建筑能源系統混合儲能技術研究分析

摘要：混合儲能技術作為新型的能源存儲和管理方式，為建筑能源系統的優化提供了新的解決方案。在對混合儲能技術進行概述基礎上，明確了其在建筑能源系統中應用的價值，重點對混合儲能的常見匹配方式等研究內容進行深入探討，以期為建筑能源系統的進一步優化提供參考。

關鍵詞：建筑；能源系統；混合儲能技術；能源匹配方式

建筑能源系統作為能源消耗的重要領域，其運行效率和性能對整個社會的能源消耗具有顯著影響［1］。隨著技術的發展，混合儲能技術逐漸成為建筑能源系統優化的重要手段。這種技術通過結合不同種類的儲能設備，實現能源的高效存儲和利用，從而提升建筑能源系統的整體性能。

1混合儲能技術概述

混合儲能技術是一種結合多種儲能方式的能源存儲和管理技術。通過將不同類型的儲能設備進行有機組合，可以實現各種儲能方式的互補，進一步提高儲能系統的性能和效率［2］。在建筑能源系統中，常用的混合儲能技術主要包括電池儲能、超級電容儲能和飛輪儲能等。

2混合儲能技術在建筑能源系統中應用的常用匹配方式2.1電熱混合儲能方式

在整個建筑的能源系統構成中，熱能、電能均是構建的關鍵部分。蓄電池在當前應用中具有穩定的充電與放電能力，可以滿足用戶使用電能的需求，但是在實際的應用中卻容易因為頻繁、反復的使用而縮短其使用壽命，并且涉及相對較高的維護成本。而蓄熱罐則使用起來非常簡便，且成本低廉，所以基本上能夠滿足低品位熱能的使用需求，但是其釋放出來得到的熱能品位整體上比較低。假如分別對蓄熱裝置與蓄電裝置進行單一化、獨立式設置，那么相應能量在流動過程中無法做到彼此有效協調與配合，這樣均會使釋放的熱能過程或者儲存熱能的過程出現效率低下的問題，不利于滿足用戶在熱負荷、電負荷使用方面的需求。而基于能量轉換裝置的應用，可以很好解決上述問題，即可以基于“電熱”混合儲能來使二者之間構建協作互助的聯系，保障順利實現二者有效協調的管理目標，提高建筑能源系統中的能源使用率。

圖1是一種該復合儲能方式構成的建筑功能系統，涵蓋了燃氣輪機、鍋爐等轉換能量的設備，同時也包含了蓄電池等一些配套運行的儲能設備。在電價處于低谷期的時候，該系統能夠借助燃氣輪機、風機等來開展發電，或者從電網方面購入價格比較低的電來滿足受眾使用需求。如果電量比較多，那么它們能夠應用于蓄電池之中，或者基于電鍋爐（蓄熱式）來轉化電能為熱量。此外，基于燃氣輪機運行中生成的余熱，可以保證用戶熱負荷得到有效滿足。在電價相對較高的情況下，燃氣輪機與風機（分布式）則可以立足于用電負荷滿足視角，將蓄電池作為電力釋放的重要依據。如此一來，基于實際的用戶用電需求，該系統能夠靈活地選擇售賣電量或從主電網方向進行購電。與此同時，熱能裝置可以通過熱量釋放的方式來滿足全體用戶使用熱負荷的需求，保證可以最大程度提高能量使用的效益與效率。

圖1基于電熱混合儲能的供能系統簡圖

2.2電氣混合儲能方式

該儲能方式是借助某種獨特的耦合元件來聯系燃氣系統與電氣系統，以此來調度運行整個系統運行情況，其可以最大程度提高燃氣與電力二者作為能源使用的優勢與作用。與此同時，基于該種混合儲能方式可以控制系統運行穩定性，提高能源的綜合利用率。

圖2是“電天然氣”二者構成的轉換能量的具體過程，涵蓋燃氣機組、電氣轉化裝置等。在夜間的時候，電價達到了谷期，風電運行中的反調峰特征使得“棄風”現象頻繁出現，這時候該系統能夠由主電網方面購買低價格電能，并將它們相應地存儲到蓄電池之中來對電負荷谷值進行增加，保證有效規避“棄風”現象。如果基于蓄電池使用的方式無法徹底消納或解決“棄風”現象，此時可以對電轉氣裝置進行啟動，保證可以將多余風電向天然氣轉換來實現存儲的目標。該種技術應用機理是基于電解水操作來進行氫氣制作，之后其和二氧化碳之間進行反應來構成天然氣，能夠對系統運行中存在的“棄風”現象進行有效消納與解決，同時也為氣負荷需求的滿足提供了更多路徑。但是由于儲氣裝置運行效率與效益非常低，所以在一定程度上限制了P2G技術的推廣與應用。在白天電價達到峰值期間，如果風電發電量比較低，那么這時候蓄電池會向外進行放電來輔助滿足用戶用電需求，同時儲氣罐也會相應地將存儲的天然氣釋放出來滿足用戶在燃氣負荷方面的實際需求。

圖2基于電天然氣混合儲能的供能系統簡圖

圖3是基于“電氫氣”構成的一種混合儲能方式，主要能量轉換裝置是燃料電池，由蓄電池與儲氫裝置共同構成系統的儲能裝置。如果白天天氣晴朗，那么在滿足用戶在電和熱方面負荷需求中，主要基于太陽能光伏、發電這兩個專業系統，而形成的多余電能則可以在蓄電池之中進行存儲，或者驅動水電解制氫設備來生成氫氣后在儲氫設備中加以存儲。為了保障發電系統運行可靠性，可以選擇市電作為補充手段，保障電力供應的穩定性。考慮到基于太陽能發電的方式只能夠在白天完成，夜間缺乏光照，無法保障太陽能供應持續性，這時候可以借助燃氣網絡向SOFC方輸送燃氣，或者基于儲氫裝置向PEMFC方進行放氣，這樣就能夠持續向用戶提供熱能與電能。與此同時，該系統還可以從電網方面低價購入市電來繼續進行氫氣存儲。由此可見，該系統主要能源載體是氫能，借助“谷電”或“棄光”等來實現存儲氫氣的目標，整體氫能存儲靈活、便捷和自由。

圖3基于電氫氣混合儲能的供能系統簡圖

2.3電氣熱混合儲能方式

該儲能方式充分參考了“電熱”和“電氣”兩種儲能形式，借助眾多類型能量轉換裝置與儲能裝置的有效應用，可以實現二者有效融合目標，保障整體儲能系統具備更加完善的功能。考慮到建筑運行中主要涉及由電、熱、氣3種類型負荷構成的負荷體系，可以滿足廣大受眾關于能源的使用需求，同時也可以解決能源短缺與供應障礙等問題。

如圖4，該系統可以結合外部的諸多影響因素與實際運行條件等來針對性進行能量轉換裝置設置，如P2G裝置、燃氣輪機設備、電鍋爐設備等等。與此同時，該系統還在運行階段設置了儲熱、氣、電等多類型的儲能裝置。如果電網運行的電價處于低谷期，那么該風光系統可以綜合利用風電機組、燃氣輪機等來共同滿足用戶關于用電負荷方面的使用需求。此外，該系統也可以借助低價電購置或采取棄風發電的方式將有關電能在蓄電池進行存儲；系統借助電鍋爐設備、電轉氣裝置等同樣可以實現電熱或電氣方面的轉化，保障氣熱方面負荷需求得到有效滿足，而如果天然氣用量充足，那么可以將它們在儲氣罐中進行存儲，而熱量如果比較多，則會進入到蓄熱罐之中。如果電價處于高峰期，那么借助燃氣輪機來滿足實際的用電負荷需求；如果電力不足，相應設置的蓄電池可以用于電力補充；如果電力需求依舊無法得到滿足，那么這個混合儲能系統則可以從電網中購買電力。圖4基于電天然氣熱混合儲能的供能系統簡圖

圖5則是基于“電氫氣熱”構成的混合儲能系統，主要能量轉換裝置包括電解池、燃料電池、電加熱設備等。在電價處于谷期的時候，相應系統能夠從電網進行低價電購入，并將它們存儲到蓄電池之中。基于有關能量轉換裝置的應用，可以將相應電能向氫氣、熱能方面進行轉化，之后再將它們進行存儲。用戶可以利用自身的電負荷基于風力發電方式來加以滿足。在電價處于高峰期的時候，蓄熱罐能夠進行防熱操作來確保用戶方面的熱負荷需求得到有效滿足；針對用戶關于電負荷方面的需求，可以基于光伏發電或蓄電池放電的方式，融合儲氫罐放氣操作來向燃料電池方面進行供電操作，而多余出來的電能則可以向電網方向出售，保障儲能便利性與有效性。

圖5基于電氫氣熱混合儲能的供能系統簡圖

2.4其他混合儲能方式

除了上述這3種比較多用的混合儲能方式之外，

還涉及“電熱冷”和“電熱冷氣”等混合儲能方式。電制冷機在運行中能量利用效率高，可以在電價處于較低的谷期時刻進行冷負荷存儲，以對高電價時刻的峰期進行有效應對，保證整個混合儲能系統實際運行的經濟性。對吸收式制冷機而言，其具有相對有限的容量和運行效率，但是卻能夠對多余供熱量進行有效回收，這使得其在制冷領域中得到了廣泛應用。此外，熱泵技術應用下的能源可以得到充分利用，保障它們在運行階段具備良好的環保特性；熱泵也可以進行制冷操作或供熱操作，這對系統初始運行成本進行有效控制，所以是當前混合儲能系統中廣泛應用的一種技術。同水蓄冷方式相比，冰蓄冷技術的蓄冷密度更高，同時也可以高效地轉移電力負荷高峰，所以在當前混合儲能系統中廣泛應用了該種技術。其中蓄冷罐是最為多用的一種儲冷裝置，但是為了改善其經濟效益，也可以借助“一罐兩用”的功能運用來改善蓄熱罐的使用效能，同時一罐兩用（蓄冷和蓄熱）的設計方式可以對系統運行成本進行控制，增加整體運行經濟效益。

3結語

混合儲能技術作為新型的能源存儲和管理方式，在建筑能源系統中具有廣泛的應用前景。而作為混合儲能技術的核心，其儲能匹配方式至關重要，常用的包括“電熱”“電氣”和“電熱氣”等多種匹配方式，具體可以結合實際應用需求和情況進行合理確定。深入研究和優化混合儲能技術，有望進一步提升建筑能源系統的效率和穩定性，為社會的可持續發展做出貢獻。

參考文獻：

［1］葉從周.聚類分析在公共建筑能源系統優化運行中的應用研究與網絡學習資源的開發與共享途徑［J］.建筑科技，2021，5（6）：5960.

［2］夏陽，金光，張立，等.基于建筑能源系統的混合儲能技術研究現狀［J］.儲能科學與技術，2021，10（6）：21692170.

基金項目：太原學院院級科研項目“建筑能源系統運行調度模型開發”（23TYQN17）

作者簡介：文麗，女，山西太原人，助教，碩士，研究方向：綜合能源系統。