凈零建筑的策略：太陽能儲能與熱電混合

凈零建筑的策略：太陽能儲能與熱電混合

隨著凈零建筑目標在全球的推進，太陽能儲能與熱能系統(tǒng)的結(jié)合成為降低能耗、提升建筑韌性的有效手段。通過將現(xiàn)場太陽能發(fā)電（如光伏發(fā)電，PV）、儲能（電池或儲熱罐）與高效熱能技術（如太陽能集熱器、相變材料、地熱熱泵等）相結(jié)合，可將能源需求從化石燃料轉(zhuǎn)移，降低峰值電力負荷，提高建筑效率，并在停電期間持續(xù)運行。以下是三種主要策略及其應用：

策略一：電池和熱泵混合光伏熱能系統(tǒng)（PVT）

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

工作原理：PVT集熱器在同一屋頂區(qū)域同時產(chǎn)生電能和熱能。陽光產(chǎn)生直流電并加熱液體，電池儲存多余光伏電能，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)境熱量進一步提高效率，例如將PVT電池板預熱的空氣或水升溫至60-80°C，用于空間供暖或熱水，相比獨立系統(tǒng)可減少總體一次能源消耗。

需求減少：現(xiàn)場太陽能/電池供電可滿足日間用電需求，并為熱能儲存系統(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。例如，先進的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、電池和熱能儲存相結(jié)合，可在停電時提供備用電源和供暖。本地能源生產(chǎn)減少了對外部燃料供應的依賴，并避免了服務完全中斷?；旌舷到y(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行熱泵。

主要優(yōu)勢：

案例：無錫（國家）軟件園五期9號樓實現(xiàn)了近零能耗，通過安裝PVT系統(tǒng)，充分利用太陽能進行發(fā)電和供熱，結(jié)合高效的熱泵技術，滿足了建筑的大部分能源需求。

策略二：光伏相變材料儲熱（PCM）

系統(tǒng)組成：太陽能光伏、電池、集成到建筑圍護結(jié)構(gòu)（墻壁、地板、天花板）或?qū)Ｓ脙δ軉卧械南嘧儾牧希≒CM）。

能源效率：PCM在融化/凍結(jié)過程中儲存大量熱量或冷量，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儲能與高效電器（如熱泵或光伏供電的LED照明）結(jié)合，可進一步提升效率。

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

韌性提升：PCM無需電力即可儲存熱能，停電時可更長時間保持舒適。熱浪來襲時，融化的PCM吸收熱量，防止室內(nèi)溫度快速升高；寒流來襲時，凝固的PCM緩慢釋放熱量。此外，PCM系統(tǒng)可與太陽能儲能協(xié)同工作，例如光伏供電的HVAC系統(tǒng)可在夜間利用儲存的電池能量“預冷”PCM，為建筑物第二天的運行做好準備。

主要優(yōu)勢：

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

策略三：利用太陽能光伏和電池的地源地熱熱泵（GSHP）

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?？蓪崿F(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)動的建筑所需的電力遠低于傳統(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：用地源熱泵取代燃氣鍋爐或低效加熱器，將化石燃料負荷轉(zhuǎn)化為高效的電力負荷，并由太陽能滿足需求。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)需要運行熱泵。例如，家庭可利用中午太陽能運行地熱熱泵，將電能儲存在電池中，夜間利用儲存電能供暖，使供暖需求與太陽能發(fā)電量保持一致。在微電網(wǎng)層面，電池儲能系統(tǒng)可平滑變化的光伏輸出，為地源熱泵和其他負載提供穩(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）通過共享基礎設施，效率可超過500%，提高整個社區(qū)的能源彈性。

韌性提升：地源熱泵通過多種方式提升韌性。首先，地面環(huán)路提供熱能儲存，地球本身就像一個季節(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，擁有現(xiàn)場光伏系統(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)運行（取決于電池容量）。例如，采用光伏+儲能的全電地熱供暖系統(tǒng)可在電網(wǎng)斷電時保持地板溫暖并維持通風。最后，地源熱泵非常耐用（地面回路使用壽命超過50年），維護成本低，降低了運行風險。相比燃料輸送或燃燒，回路和熱交換器的固態(tài)特性也意味著單點故障更少。

主要優(yōu)勢：

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

總結(jié)

將太陽能發(fā)電、儲能和熱能系統(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“太陽能儲能”（電池或熱能電池）與熱能技術相結(jié)合，以降低建筑的能源需求并提高建筑韌性。通過將這些策略融入設計，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——太陽能和電池成本下降、支持性政策以及日益增長的韌性擔憂——正在推動此類系統(tǒng)的更廣泛應用?；旌咸柲?儲能和熱能解決方案是當今實現(xiàn)節(jié)能、凈零排放建筑的關鍵措施。

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