建筑是能源電力消費的重要主體。我國現(xiàn)有近500億平方米房屋，建筑面積70%為高能耗建筑。建筑用能正持續(xù)快速上升，所占社會能耗的比重不斷增大，目前的建筑能耗占比已上升至30%左右。

在低碳發(fā)展成為全球共識的背景下，建筑領(lǐng)域電氣化也成為未來發(fā)展趨勢。我國承諾二氧化碳力爭于2030年達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。有研究表明，建筑領(lǐng)域高度電氣化是能源系統(tǒng)低碳發(fā)展的前提。要實現(xiàn)巴黎協(xié)定的2度目標(biāo)乃至更嚴(yán)格的1.5度和碳中和目標(biāo)，建筑領(lǐng)域需要達(dá)到2個“90%”的目標(biāo)，即建筑用能量中電的比重90%和建筑用電量中非化石電的比重90%。

建筑節(jié)能是一個系統(tǒng)工程，必須在能源利用的各個環(huán)節(jié)和系統(tǒng)從規(guī)劃設(shè)計到運行的全過程中貫徹統(tǒng)籌。建筑電氣化的技術(shù)路徑不僅僅包括推進(jìn)電能替代、提高建筑電氣化率，還要促進(jìn)建筑配用電系統(tǒng)的發(fā)展，提高其靈活性、安全性、可靠性和高效性，從而適應(yīng)未來高比例的可再生能源滲透和差異化的供電服務(wù)需求。而且未來的建筑配用電系統(tǒng)也不再是單純的消費者，它將會與城市電網(wǎng)深度融合為電網(wǎng)提供支持和輔助服務(wù)，使能源系統(tǒng)直接受益；會與電動汽車、分布式發(fā)電等互相協(xié)同，靈活整合多種能源；并且促進(jìn)城市建設(shè)和新能源技術(shù)發(fā)展。 

雙碳目標(biāo)及新型電力系統(tǒng)的背景下，新型建筑配用電應(yīng)具備4項新技術(shù)與發(fā)展趨勢——光、儲、直、柔。 

圖1 新型建筑配用電系統(tǒng)

其中“光”和“儲”分別指分布式光伏和分布式儲能會越來越多地應(yīng)用于建筑場景，作為建筑配用電系統(tǒng)重要組成部分；“直”指建筑配用電網(wǎng)的形式發(fā)生改變，從傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)改為采用低壓直流配電網(wǎng)；“柔”則是指建筑用電設(shè)備應(yīng)具備可中斷、可調(diào)節(jié)的能力，使建筑用電需求從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝浴?/span>

一、“光”，光伏發(fā)電與建筑的融合

太陽能光伏發(fā)電是未來主要的可再生電源之一，而體量巨大的建筑外表面是發(fā)展分布式光伏的空間資源。2018年建筑面積超過600億m²，屋頂面積超過100億m²，估計可安裝超過800GW的屋頂光伏，年發(fā)電量超8000億kWh。因此，把太陽能的利用納入建筑的總體設(shè)計，把太陽能設(shè)施作為建筑的一部分，把建筑、技術(shù)和美學(xué)融為一體，是未來建筑和能源系統(tǒng)的融合發(fā)展趨勢。

光伏組件成本的快速下降使得光伏建筑一體化變得更加可行，分布式光伏已經(jīng)實現(xiàn)了平價上網(wǎng)的條件。而且與集中式的光伏電站相比，建筑光伏通過與建筑設(shè)計、施工同時進(jìn)行，又或安裝在已有建筑屋面上，可以節(jié)省土地租賃等一系列建設(shè)維護費用，比集中式光伏電站更具經(jīng)濟優(yōu)勢。未來光伏將會越來越多地應(yīng)用在建筑中，并且成為建筑的重要組成部分。光伏建筑兼具綠色、經(jīng)濟、節(jié)能、時尚等優(yōu)勢。

二、“儲”，電能時空的搬移

在未來的電力系統(tǒng)中，儲能是不可或缺的組成部分。電池儲能技術(shù)具有響應(yīng)速度快、效率高、安裝維護要求低等優(yōu)點，是電力系統(tǒng)的靈活性資源和備用電源。國網(wǎng)能源研究院預(yù)計，中國新型儲能（所謂新型儲能，即為抽水蓄能之外的各類儲能總稱）在2030年之后會迎來快速增長，2060年裝機規(guī)模將達(dá)4.2億千瓦（420GW）左右。而截至2019年，我國中國的新型儲能累積裝機規(guī)模為2.1GW。這意味著，2060年中國新型儲能裝機規(guī)模將飆升近200倍。

電力系統(tǒng)的儲能需求不只來自于電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)，負(fù)荷側(cè)同樣需要儲能。隨著分布式光伏和電動汽車與建筑配用電系統(tǒng)的融合發(fā)展，儲能有利于提高建筑配用電系統(tǒng)的可靠性，同時允許建筑以虛擬電廠的角色參與電力系統(tǒng)的輔助服務(wù)。

隨著電動車爆發(fā)帶來的推動，儲能成本正持續(xù)下降，新能源電站+鋰電池儲能成本會不斷降低，根據(jù)GTM數(shù)據(jù)，2012年到2017年電化學(xué)儲能電站成本大幅下降78%。而且未來到2030年，儲能成本會下降到1000元/kWh，我國大部分地區(qū)風(fēng)儲光儲結(jié)合就能實現(xiàn)平價。儲能峰谷電價的效益增加，特別是隨著靈活性資源逐漸稀缺，電池儲能的收益會逐漸增加。經(jīng)濟性會成為建筑儲能市場化發(fā)展的驅(qū)動力。

建筑儲能技術(shù)目前還處于初期發(fā)展階段，真正將儲能配置在建筑內(nèi)部的項目還比較少。從電動汽車和電網(wǎng)儲能借鑒來的電池設(shè)計和管理技術(shù)也需要與建筑場景的特殊需求相結(jié)合，例如更多考慮建筑電池的熱安全問題。鋰離子電池對溫度非常敏感，其最佳工作溫度范圍為20～40℃，在該范圍內(nèi)電池的工作性能較好，安全性能良好，可使用循環(huán)次數(shù)也相對較高。北京市頒布的《用戶側(cè)儲能系統(tǒng)建設(shè)運行規(guī)范》中要求控制在0～45 ℃。因此，電池布置如何與建筑設(shè)計結(jié)合保證電池散熱，電池控制如何與建筑負(fù)荷特性匹配防止過熱事故發(fā)生都是儲能電池應(yīng)用于建筑場景所必須解決的關(guān)鍵問題。

三、“直”，建筑采用直流配電

隨著建筑中電源和負(fù)載的直流化程度越來越高，直流配用電可能是一種更合理的形式。電源側(cè)的分布式光伏、儲能電池等普遍輸出直流電。用電設(shè)備中傳統(tǒng)照明燈具正逐漸被LED替代，空調(diào)、水泵等電機設(shè)備也更多考慮變頻的需求，此外還有各式各樣的數(shù)字設(shè)備，都是直流負(fù)載。建筑內(nèi)部改用直流配用電網(wǎng)，可以取消直流設(shè)備與配電網(wǎng)之間的交直變換環(huán)節(jié)，同時放開配用電系統(tǒng)對電壓和頻率的限制，從而展現(xiàn)出能效提升、可靠性提高、變換器成本降低、設(shè)備并離網(wǎng)和電力平衡控制更加簡單等諸多優(yōu)勢。

直流建筑的配用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。在建筑入口處設(shè)有AC/DC整流器，其將外電網(wǎng)的交流電整流為直流電為建筑供電，或者在建筑電力富余時將直流電逆變?yōu)榻涣麟妼ν怆娋W(wǎng)供電。而建筑內(nèi)部通過直流電配電網(wǎng)與所有電源和電器（設(shè)備）連接。當(dāng)電源或電器（設(shè)備）的電壓等級與配電網(wǎng)電壓等級不同時，需設(shè)置DC/DC變壓器。

直到今天，建筑低壓直流配用電技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)有了大量的研究。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外實際建成運行的直流建筑項目已有20余個，涵蓋了辦公、校園、住宅和廠房等多個建筑類型，配電容量在10~300 kW之間。 隨著直流建筑研究和示范項目的積累，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)組織也已開展直流系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。旨在搭建直流電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的國際信息互通平臺，推動直流電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的快速健康發(fā)展，促進(jìn)直流電力系統(tǒng)技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)的支撐配套。

未來隨著“光”和“儲”在建筑中的應(yīng)用，低壓直流配電技術(shù)將在建筑中得到持續(xù)關(guān)注和研究；同時隨著標(biāo)準(zhǔn)的建立和更多家電設(shè)備企業(yè)的參與，建筑低壓直流配電的生態(tài)環(huán)境也會逐漸成型。

四、“柔”，柔性可控的建筑負(fù)載 

建筑設(shè)備往往具有可中斷、可調(diào)節(jié)的特性。例如空調(diào)和供熱系統(tǒng)可以利用建筑圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱特性和人對溫度波動的適應(yīng)性來進(jìn)行短期負(fù)荷功率調(diào)節(jié)，為電力系統(tǒng)提供一定程度的靈活性；洗衣機、洗碗機等也都具有延時啟動、錯峰工作的功能。尋找建筑用戶體驗和電網(wǎng)靈活性需求二者之間的平衡，建筑設(shè)備的可調(diào)節(jié)性也能夠為電力系統(tǒng)所用，成為一種潛在的靈活性資源。

事實上，建筑設(shè)備的靈活性已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，例如IEA EBC的Annex 67項目就圍繞建筑柔性用能開展了一系列研究，包括用戶調(diào)節(jié)意愿調(diào)研、控制策略優(yōu)化、設(shè)備調(diào)節(jié)效益分析、可調(diào)節(jié)程度評價等。

然而，由于缺乏有效的激勵機制，目前的需求響應(yīng)技術(shù)還主要停留在理論研究和模擬仿真階段，實際工程應(yīng)用較少。未來電力市場化改革的深入推進(jìn)可能會調(diào)動起建筑設(shè)備柔性調(diào)節(jié)的積極性，一方面用戶參與電力市場交易的門檻會越來越低，參與其中的建筑用戶會越來越多；另一方面電網(wǎng)輔助服務(wù)市場、電力容量市場逐步開放，建筑設(shè)備柔性調(diào)節(jié)的收益更加多樣。