凈零建筑的策略：太陽(yáng)能儲(chǔ)能與熱電混合

凈零建筑的策略：太陽(yáng)能儲(chǔ)能與熱電混合

隨著凈零建筑目標(biāo)在全球的推進(jìn)，太陽(yáng)能儲(chǔ)能與熱能系統(tǒng)的結(jié)合成為降低能耗、提升建筑韌性的有效手段。通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)能發(fā)電（如光伏發(fā)電，PV）、儲(chǔ)能（電池或儲(chǔ)熱罐）與高效熱能技術(shù)（如太陽(yáng)能集熱器、相變材料、地?zé)釤岜玫龋┫嘟Y(jié)合，可將能源需求從化石燃料轉(zhuǎn)移，降低峰值電力負(fù)荷，提高建筑效率，并在停電期間持續(xù)運(yùn)行。以下是三種主要策略及其應(yīng)用：

策略一：電池和熱泵混合光伏熱能系統(tǒng)（PVT）

系統(tǒng)組成：PVT太陽(yáng)能屋頂、電池存儲(chǔ)、可逆熱泵、儲(chǔ)熱罐或地板加熱回路。

工作原理：PVT集熱器在同一屋頂區(qū)域同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能。陽(yáng)光產(chǎn)生直流電并加熱液體，電池儲(chǔ)存多余光伏電能，熱泵利用光伏熱能或地源提高水溫，熱水箱儲(chǔ)存熱水以備后用。

能源效率：PVT系統(tǒng)可最大限度提高單位屋頂面積的太陽(yáng)能產(chǎn)量，減少硬件成本和損耗。利用捕獲的熱量冷卻光伏電池可提高發(fā)電效率（輸出功率可提高5-15%）。熱泵利用環(huán)境熱量進(jìn)一步提高效率，例如將PVT電池板預(yù)熱的空氣或水升溫至60-80°C，用于空間供暖或熱水，相比獨(dú)立系統(tǒng)可減少總體一次能源消耗。

需求減少：現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)能/電池供電可滿足日間用電需求，并為熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)充電，平抑峰值需求。光伏發(fā)電（PVT）+熱泵混合系統(tǒng)可滿足大部分室內(nèi)供暖、制冷和電力需求，大幅減少電網(wǎng)采購(gòu)。例如，先進(jìn)的PVT系統(tǒng)與地暖結(jié)合，可滿足凈零能耗住宅100%的低溫供暖需求。

韌性提升：光伏發(fā)電、電池和熱能儲(chǔ)存相結(jié)合，可在停電時(shí)提供備用電源和供暖。本地能源生產(chǎn)減少了對(duì)外部燃料供應(yīng)的依賴，并避免了服務(wù)完全中斷。混合系統(tǒng)通常包含需求管理，例如智能控制器可在夜間選擇性地釋放熱水箱的熱量或運(yùn)行熱泵。

主要優(yōu)勢(shì)：

案例：無(wú)錫（國(guó)家）軟件園五期9號(hào)樓實(shí)現(xiàn)了近零能耗，通過(guò)安裝PVT系統(tǒng)，充分利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電和供熱，結(jié)合高效的熱泵技術(shù)，滿足了建筑的大部分能源需求。

策略二：光伏相變材料儲(chǔ)熱（PCM）

系統(tǒng)組成：太陽(yáng)能光伏、電池、集成到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻壁、地板、天花板）或?qū)Ｓ脙?chǔ)能單元中的相變材料（PCM）。

能源效率：PCM在融化/凍結(jié)過(guò)程中儲(chǔ)存大量熱量或冷量，可平衡室內(nèi)溫度。白天吸收多余熱量，夜間釋放熱量，保持更穩(wěn)定的溫度，降低峰值供暖/制冷需求。將PCM儲(chǔ)能與高效電器（如熱泵或光伏供電的LED照明）結(jié)合，可進(jìn)一步提升效率。

需求減少：白天的光伏電力可用于制冷（如制冰空調(diào)）或預(yù)熱熱源，儲(chǔ)存的冷量或熱量在夜間或高峰時(shí)段減少電池/電網(wǎng)的暖通空調(diào)（HVAC）功耗。PCM有助于調(diào)整熱負(fù)荷，使其與太陽(yáng)能供應(yīng)保持一致。被動(dòng)遮陽(yáng)涂層或閣樓中的嵌入式PCM可反射和儲(chǔ)存熱量，減少太陽(yáng)輻射熱增益。在某些氣候條件下，PCM集成可將暖通空調(diào)峰值負(fù)荷降低30%-50%，直接降低電網(wǎng)需求峰值。

韌性提升：PCM無(wú)需電力即可儲(chǔ)存熱能，停電時(shí)可更長(zhǎng)時(shí)間保持舒適。熱浪來(lái)襲時(shí)，融化的PCM吸收熱量，防止室內(nèi)溫度快速升高；寒流來(lái)襲時(shí)，凝固的PCM緩慢釋放熱量。此外，PCM系統(tǒng)可與太陽(yáng)能儲(chǔ)能協(xié)同工作，例如光伏供電的HVAC系統(tǒng)可在夜間利用儲(chǔ)存的電池能量“預(yù)冷”PCM，為建筑物第二天的運(yùn)行做好準(zhǔn)備。

主要優(yōu)勢(shì)：

案例：廣州環(huán)投福山環(huán)保能源有限公司建設(shè)的福山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園，通過(guò)在建筑中應(yīng)用PCM材料，有效降低了室內(nèi)溫度波動(dòng)，減少了暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

策略三：利用太陽(yáng)能光伏和電池的地源地?zé)釤岜茫℅SHP）

系統(tǒng)組成：地源熱泵、屋頂光伏系統(tǒng)、電池系統(tǒng)。

能源效率：地源熱泵（GSHP）在建筑物和地面之間傳遞熱量，通常可實(shí)現(xiàn)3-5的性能系數(shù)（COP），即效率為300%-500%。這意味著一單位電力可產(chǎn)生3-5單位的供暖或制冷能量。落基山研究所（RMI）指出，地源熱泵是“目前最高效、最具成本效益的暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)之一”，可降低能耗和排放。采用地源熱泵驅(qū)動(dòng)的建筑所需的電力遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電爐或空氣源熱泵。如果剩余電力需求由光伏和電池滿足，電網(wǎng)總能量將大幅下降。

需求減少：用地源熱泵取代燃?xì)忮仩t或低效加熱器，將化石燃料負(fù)荷轉(zhuǎn)化為高效的電力負(fù)荷，并由太陽(yáng)能滿足需求。白天的光伏輸出可直接為熱泵供電，并為電池充電，夜間根據(jù)需要運(yùn)行熱泵。例如，家庭可利用中午太陽(yáng)能運(yùn)行地?zé)釤岜?，將電能?chǔ)存在電池中，夜間利用儲(chǔ)存電能供暖，使供暖需求與太陽(yáng)能發(fā)電量保持一致。在微電網(wǎng)層面，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可平滑變化的光伏輸出，為地源熱泵和其他負(fù)載提供穩(wěn)定電力，顯著降低電網(wǎng)峰值需求。此外，大型地源熱泵系統(tǒng)（多棟建筑或社區(qū)規(guī)模）通過(guò)共享基礎(chǔ)設(shè)施，效率可超過(guò)500%，提高整個(gè)社區(qū)的能源彈性。

韌性提升：地源熱泵通過(guò)多種方式提升韌性。首先，地面環(huán)路提供熱能儲(chǔ)存，地球本身就像一個(gè)季節(jié)性電池，在冬季保暖，在夏季保冷。其次，由于GSHP采用電力驅(qū)動(dòng)，擁有現(xiàn)場(chǎng)光伏系統(tǒng)和電池意味著供暖/制冷系統(tǒng)即使在電網(wǎng)中斷的情況下也能繼續(xù)運(yùn)行（取決于電池容量）。例如，采用光伏+儲(chǔ)能的全電地?zé)峁┡到y(tǒng)可在電網(wǎng)斷電時(shí)保持地板溫暖并維持通風(fēng)。最后，地源熱泵非常耐用（地面回路使用壽命超過(guò)50年），維護(hù)成本低，降低了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。相比燃料輸送或燃燒，回路和熱交換器的固態(tài)特性也意味著單點(diǎn)故障更少。

主要優(yōu)勢(shì)：

案例：中建四局科創(chuàng)大廈項(xiàng)目位于廣州國(guó)際金融城東區(qū)，是國(guó)內(nèi)首座高度超150米的近零碳建筑。該項(xiàng)目通過(guò)結(jié)合地源熱泵和太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效的供暖和制冷，顯著降低了建筑能耗。

總結(jié)

將太陽(yáng)能發(fā)電、儲(chǔ)能和熱能系統(tǒng)相結(jié)合是邁向凈零建筑的有效途徑。上述三種混合策略均展示了如何將“太陽(yáng)能儲(chǔ)能”（電池或熱能電池）與熱能技術(shù)相結(jié)合，以降低建筑的能源需求并提高建筑韌性。通過(guò)將這些策略融入設(shè)計(jì)，住宅和商業(yè)建筑都可以大幅減少化石燃料的使用，降低峰值能源需求，即使在壓力之下也能保持舒適。全球主要趨勢(shì)——太陽(yáng)能和電池成本下降、支持性政策以及日益增長(zhǎng)的韌性擔(dān)憂——正在推動(dòng)此類系統(tǒng)的更廣泛應(yīng)用。混合太陽(yáng)能-儲(chǔ)能和熱能解決方案是當(dāng)今實(shí)現(xiàn)節(jié)能、凈零排放建筑的關(guān)鍵措施。

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