建筑柔性用電等目標,需要重新考慮蓄冷系統的容量選取、系統設計和運行模式,以便與新的目標要求相契合。

3) 從用戶側可利用的儲能資源來看,建筑側蓄冷與蓄電相比,盡管蓄冷僅能在供冷季、針對空調用電發揮柔性調節能力(同等等效蓄存電量下蓄冷可發揮的效果不如蓄電池),但當前其成本顯著低于蓄電方式,具有一定優勢,應在終端儲能資源設計選取時優先考慮。