碳中和下的建筑儲能發展前景

綜述了國家在水電、風電、光伏等清潔能源方面的儲能發展，機械儲能、電磁儲能和電化學儲能，機械儲能（抽水蓄能）作為供電前端的儲能技術已經寫入國家戰略發展規劃；研究了目前建筑行業的電池儲能技術方面的可行性和經濟性，通過儲能調峰、峰谷價格套利等方式，將電池儲能運用在建筑中，實現房屋、社區智能儲能。

碳中和； 清潔能源； 建筑儲能； 峰谷電價； 調峰

TU201.5A

建筑論壇與建筑設計建筑論壇與建筑設計

［定稿日期］2023-06-08

［作者簡介］李鑫（1986—），男，本科，高級工程師，一級注冊建筑師，從事建筑設計工作。

0" 引言

隨著國家碳達峰碳中和戰略的發布，相關配套政策也在持續探索跟進。在2021年后疫情大背景下，電荒持續發酵，煤炭、石油等資源價格飛漲，直接給國民生產帶來較大的影響。電力也更多地被社會關注。

1" 研究背景

（1）國務院發布2030年前碳達峰行動方案［1］，十大任務中提到“優化新型基礎設施用能結構，用直流供電、分布式儲能、‘光伏+儲能’等模式，探索多樣化能源供應”“提高建筑終端電氣化水平，建設集光伏發電、儲能、直流電、柔性用電于一體的‘光儲直柔’建筑”。

（2）峰谷時間用電量的差距也在不斷加大，如何應對尖峰時段用電不平衡問題也在不斷推進行業思考。2021年末頂峰發電能力超過12億kW以上。全國單日用電量峰值271億kWh，峰值負荷12億kWh，根據能源局相關數據，谷峰用電比為0.6，電荒很大程度上是峰值造成的。

（3）應對峰谷用電的不平衡，峰谷電價成為一種調控手段。2021年，國家發改委發布《關于進一步完善分時電價機制的通知》［2］，要求峰谷電價不低于4倍。2021年底四川出臺《關于進一步完善我省分時電價機制的通知》，并于 2022年1月起實施，進一步提高了峰平谷價差。電價浮動比例為：高峰時段電價在平段電價基礎上上浮60%；低谷時段電價在平段電價基礎上下浮60%；峰平谷價差比為1.6∶1∶0.4（之前的上下浮動比例為50%，峰平谷價差比為1.5∶1∶0.5）。峰時用電價格比谷時用電價格直接提升一倍，達到4∶1。峰谷價差的調增為儲能提供了發展空間。

（4）國家能源局發布的《抽水蓄能中長期發展規劃（2021-2035年）》文件中提到“到2025年抽水蓄能投產總規模較“十三五”翻一番，達到6 200萬kW以上；到2030年，抽水蓄能投產總規模較“十四五”再翻一番，達到1.2億kW左右?！背樗钅芡顿Y巨大，轉換率75%左右，也被人質疑。

（5）國家規劃到2030年風電和光伏裝機量由目前1.3億kW提升至12億kW，將與當前火電裝機容量12.76億kW相當，到2060年前新能源發電量占比有望超過50%，成為發電量主體。但其先天稟賦決定了不能成為峰值負荷的主體，由于風電和光伏發電等新能源具有隨機性、間歇性，峰值負荷還得依靠火電和儲能等非新能源主體。大規模儲能應用可顯著提高電網運行的經濟型，為逐步替代石化能源、減少火力發電占比，提供了可行性，儲能發展已勢在必行［3］。

2" 建筑儲能的思考方式

（1）發展儲能經濟是我國電力行業發展的中道占率，儲能對促進能源轉型方面起到至關重要的作用［4］。隨著我國電池產業的快速發展，除了發電前端的大型抽水蓄能，用電端的小型用戶新型電池儲能也將成為一種發展趨勢。

（2）居民用電占總用電比不到20%。但實際平峰時用電時間占比85%，調谷填峰用電意義很大。且每戶需裝機容量較小，容易在建筑設計中提前預留空間管線，為居民用電產生經濟價值，也為社會用電提供調峰作用。

（3）商業用電中，辦公、酒店、商戶等用電單位用電量主要發生在日間高峰期，利用地下室、車庫無效空間、建筑空調外籍安裝等位置增設電池儲能功能設備，可為公共建筑提供儲能用電空間。工商用電單位用電價差更大，儲能電池對建筑使用方更具吸引力，更能通過合理利用儲能電池，為自身創造經濟價值，為社會用電起到調峰作用。

（4）雙向電表的應用更具有可變性，將每個獨立電源通過電網相互連接成一個電網，更能發揮電池儲能調峰作用。

3" 居民用電儲能經濟價值和社會價值

居民用電儲能的社會意義是對于整個社會而言，可以通過儲能調峰，支持風電、水電、太陽能發電的廣闊應用。儲能調峰，通過將不穩定的清潔能源進行儲存，實現后端供電穩定。居民用電儲能的經濟意義是，對于每個用戶，峰谷電價差為用戶創造經濟價值。

用戶經濟價值推動產業發展及社區價值的實現。以某普通四口之家100 m2用房的四個季度典型月份峰谷值為例：首先通過數值測算得出家庭日均用電，然后按日均用電上浮20%比例核定電池容量，得出10 kW·h容量能夠滿足標準家庭一日用電基本需求。

以2021年四川省用電情況為例，電價定價邏輯有豐水枯水期、階梯電價、峰平谷價三個主要維度。四川地區居民用電平峰期價格一樣，以第一檔為例，豐水期峰谷值差價0.347 4元/kW·h， 枯水期峰谷值差價0.268 9元/kW·h，枯豐水期各6個月，因此平均差價0.308元/kW·h。以此類推，第二檔平均差價0.333元/kW·h，第三檔平均差價0.308元/kW·h，綜合典型家庭用電一般在1、2檔。理想狀態下年平峰時用電全部來自谷值儲能，家庭年可節約電費750元。

此外還需要關注幾個問題：①目前居民峰值用電并未提高，按平時電價執行；②四川2022年峰谷電價價差的進一步加大，也未在此次計算中體現；③商業用電價差更大，且有峰值用電，效果更加明顯（四川工商用電為0.807 5元/kW·h，2022年峰谷值差價將達到0.969元/kW·h，是住宅電價的3倍）；④隨著國家碳達峰，碳中和戰略的不斷深化實施，電池儲能產業產能的不斷釋放，研判住宅用電儲能通過技術標注可批量復制，容易規?；虡I用電儲能發展對用戶更具吸引力。

4" 居住建筑的儲能的解決方案

4.1" 儲能設備的系統安裝

在電表后端并聯一蓄電池，安裝容量約為10 kW·h。以政府峰谷電價調整為指導，以家庭用電成本最小為目標，調整用電儲能設備運行時間。通過設置智能控制系統，作到以下控制（圖1）。

（1）在用電谷時家庭用電切換至市電，并對蓄電池充電（開關1、2閉合，3斷開）。

（2）峰時家庭用電切換使用蓄電池電量（開關3閉合，1、2斷開）。

（3）峰時用電蓄電池電力不足時，切換至市電，但不充電，待谷時開始充電蓄能（開關2閉合，1、3斷開）。

4.2" 雙向電表的應用

實際生活中，每個家庭或居住單元用電情況并非一成不變，生活作息有差異，家庭蓄能電池存在峰值閑置。通過雙向電表的設計能夠讓每棟房子，每個小區甚至一個片區儲電電源得以共享使用，提升裝置利用效率。設想用戶的儲能設備在峰值閑置的情況下可以通過雙向電表出售儲蓄電能給相鄰用電用戶（包括公區用電）。通過智能控制系統，可以設計儲能電池根據每日峰時段已過比例釋放對應比例電能。用戶可通過谷時價格儲能，平時電價出售獲得利益。而供電部門按峰時價格收取用電用戶費用、獲取差價，也可獲得設備、系統投資的費用補償。

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4.3" 儲能設備的安裝位置設計

儲能設備越靠近電表及用電端，所需電線長度越少。因此較為理想的位置是在電井。當然也會有其明顯的缺點，首先是電井計入公攤面積，增加電池儲能空間也會帶來公攤增大，產品設計端和用戶對此會有較大的意見。其次電池是否足夠安全也會是大家關心的問題。未來隨著電池產業的發展，安全性和儲能能力的調高，儲能電池可小體積安裝至戶內設備間。

第二種可選位置為生活陽臺外部設置一設備平臺（類似于中央空調），并應靠近外窗或者洞口，便于維修更換更換。它的缺點是暴露在空氣中，因此需要作好防護（防雨防曬）。且走線相對較長。優點則是建筑上不計入面積，且臨外墻，安全性較好（圖2）。

4.4" 供電部門及技術規范的支持

未來中國的城鎮化發展還有10多年的發展時間，鄉村振興也才逐步擴展。分布式儲能具有容量小、占地少、安裝靈活和易于模塊化、標準化的特點。分布式儲能技術作為智慧社區的關鍵技術之一，將分布式儲能系統安裝在智慧社區，可以提高智慧社區中可再生能源發電的利用率，還能作為備用電源，提高供電可靠性，改善用戶的電能質量［5］。人對于居住環境品質的提升要求不會停止，國家對低碳減排的發展戰略才剛剛起步，發展居民電池儲能還有較大的空間。只有依賴于技術規范的推行，通過政策文件和技術規范將電池儲能要求寫入新建居住建筑中建設標準中，才能逐步提升儲能在用電的占比，形成規?；男?。

5" 建筑及基礎設施領域儲能的展望

建筑碳中和的關鍵在于社區級能源微電網。建筑脫碳在潛力在于社區”微能源“系統，將風能、太陽能光伏與建筑一體化設計，借助為能源系統，有效調節電網波動［6］。

除了小型儲能的發展，實際上電力部門已經在大力探索前端大型電池儲能的建設和應用。未來10年甚至更久遠的時間內，我國電池儲能技術將有較大的提升，電池儲能產能大幅的釋放，電池儲能將會迎來巨大的發展。可大膽設想電池儲能除了在新能車領域的發展、替代石化燃料外，還會在民用建筑中推廣開來，甚至會被應用在一些市政、配套工程應用（例如市政照明，夜景燈光等），比如利用公園、綠地等地下空間設置儲能站。儲能技術在民用建筑的中的發展將有效的支撐水電、風電，太陽能發電、核電的發展，為替代化石能源作貢獻，也將開啟建筑運營領域綠色低碳減排新篇章。

參考文獻

［1］" 國家發改委.2030年前碳達峰行動方案：國發〔2021〕23號［S］ .北京：國家發改委，2021.

［2］" 國家發改委.關于進一步完善分時電價機制的通知：發改價格〔2021〕1093號［S］ .北京：國家發改委，2021.

［3］" 比爾·蓋茨. 氣候經濟與人類未來［M］ .陳召強譯.北京：中信出版集團，2021.

［4］" 李建林，姜冶蓉，方知進. “雙碳”戰略下儲能利好政策解析 ［J］.電氣時代2021（9）：8-10.

［5］" 洪超.分布式儲能在智慧社區中的應用淺析［J］. 智能城市. 2017 （1） ：42-44.

［6］" 仇保興.城市如何實現碳達峰碳中和［J］. 中國經濟評論. 2021 （5）：76-81.