國際能源署近日發(fā)表文章探討電網(wǎng)交互式節(jié)能建筑的發(fā)展圖景,并指出為實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型,發(fā)展節(jié)能高效、柔性用電的建筑是必經(jīng)之路。
如今,建筑用能占到全球終端能源消費(fèi)的30%和終端電力需求的超過50%。特別是對發(fā)展中國家來說,建筑用能增長迅速。隨著電力接入和收入的增長,購買空調(diào)等家電的人數(shù)不斷增加。而且伴隨溫度升高,使用空調(diào)頻率也更高。
目前全球建筑面積正爆發(fā)式增長,若想滿足世界能源體系的安全性和可持續(xù)性,必須兼顧節(jié)能高效和柔性用電兩個(gè)方面。而隨著節(jié)能政策的優(yōu)化和偏重,未來建筑部門可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源消耗減少和供能質(zhì)量提高兩個(gè)目標(biāo)。
電氣化和可再生能源增長正改變建筑用能的方式。
圖1 2022和2050年部分國家和地區(qū)建筑用電峰值負(fù)荷及不同終端用電的分布
來源:國際能源署
數(shù)據(jù)顯示,隨著經(jīng)濟(jì)活動增加和電氣化程度擴(kuò)大,建筑耗能越來越大,家用熱泵和電動汽車充電樁數(shù)量增長。從2015到20233年,家用熱泵銷售量翻了三倍。2023年一整年,電動汽車占到全球汽車銷售的五分之一,這些電動汽車絕大多數(shù)都需要在住宅和工作場所充電。
電動汽車的廣泛使用,有助于實(shí)現(xiàn)2050凈零排放和巴黎協(xié)定目標(biāo),但也會增加用電需求。國際能源署預(yù)計(jì),未來十年內(nèi),在世界所有地區(qū),建筑用電的峰值負(fù)荷都將增加。
而在空間制冷需求擴(kuò)大的國家,建筑用電增加更為明顯。例如,到2050年,印度的空調(diào)用戶預(yù)計(jì)翻十倍,帶來建筑用電峰值負(fù)荷翻六倍。而如果使用更為節(jié)能高效的建筑設(shè)計(jì)和更為嚴(yán)格的家電最低能效標(biāo)準(zhǔn),空調(diào)系統(tǒng)帶來的峰值負(fù)荷壓力將緩解至少一半。
同時(shí),伴隨風(fēng)電和光伏裝機(jī)的擴(kuò)張,電力供應(yīng)越來越依賴于天氣變化。系統(tǒng)性超量發(fā)電和長時(shí)間低發(fā)電水平會變得更為普遍。要減緩這些波動,加大柔性交互是關(guān)鍵。
國際能源署認(rèn)為,面對以上這些問題,建筑可以成為解決之道,為能源系統(tǒng)提供更多柔性交互。
建筑可承載各種分布式能源,例如可再生能源就地發(fā)電和儲能、電動汽車的智慧充電,以及其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。并且,這些設(shè)備可以柔性用電,只要可以從電網(wǎng)接收信號并據(jù)此調(diào)整自身用能需求。
為實(shí)現(xiàn)這些構(gòu)想,建筑需要更為節(jié)能高效,同時(shí)加大與電網(wǎng)的交互。第一步是節(jié)能高效,建筑需要高效的節(jié)能外殼和節(jié)能設(shè)備。第二步,建筑上可以安裝光伏系統(tǒng)及儲能裝置。進(jìn)一步,家電可以安裝智能傳感器、控制器、分析設(shè)備及其他數(shù)字化解決方案,并嵌入建筑的能源管理系統(tǒng),或直接嵌入電網(wǎng),以實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)的交互。
國際能源署分析數(shù)據(jù)顯示,通過靈活運(yùn)用分時(shí)電價(jià)(如多在非高峰時(shí)間段用能,為汽車充電、使用熱水器等),到2050年,發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體可以減少7%-12%的家庭電費(fèi),發(fā)展中和新興經(jīng)濟(jì)體可以減少將近20%的家庭電費(fèi)。
圖2 2022和2050年印度和印度尼西亞的建筑用電峰值負(fù)荷及不同用電終端的分布
來源:國際能源署
為了真正降低電費(fèi),使人們從中受益,建筑必須能與電網(wǎng)雙向通信。
電網(wǎng)和建筑之間需要雙向通信來實(shí)現(xiàn)有效交互。比如,家電可以安裝一些對電網(wǎng)信號自動應(yīng)答的特殊設(shè)備。有預(yù)測認(rèn)為,到2030年,建筑中帶有自動控制和自動傳感器的智能電表和其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將擴(kuò)大約一倍。
目前,英國出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),用以規(guī)范可以從其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接收用能相關(guān)指令的家電智能通信接口。澳大利亞推出了一項(xiàng)滿足需求響應(yīng)的設(shè)備,是一種可以根據(jù)從電網(wǎng)接收的信號來調(diào)整家電用能的智能通信接口。
一些帶有如EcoPort等特殊標(biāo)簽的設(shè)備,則加裝了專門用于和電網(wǎng)通信的控制模塊。目前,美國華盛頓、俄勒岡和科羅拉多州要求新的電熱水器必須安裝智能通信接口,以便于電力公司實(shí)行需求響應(yīng)。澳大利亞和新西蘭則強(qiáng)制要求一些特定型號空調(diào)的能源標(biāo)簽標(biāo)明產(chǎn)品的需求響應(yīng)能力。
圖3 2030和2050年需求響應(yīng)可為家庭節(jié)省的電費(fèi)(%)
來源:國際能源署
建筑自身的能源管理系統(tǒng)也可以發(fā)揮作用,參與智能家電監(jiān)控、電動汽車智慧充電、以及太陽能就地發(fā)電和存儲。通過開放通信協(xié)議,建筑和電網(wǎng)可以建立雙向通信和自動控制,用以調(diào)節(jié)分布式電源接入可能造成的電壓和質(zhì)量波動問題。
建筑和電網(wǎng)交互,將帶來更多可能性。
建筑和電網(wǎng)交互可能帶來能源需求、碳排放和電力系統(tǒng)成本同時(shí)降低。一項(xiàng)美國的官方研究表明,如果電網(wǎng)交互式節(jié)能建筑大范圍推廣,可以在高峰時(shí)段減少116吉瓦能耗,相當(dāng)于減少超過200座大型發(fā)電站的發(fā)電量;到2030年期間每年減少8000萬噸碳排放;在未來20年內(nèi)為電力系統(tǒng)節(jié)省1000億-2000億美元。在美國阿拉巴馬州的一個(gè)智能社區(qū),節(jié)能家庭的微電網(wǎng)與制熱和制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互,并為家庭太陽能發(fā)電、用電和儲能提供最佳方案。采用這種節(jié)能高效、柔性用電方案的家庭,其能耗比沒有采用這種方案的家庭低35%到45%。
圖4 2030年和2050年不同終端用電在需求響應(yīng)為家庭節(jié)省電費(fèi)中的占比
來源:國際能源署
另外,電網(wǎng)調(diào)度不僅可以納入個(gè)人設(shè)備,還可以納入包括虛擬電廠在內(nèi)的智能聚合,現(xiàn)在東南亞地區(qū)已經(jīng)有一些示范項(xiàng)目。
為實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效和柔性用電,相關(guān)政策需要跟上。
建筑相關(guān)的法律法規(guī)可以做一些硬性規(guī)定,使得空間和預(yù)布線的設(shè)計(jì)方便未來熱泵、電動汽車充電站、太陽能光伏系統(tǒng)和儲能電池等設(shè)施的安裝。
當(dāng)然,實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能高效和柔性用電并不容易實(shí)現(xiàn)。國際能源署認(rèn)為,正確的政策組合,輔以硬性節(jié)能要求、軟性操作實(shí)踐、及需求響應(yīng)方案,是促進(jìn)節(jié)電網(wǎng)交互式節(jié)能建筑發(fā)展的必要環(huán)節(jié)。同時(shí),想要實(shí)現(xiàn)將智能傳感器和智能控制嵌入到建筑能源管理系統(tǒng)中,同樣離不開政策的支持和推動。
原標(biāo)題:國際能源署:清潔能源轉(zhuǎn)型離不開電網(wǎng)交互式節(jié)能建筑