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光储直柔系统视角下的热泵开发需求

文摘   2024-10-18 16:31   上海  
编者按：“热泵多能互补技术论坛“在“2024中国热泵行业年会暨第十三届国际热泵行业发展高峰论坛”期间召开。论坛上，深圳市建筑科学研究院股份有限公司副总工、教授级高工郝斌分享了《光储直柔系统视角下的热泵开发需求》主题报告。报告内容如下：
深圳市建筑科学研究院股份有限公司副总工、教授级高工郝斌
大家好。今天我分享的主题是《光储直柔系统视角下的热泵开发需求》。热泵近期备受瞩目，若电价能如北京某些时段低至一毛钱，其年增长率翻倍并非难事。但现实是电价普遍较高，热泵作为脱碳工具，其核心在于电力来源及碳足迹。这两者目前看似独立，未来却将深度融合，形成“光储直柔”的大趋势。
关于“光储直柔”，大家可能从字面意义上理解为包含四个要素。但今天，我更想与大家重点分享最后一个字“柔”——即如何通过构建一个直流微网系统，将光伏、储能以及热泵紧密相连，最终实现柔性。

PEDF技术发展背景

谈及光储系统的发展背景，我们首先要认识到热泵离不开电力供应。因此，今天讨论的重点将更多聚焦于电力问题。未来我国风电和光伏的装机容量预计将达到80%，而在电量方面则占60%。这意味着什么呢？
仅凭数字难以直观感受，但此下图能清晰展示现状与未来的电力供需变化。目前，白天电力常显不足，夜晚则相对充裕。然而，未来这一状况将改变，特别是前半夜可能出现电力短缺，因为风能多在后半夜增强，太阳能在傍晚消退。从全年来看，冬季的电力短缺将尤为明显，北半球冬季太阳辐射弱且水资源枯水，导致风能和太阳能供应均减少。
面对全年及每日电力供需的复杂变化，我们迎来巨大挑战，这也是新型电力系统面临的现实问题。电网数据显示，电力系统目前负荷预测准确率高达98%。相比之下，新能源的预测准确率较低，目前仅为85%，即便进行日内滚动预测，也仅提升至92%。
那么我们再展望未来，当风能和光能发展到如此高的比例后，我们的微电网和电网形态将会发生怎样的变化呢？过去的电网主要是从电源向千家万户单向输电，但未来，电网将转变为一种网状结构。在这种结构中，每个参与者都既是发电者，又是用电者，甚至还可以成为调节者，形成一种“我中有你，你中有我”的微电网形态。
在这个过程中，驱动力也在不断变化。过去，我们的主要目标是确保电力供应；现在，我们依然追求供电的可靠性；然而，在未来，我们将更加注重绿色和低碳的发展。
大家或许不解，电力与我们有何关联？观察欧洲实时电价市场可知，电价一天内大幅波动。绿色线条显示，可再生能源发电增加则电价降低，反之则电价飙升。若忽视这些波动，在高峰时段使用热泵，其推广的可行性将受质疑。因此，了解电力市场动态对合理使用能源，特别是推广热泵等节能技术，至关重要。
正是在这样的背景下，我们观察到国家近期密集出台了一系列相关政策。最早在2021年10月，国家就提出了建设光储直柔系统的构想，提高建筑终端的电气化水平，实现光伏发电、储能、直流配电及柔性用电的一体化。此后，国家又发布了一系列文件和标准，从科技和规范等多个方面对这一领域给予了大力支持。
在去年能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书》。

光储直柔是建筑节能新方向

近期国家发布了关于加快新型电力系统建设的政策。其中，许多术语是过去未曾提及，比如“供需、协同、灵活、智能”，以及“主配微网协同的新型有源配电网调度模式”。将原始用能曲线（黑色）优化为更节能的形态（蓝色），企业已展示节能成效，比如从60度电降至40度。但未来，核心在于将蓝色曲线进一步调整为黄色，即保持总能耗不变（如8000度电），通过改变用电时段创造更大价值。
我们的空调——也就是今天讨论的热泵，具有出色的特性。从电力系统的角度看，它既是可中断的负载，也是可迁移和可调节的。因此，理论上，我们可以利用热泵实现用能的“搬家”，即调整用电时段。
当节能达到一定程度，比如每平方米采暖电耗降至30或40度电后，再降低一度电都极为困难。然而，我们现在所做的，是让这有限的电能“搬家”，即调整其使用时间。如果能将20或30度电的使用时间在全天内灵活调整，其收益将更为显著。因为未来的电源一旦安装，只要有风和太阳就能发电，不用就是浪费。
实际上，我们有个公共建筑电价案例。通过空调、充电桩等设备，我们实现了电能的灵活调度，形象地称之为“电能搬家”。
最后我们的度电的成本降低了56%，这就是我们搬家所实实实在在带给我们的最大的收益。
为何这算是节能？当前，风光发电装机容量已超火电，以10亿千瓦计，若弃光弃风率达5%，则年浪费电量约800亿度，相当于大半个北京全年用电量。有效利用这些电能，节能效果显著。
要与电力系统建立联系，我们需采用其专业语言。在调节时，电力系统会依据时间尺度进行划分，可能是日前调节、小时调节、分钟调节，甚至是调频服务，每种服务的要求都截然不同。
目前，我们与电力系统沟通时，评估热泵调节主要通过单次调节和连续调节两种方式。单次调节注重调节能力，即降低峰值负荷的百分比，如20%或30%；连续调节则看重维持时间，如能否持续一至两小时。同时，还需考虑实现这些调节的成本。
事实上，我们的热泵系统完全能够实现负荷调节，尤其是多联机系统。若采用水机系统，其稳定性更佳。因此，我们的热泵在调节速率、持续时间以及上下调节能力上都表现出色。
简而言之，未来建筑与电力需携手并进以实现零碳目标。各自为政将增加成本。零碳是一个动态趋零的过程，而非绝对零排放。建筑行业与热泵行业应与电力行业紧密合作。
热泵开发需求
谈及未来热泵的发展，当前光储直柔、光储交柔等技术备受关注，直流化成为一大焦点。尽管交流电曾占据主导，但如今终端设备如会议室设备、照明、笔记本电脑等多已采用直流，分布式电源如光伏和电动车也采用直流。因此，直流化议题再次受到重视。
我们现在推进直流技术，主要是出于其简洁与安全两大优势。
更关键的是效率问题。省去整流环节后，再加上电压调整，系统效率将大幅提升。
重要的一点是，黑色线显示电压波动，反映可再生能源供需变化。与交流系统调频不同，直流系统通过电压调节供需矛盾。如太阳能充足时电压升，热泵等设备自动调功，实现高效运行，这是直流配电的优势。
在推进直流化的过程中，我们重点关注三项：照明、热泵（空调）和充电桩。抓住这三项，就能解决大约50%的负荷和能耗问题，其他项目可根据情况灵活选择。
我目前正承担国家重点研发计划的项目，专注于建筑直流配电系统的研发。同时，我也参与直流机电设备的研发，特别是热泵的直流化和光伏直驱技术。建筑配电系统需与光伏和终端设备紧密结合。对热泵而言，关键在于实现直流化和柔性化。
直流化方面，企业主要有两种做法：一种是彻底直流化，将所有四通阀、继电器等换成直流，并去除整流器，实现单一端口直流供电；另一种是部分直流化，仅将整流后的直流电引出，但内部阀体等仍为交流配件。尽管方式不同，但直流化相对容易实现，且已有相应的电压等级范围。
未来电力系统中新能源占比增加，存在大量电感电容。设备需与系统匹配，能自动加减载，甚至离网运行，以满足多种要求。
涉及直流母线电压的柔性调节。目前我们关注每平米用电量，但未来更看重何时用电。如果热泵能让电力在不同时段灵活使用，将更具意义。
这是总结的一些情况，时间关系我们就不展开了。
目前，光储系统在全国范围内已有数百项工程得到良好应用，涵盖不同类型的公共建筑、市政照明、隧道、交通场站及产业园等。
最后用一句广告语结束分享：“你中有我，共享未来。”这句话很好地诠释了当今配电网的形态，也反映了我们共享的机制。感谢大家。

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