建筑柔性技术发展趋势探讨

建筑柔性技术发展趋势探讨

郑春元

（ 广东美的暖通设备有限公司  广东佛山 528311）

摘  要  建筑是电力需求响应的理想用户，建筑柔性是未来我国能源结构调整的重要内容之一，当前已成为前沿的研究课题，得到各方的重视。但是，建筑柔性技术仍存在一些发展问题：1）建筑围护结构难以动态量化评估；2）建筑能源系统实际运行性能及特征监测评价困难；3）建筑柔性设备单一孤立难以满足多能系统的柔性需求；4）建筑柔性量化评价机理、多因素影响下的能源系统运行预测技术、智能控制策略及复杂系统控制架构仍不成熟；5）电力需求响应的策略制定与效果评估缺乏完整的理论支撑；6）建筑柔性缺乏示范工程与相关标准。对于建筑柔性技术，可以在这些方面进行研究突破，提高我国在国际上的竞争力。

关键词  柔性；电力需求响应；特征识别；

作为能建筑作为我国能源消耗的三大领域之一，其碳排放的总量庞大，占到了全国碳排放总量的51%，建筑运行阶段的碳排放量则占到总排放的22%（22亿吨二氧化碳）[1]，是实施电力需求侧响应的理想用户。在双碳背景下，建筑能源系统肩负着两大历史任务：1）高效节能，大幅提高运行能效降低碳排放；2）柔性响应，发挥建筑能耗大、柔性强的特点协同电网进行高效的能量调度。以建筑中能耗占比达到50%的空调为例，其在居住建筑及公共建筑的年耗电量达到3000亿度，若按节能30%测算，则可创造近900亿元经济价值，减排7200万吨。另外，当前我国空调保有量7亿台，平均功率1500W，总功率约10亿kW，空调负荷占电网最高负荷40%~50%，若接入1%（1000万kW）参与电力需求响应，可调功率即可超我国最大火电厂（托克托电厂总装机672万kW）。由此可见，建筑能源系统的定位不应仅仅单向满足用户侧需求，而应同时满足用户侧以及电网侧能量优化调度和消纳可再生能源的需求。建筑柔性已成为前沿研究课题，得到各方的重视。目前建筑柔性技术主要存在以下发展问题：

1.建筑围护结构特性难以动态量化评估

建筑设计及建造过程如合理应用被动技术，会显著降低建筑负荷和运行能耗，同时也决定了其建筑本身作为储能体的柔性特征。另外，建筑储能体的特性可为建筑整体柔性提供22%的贡献。利用建筑的热惯性，实现用电量短时间大幅度调节的同时，满足室内环境控制要求，其难点在于如何根据建筑特征制定控制节点。此时，基于运行数据对建筑被动特征进行主动识别就显得尤为重要。但由于建筑业态调整或围护结构的性能衰减，目前仍无有效手段（低成本、精度高）对建筑的热容、保温性能、气密性等进行高精度的动态量化评价。

2.建筑能源系统实际运行性能及特征监测评价困难

现有建筑机电行业标准中大多只规定了能效等级、能效限定级及实验方法，缺少针对机电设备全生命周期碳排放的设计要求与问责机制，导致机电设备运行阶段的高碳排放。另外，目前各类设备标准中系统性能主要是在特定的实验工况确定的，但低碳标准对碳排放量做出的要求均是在实际应用时的复杂工况下提出的，这与行业中大多数系统性能均在特定实验工况下定义的情况有较大差别。因此，将建筑与设备耦合，以实际运行条件下的系统能效为尺度，体现设备智能化控制水平差异性，才能真正实现建筑能源系统的高效供能。由此看来，为各类机电装置提供实际运行性能现场或在线检测方法、模型、标准，将对建筑全生命周期低碳化有着极其重要的意义。

在物联网大数据时代，大量建筑机电设备实现了物联化，在实际运行过程中必然产生与积累大量运行数据，包括系统能效、系统能耗、系统各部位运行状态等。机电设备随着使用时间越长，会由于运动磨损、脏堵等原因导致零部件或系统性能衰减。利用物联网话带来的数据红利，可及时诊断系统能效运行状态，从而通过个性化优化运行策略到硬件更新等方式降低能耗、降低碳排放，助力建筑碳中和。目前建筑能源系统特征识别上更多仍是通过纯数学方式来处理建筑能源系统产生的数据，实际应用效果有待进一步提升，而物理模型结合数学建模的方式成为了新技术方向，系统的特征识别技术在未来仍然任重道远。

3.建筑柔性设备单一孤立难以满足多能系统的柔性需求

建筑的能源需求包括冷、热、电、热水、燃气等。建筑的柔性一般认为是在不影响用户端功能的情况下实现电力的灵活调节。当前，电力储能在能源存储种类上较为单一，决策约束考虑的因素也相对较少，在储能系统设计和应用时缺乏对用能需求多样化的考虑。相关研究表明，建筑柔性源具有多样性，包括内部蓄热体、空调系统、储能系统、各类家用设备及人行为、自然冷热源利用等。但是，目前这些柔性源在实际应用中仍被孤立地应用，未形成系统性解决方案，难以实现建筑柔性最大化。除此之外，当前研究更多地关注规模较大的集中式储冷/热，但是，面向市场份额更高的多联机等氟机系统的分布式储冷/热却仍未得到重视，同时与建筑结合的可变性能围护结构，包括相变材料墙体、电致变色玻璃等，仍缺乏成熟的技术与高质量产品，目前仍得不到推广应用。

实际工程应用中，为了达到优化的柔性响应效果，应以需求为导向、基于多柔性源协同优化机制，定义并研发各类柔性源对应关键设备、装置。由此，形成建筑柔性物联网平台，实现建筑能源系统在能量效率和运行成本上的有效匹配调控。建筑柔性物联网关键硬件模块，将作为建筑的能源路由，收集各系统运行数据，进行识别建模、制定优化控制策略，最后把控制命令分发到各子系统，实现建筑能源系统的柔性运行。

4.建筑柔性量化评价机理、多因素影响下的能源系统运行预测技术、智能控制策略及复杂系统控制架构仍不成熟

在软件层面上，评价、预测、控制是实现建筑柔性运行的关键。由于建筑柔性源与建筑中能源需求的多样性，在当前研究中对建筑柔性的量化评价也是多种多样，主要包括6个方面：能耗、电功率、运行费用、碳排放、持续时间、舒适性。除此之外，柔性调节前后的对比评价也需要基准情景的定义。无规矩不成方圆，当前，建筑柔性面对的复杂系统多维度量化评价问题和建筑柔性缺乏量化定义的问题，已然成为了建筑柔性推广与其市场化运作机制建立的瓶颈。

建筑能源系统的运行功率同时受气候条件等外部因素以及系统内部因素的影响。除此之外，各子系统之间也存在耦合关联，如建筑照明及电子设备的开启数量及运行负荷率，会影响建筑暖通系统的运行负荷，进而影响运行功率或能耗。建筑的柔性调节，需要同时预测不调节和调节两种情况下的运行功率或能耗、满足用能需求的情况，据此才能对调节措施进行优化，实现预测性优化控制。面对以上问题，当前研究基本采取一个对象一个模型的解决方案。在实际应用中，这要求建模人员具有高度的专业性，同时推广效率极其低下。因此，多因素影响下的能源系统运行预测的实际应用瓶颈在于标准模块的通用性。

据相关文献报道，当前的研究中85%的研究成果都是基于数字仿真的，只有10%的研究成果是通过实际测试数据进行验证的[2]。而在实际建筑中实现全自动优化控制的更加是凤毛菱角。由此看来，智能化控制策略及其对应的复杂系统控制架构仍处于实验室阶段，尚达不到工程应用的成熟度。控制架构软件的不成熟也直接导致了关键硬件难以被定义。因此，基于建筑柔性的功能需求，结合建筑及其能源系统的特性，构架包含物理层、通讯层、算法层、控制层、应用层建筑柔性智能控制平台，将为建筑柔性技术的实现推广奠定基础。

5.电力需求响应的策略制定与效果评估缺乏完整的理论支撑

目前，对电力需求相应的效果评价主要采用负荷削减量、认缴性能指标以及峰荷性能指标等。其中负荷削减量表示了用户实际削峰的绝对值；认缴性能指标表示用户平均负荷削减量与负荷削减目标的比值；而峰荷性能指标则表征了平均负荷削减量与最大峰值负荷的比值。然而在一方面，上述指标的计算均依赖于基线负荷，在标准中虽推荐了日负荷平均法进行计算，但是也表明可以采用其他算法，这说明对于相关负荷的计算业内还未完全达成共识，对应的评价也缺乏理论的完整支撑；在另一方面，上述的指标只是从单维度对建筑参与需求响应的效果进行评价，缺乏在需求响应实施后对经济性、稳定性、安全性、舒适性的综合评价，无法引导用户针对性采用的不同的电网互动策略。因此需要对柔性建筑与电网供需互动模式及效果评价开展研究，为电力需求相应过程中的策略制定和效果评价提供有力支撑。

6.建筑柔性缺乏示范工程与相关标准

目前，电力需求响应的试点基本都面向电力容量大用户，这些用户大多为生产厂房，属于刚性用电，对其实施柔性用电调节必然影响生产效率。而民用/公共建筑更多地是服务于人，通过精准控制，可实现不影响使用功能的情况下大幅减少用电功率，属于理想的柔性用电。但由于当前建筑柔性缺乏在线能源系统性能诊断、在线建筑特征识别、建筑柔性评价、柔性建筑实施技术规程等相关标准，致使相关电力需求响应政策无法很好地在民用/公共建筑实施，市场得不到发展。

虽然建筑柔性目前在美国、欧洲、澳大利亚等国家已经开展了部分工程示范，但在国际范围内建筑柔性的相关规范标准仍不成熟。作为新能源时代的重要前沿技术，我国应把物联网发展的巨大优势通过大量的实践来占据国际领先地位，实现我国建筑产业的高质量转型。

7. 结论

建筑是电力需求响应的理想用户，建筑柔性是未来我国能源结构调整的重要内容之一，当前已成为前沿的研究课题，得到各方的重视。但是，建筑柔性技术仍存在一些发展问题：1）建筑围护结构难以动态量化评估；2）建筑能源系统实际运行性能及特征监测评价困难；3）建筑柔性设备单一孤立难以满足多能系统的柔性需求；4）建筑柔性量化评价机理、多因素影响下的能源系统运行预测技术、智能控制策略及复杂系统控制架构仍不成熟；5）电力需求响应的策略制定与效果评估缺乏完整的理论支撑；6）建筑柔性缺乏示范工程与相关标准。对于建筑柔性技术，可以在这些方面进行研究突破，提高我国在国际上的竞争力。

参考文献

[1] 中国建筑能耗研究报告2020[J].建筑节能(中文),2021,49(02):1-6.

[2] Li H , Wang Z , Hong T , et al. Energy Flexibility of Residential Buildings: A Systematic Review of Characterization and Quantification Methods and Applications[J]. Applied Energy, 2021.