17、建筑中的能源调度与灵活性量化

建筑中的能源调度与灵活性量化

1 积极能源建筑的新兴可能性

全球气候变化问题促使人们采取诸多行动，以减少人类活动对环境的影响。目前，各类建筑（如住宅、办公室、医院、公共大厅和仓库）的建设、维护和使用，约占欧盟能源消耗的 40% 和二氧化碳排放的 36%。因此，为提高现有和未来建筑的能源效率，众多举措应运而生。不过，这是一个极其跨学科的课题，涉及从材料与建筑技术到人体工程学和环境可持续性等多方面专业知识，找到兼具能源效率和成本效益的最佳解决方案颇具挑战。

世界各地有许多项目展示了从节能建筑向近零能耗建筑（nZEB）的发展。尽管不同地区对 nZEB 的定义有所差异，但普遍认为此类建筑应减少化石燃料的使用，年能耗应降至最低或接近零，即年能耗应接近年能源产量。同时，与标准建筑相比，nZEB 的建筑质量和用户体验/舒适度应尽量不受影响。

nZEB 需要具备良好隔热的热围护结构，并配备高性能的供暖、通风和空调（HVAC）系统，同时实现本地热能生产。显然，无论隔热和 HVAC 系统性能如何，要实现零能耗，建筑所需的部分能源需通过本地发电来满足，通常采用光伏发电（PV），PV 板可安装在屋顶、集成到建筑的各个表面或设置在附近。一些研究表明，地源热泵（地热）与 PV 的结合是成本最优的可再生能源系统之一，且易于在现场实现。由于 PV 产生的电能易于输送到电网并满足建筑的能源需求，因此该技术对 nZEB 至关重要。

理论上，通过足够的本地能源生产并将其输入电网，建筑可以实现净零能耗，甚至成为能源正向建筑。然而，高度依赖电能输出的建筑，其输入/输出功率曲线会出现显著波动，这可能影响电网稳定性，尤其是在大规模应用 nZEB 的情况下。

在欧盟，欧洲委员会根据四个气候区制定了不同的要求，这些建议综合考虑了建筑本身的能源效率和当地可再生能源再生情况。值得注意的是，欧盟指令中的 nZEB 应用大多侧重于新建筑，但也有对现有建筑进行改造以提高能源效率的相关建议和计划。

近零能耗建筑概念的进一步发展是积极能源建筑（PEB）。尽管目前尚无官方定义，但可以概括出其一些特性和特点：
- 能够产生足够的能源，不仅满足自身需求，还能为消费设备甚至电动汽车供电。
- 为周边其他建筑提供能源支持，有望实现社区层面的能源中立甚至能源正向。
- 积极管理能源的消耗、生产和存储，以系统方法实现性能最大化。
- 建立复杂的能源合作伙伴关系，为电网运营商和公用事业公司提供新服务。
- 不局限于逐年能源平衡，追求全时段能源正向，在能源产量低时可能使用生物质作为燃料。

PEB 的概念意味着一系列特性无法仅通过先进材料和可再生能源实现。其最突出的特性之一是能够随时控制能源的生产和消耗，这可通过本地能源存储和需求响应计划来实现。

具有 PV 发电和电池储能系统（BESS）的建筑具有典型特征，BESS 能有效平滑建筑的能耗曲线。尽管住宅 BESS 市场仍在形成中，但已有多家制造商推出了一系列商用 BESS 解决方案，如下表所示：
| 制造商/型号 | 最大储能容量（kWh） | 充放电功率（kW） | 电池电压（V） | 耦合方式 |
| — | — | — | — | — |
| Tesla PowerWall | 13.5 | 5 | 50 | AC |
| Sonnen Batterie Eco | 15 | 3.3 | 48 | AC |
| SolarEdge + RESU10H | 9.8 | 5 | 400 | AC/DC |
| Enphase Encharge 3 | 3.5 | 1.3 | 67 | AC |
| Enphase Encharge 10 | 10.5 | 3.8 | - | - |
| Nissan/Eaton xStorage | 4.2 … 10 | 3.6 … 6 | 90 | AC/DC |
| Varta Pulse/Pulse Neo 3 | 3.3 | 1.6/1.4 | 50 | AC |
| Varta Pulse/Pulse Neo 6 | 6.5 | 2.5/2.3 | - | - |
| Sunny Boy Storage（外部电池） | 3.7/5/6 | - | 360 | AC |
| Victron Energy EasySolar（外部电池） | 0.9/1.7/3.5 | 12.8 - 51.2 | DC |

然而，尽管价格有所下降且有政府扶持，但由于投资成本高和使用寿命有限，许多基于锂离子电池的典型家用储能系统的经济可行性仍不明显。在许多地区，BESS 的预计使用寿命约为 10 年。因此，开发复杂的能源流控制方法并充分利用现有资源至关重要。一些研究表明，电池和 HVAC 系统的协同运行可以降低电池容量需求（及投资成本）。为减少可再生能源发电对电网的影响并提高社区的灵活性，有人提出了基于聚类的方法。

BESS 的成本效益受调度方法和能源管理的影响很大。BESS 调度的基本原则是，当现场发电量高于负载时，电池充电至最大荷电状态（SoC）；反之则放电至最低状态。此外，还可以设定其他目标，如最大化自消费和最小化能源成本。

2 建筑能源管理的调度方法

近年来，在许多地区的可再生能源（RES）新范式下，住宅规模的 BESS 在学术界和工业界都引起了广泛关注。这主要得益于可变可再生能源发电的快速发展，其大幅增加了电力系统（PSs）对灵活资源的需求。此外，BESS 技术的资本成本下降也是一个重要因素。随着 BESS 数量的增加，如何最佳运行 BESS 以满足不同利益相关者的需求成为亟待解决的问题。

不同类型的 BESS 应用于天然气、电力和区域供热网络，为直接使用存储设备的网络以及通过耦合组件与之相连的所有网络提供运行灵活性支持。在智能能源系统中，需要制定适当的控制策略，以利用这些准动态交互来提高不同能源载体的灵活性。

同时，欧盟设定了到 2050 年所有建筑都必须达到 nZEB 标准的目标，并规定 nZEB 中必须使用一定比例的 RES。在 nZEB 中，能源消耗并不均匀，一些受用户行为和习惯影响较小的电器在能源管理方面具有更大的灵活性。nZEB 不同能源管理之间的协调对于维持电网效率至关重要，否则，在非协调的能源管理方案下，当电价较低时可能会形成新的用电高峰。

IEA - EBC 附件 67“能源灵活建筑”对不同建筑的能源灵活性以及如何实现这种灵活性进行了研究。该附件的结论阶段表明，从需求侧提高能源灵活性（EF）的最重要领域是从单个建筑扩展到建筑集群（聚合），这也是下一附件 82（2020 - 2024）的重点。由于 nZEB 的容量通常不足以参与电力市场，因此聚合商作为中介，将这些 nZEB 的灵活性进行货币化。

下图展示了 nZEB 优化调度中的数据流，而太阳能 PV - BESS 能源管理系统的示意图包含以下组件：

graph LR
    A[负荷消耗] --> C[nZEB 优化调度]
    B[电价] --> C
    D[SOC] --> C
    E[存储参数] --> C
    F[自消费] --> C
    G[峰值需求] --> C
    H[投资回报率] --> C
    I[PV 发电] --> C

• nZEB 能源管理单元：控制能源流，支持 PV - BESS 概念。该单元接收分时电价（TOU）、BESS 状态和负荷预测信息，以优化 BESS 运行。
• 屋顶 PV 面板：将产生的能量输送到 nZEB 能源管理单元，满足家庭能源需求。
• BESS：具备存储 PV 面板能量或在需要时释放能量的能力。
• 住宅电器：消耗电能。

通过天气和短期负荷外部预测系统，可以获取 PV 和家庭负荷的每日预测信息。

以爱沙尼亚的一个住宅 nZEB 为例进行分析，该地区平均海拔仅 61 米，许多建筑靠近海岸，其消费模式代表了一个有两个成年人和两个孩子的家庭。展示了 2019 年 1 月 1 日至 12 月 31 日 5kW PV 单元的每小时发电图表，以及基于爱沙尼亚 BESS - PV 系统技术参数和 2019 年电力零售经济参数的表格：
| 参数 | 值 |
| — | — |
| PV 峰值功率 | 1 - 5kWp |
| 电池储能容量 | 5kWh |
| 电池投资成本 | 100（欧元/kWh） |
| PV 投资成本 | 1000（欧元/kWp） |
| 白天电价 | 0.039251（欧元/kWh） |
| 夜间电价 | 0.025989（欧元/kWh） |
| 高峰电价时间范围 | 07:00 - 23:59 |
| 低谷电价时间范围 | 00:00 - 07:00 |

使用简单的分析优化调度方法来最大化自消费，结果显示 BESS 在白天 PV 发电时充电，在夜间负荷消耗较大时放电。

3 建筑能源灵活性的量化方法

随着可再生能源在电力系统中的并网比例不断增加，灵活性对于当前和未来的电力系统至关重要。主要挑战在于管理可再生能源给电力平衡带来的更大可变性和不确定性。

灵活性是电力系统中的一个新概念，已得到国际能源署（IEA）、北美电力可靠性公司（NERC）和国际可再生能源机构（IRENA）等组织的官方认可。它可以定义为电力系统应对供需预期和意外变化的能力，这一概念有助于提高电网稳定性和可再生能源的整合度。直观来看，可再生能源在电力系统中的占比增加，对灵活性的需求也随之增加。电网频率波动、区域平衡违规、负市场价格和价格波动等都是缺乏灵活性的重要表现。

目前，相关研究主要集中在从需求侧规划、调度和利用灵活性，也有对发电单元和大规模储能系统（ESS）的研究。需求侧灵活性（DSF）指的是消费端根据控制信号调整用电量的能力，这些控制信号可能来自聚合商向智能电表发送的外部信号（惩罚），也可能来自家庭能源管理系统（HEMS）的内部控制信号。有研究对德国灵活资源响应日前和日内市场短期价格变化所能获得的净收入进行了量化，还有研究估计北欧国家（瑞典、丹麦、挪威、芬兰、爱沙尼亚、拉脱维亚和立陶宛）的灵活性为 12 - 23GW，占该地区峰值负荷的 15 - 30%。

能源灵活性的量化方法有多种，具体方法取决于要测量的灵活性类型，没有一种方法适用于所有情况。使用灵活性包络概念是应用较为广泛的方法之一，该方法通过评估在给定时间段内功率可增加或减少的程度来衡量能源灵活性，同时考虑用户舒适度或系统约束等因素。

建筑或设备的灵活性取决于多个因素，包括当前的能源状态、与约束条件的距离以及达到约束条件或特定状态所需的剩余时间。这种方法的缺点是需要指定系统的初始和最终状态，它更侧重于指示灵活性潜力，而非作为调度方法。

能源消耗在经济中起着重要作用，对环境也有重大影响，因此优化能源使用是可持续发展的重要目标。随着智能电表的广泛应用和先进数据分析技术的发展，人们可以开展从了解能源消耗模式到利用需求侧能源灵活性等多种应用。

预测建筑（尤其是 nZEB 和近零能耗区（nZED）中的建筑）的能源灵活性，需要考虑多个参数，如天气、电力生产和需求、电网约束和市场价格，以及建筑通风和供暖系统的特性、控制系统、智能电器、ESS 的可用容量、居住者的行为及其改变使用模式和共享灵活负荷的意愿。

传统的数据分析方法（如计算数据平均值）在处理大量数据时效率较低，因此机器学习（ML）方法被认为是处理大数据集的有力工具。确定每个 nZEB 的能源灵活性需要了解灵活电器的功率消耗和用户的使用行为。获取这些信息最简单的方法是侵入式方法，即在所有电器上安装传感器，但这种方法成本高、耗时长，还可能给租户带来不适。为克服这些问题，可以采用非侵入式负荷监测（NILM）技术，通过分析智能电表的总有功和无功数据来提取电器的消耗信号。

在 nZED 中利用能源灵活性还面临缺乏标准灵活性表征指标的问题。虽然有一些欧盟委员会的项目关注电力系统灵活性的不同方面，但现有的指标仍未解决整体需求聚合的时间变化问题。而且，将能源灵活性视为每个时间点的静态函数的常见方法存在疑问，因为能源系统并非处于稳定状态。尽管研究广泛，但负荷预测和能源灵活性表征仍然是难题。

在 nZED 中，多种能源技术（如电力电子、HVAC、热泵、区域供热、电动汽车和电网）通过通信技术相互连接，形成了一个跨学科、多领域的系统。不同的仿真软件通常只能评估系统组件集成的一个子领域，而对其他领域进行简化处理。协同仿真通过将在各自原生环境中描述和求解的子领域模型进行耦合，克服了这一问题，它使用专业求解器和经过验证的库。其流程如下：

graph LR
    A[子领域模型1] --> C[协同仿真平台]
    B[子领域模型2] --> C
    C --> D[输出结果]

4 结论与未来展望

分布式可再生能源的大量增加和交通运输的电气化，给电力系统带来了新的挑战，也催生了对更灵活、更具成本效益的电力系统管理方法的需求。这进一步推动了灵活性服务市场的发展，需要建立新的方法和愿景。

清洁能源指令指出，应建立支持性监管框架，鼓励网络运营商在网络开发和管理中使用灵活性服务。同时，输电系统运营商（TSO）、配电系统运营商（DSO）和聚合商之间应创建尽可能统一的灵活性市场产品。

不同的方法可用于表征和量化每个设备的能源灵活性，但在住宅建筑方面存在一些不足，例如仅考虑智能电器、使用内部系统，以及未充分考虑用户的使用行为和使用模式的不确定性等。未来的研究需要解决这些问题，以更好地实现建筑能源的高效管理和灵活性的充分利用。

总体而言，随着能源领域的不断发展，建筑能源管理和灵活性量化将在实现可持续能源系统中发挥越来越重要的作用。通过不断改进技术和管理方法，有望提高建筑的能源效率，减少对环境的影响，并为电力系统的稳定运行做出贡献。