單位：1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院；2.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

引用：夏陽(yáng),金光,張立等.基于建筑能源系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2021,10(06):2169-2180.

Doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0215

摘 要 由于用戶負(fù)荷需求的多元化和不確定性，單一類型的儲(chǔ)能技術(shù)已不能滿足高品質(zhì)的建筑供能需要。通過(guò)耦合不同類型儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)的混合儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文在建筑能源應(yīng)用背景下，首先介紹了混合儲(chǔ)能技術(shù)的原理，從建筑用能需求角度梳理了混合儲(chǔ)能技術(shù)的研究進(jìn)程，指出了現(xiàn)階段混合儲(chǔ)能的主要研究方向。其次基于混合儲(chǔ)能的幾種常見(jiàn)匹配方式，綜述了熱能、燃?xì)饣瘜W(xué)能和電能等多類型能源混合存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并根據(jù)典型案例介紹了相應(yīng)混合儲(chǔ)能的系統(tǒng)組成、運(yùn)行策略和系統(tǒng)特點(diǎn)，說(shuō)明建筑用戶的多能用能需求如何得到滿足。最后對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性情況進(jìn)行分析，提出了評(píng)估混合儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)和影響其經(jīng)濟(jì)性的主要因素。

關(guān)鍵詞 混合儲(chǔ)能；建筑能源系統(tǒng)；匹配方式；性能；經(jīng)濟(jì)性

由于用戶側(cè)能源需求的日益多元化，單一電、熱、冷、氣系統(tǒng)已無(wú)法滿足多類型要求。在建筑能源系統(tǒng)中實(shí)施多能互補(bǔ)技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能、提高能源綜合利用率有著重要意義。通過(guò)引入合適的儲(chǔ)能設(shè)備，構(gòu)建混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以顯著減少能源供給波動(dòng)，提高能源穩(wěn)定性，降低太陽(yáng)能等可再生能源帶來(lái)的不穩(wěn)定問(wèn)題。不同于單一儲(chǔ)能系統(tǒng)的單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)運(yùn)行，混合儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)組合不同類型的能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存設(shè)備，將多類型能源間的聯(lián)系進(jìn)一步加深，擴(kuò)大了不同類型能源的交互，實(shí)現(xiàn)了多種能量流動(dòng)和協(xié)調(diào)運(yùn)行。已有眾多研究對(duì)混合儲(chǔ)能技術(shù)開(kāi)展了深入分析，文獻(xiàn)建立了包含電-熱儲(chǔ)能設(shè)備的零碳多能源系統(tǒng)模型，綜合考慮了儲(chǔ)能設(shè)備老化、綜合需求響應(yīng)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等影響因素對(duì)其優(yōu)化，得到了最優(yōu)的容量規(guī)劃和運(yùn)行性能。文獻(xiàn)為探究P2G(power-to-gas)與DRPs(demand response programs)協(xié)同對(duì)多載波系統(tǒng)運(yùn)行的影響，基于EH(energy hub)概念建立了包含電-熱-氣儲(chǔ)能設(shè)備的混合儲(chǔ)能模型，結(jié)果表明，考慮P2G技術(shù)并結(jié)合蓄熱蓄電，可使EH運(yùn)行成本降低7.3%。文獻(xiàn)建立涵蓋電-熱-冷-氣四種儲(chǔ)能，風(fēng)光清潔能源發(fā)電機(jī)組、冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和相關(guān)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型，并就其多能源調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行研究。本文針對(duì)建筑用能系統(tǒng)，分析了用戶需求和供能關(guān)系，通過(guò)總結(jié)近年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)，綜述了混合儲(chǔ)能技術(shù)在建筑能源系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，分析了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性，以期為混合儲(chǔ)能技術(shù)在建筑能源系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 混合儲(chǔ)能技術(shù)

建筑能源系統(tǒng)在全國(guó)能源經(jīng)濟(jì)消費(fèi)中占比較重。根據(jù)中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告(2020年)》，2018年全國(guó)建筑運(yùn)行階段能耗為10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的21.7%。由此可見(jiàn)，降低建筑能耗、推行建筑節(jié)能已經(jīng)成為我國(guó)改善能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的關(guān)鍵所在。

近年來(lái)隨著建筑能源系統(tǒng)中可再生能源的大量接入，構(gòu)建多能互補(bǔ)的建筑能源系統(tǒng)成為一種切實(shí)可行的解決方案。由于建筑能源系統(tǒng)體現(xiàn)出了明顯的峰谷差特點(diǎn)和多類型需求特點(diǎn)，再加上太陽(yáng)能等可再生能源存在的間歇性和不穩(wěn)定性問(wèn)題，常常需要在建筑能源系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能設(shè)備以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證高質(zhì)量供能。傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)常采用單一儲(chǔ)能方式，無(wú)法同時(shí)滿足多類型能源需求的高品質(zhì)供給。因此，有必要將多種儲(chǔ)能技術(shù)統(tǒng)一規(guī)劃，協(xié)調(diào)運(yùn)行，建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，才能進(jìn)一步提高建筑能源系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

混合儲(chǔ)能技術(shù)是指通過(guò)不同形式的儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同類型能量間的轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)中多種能量的流動(dòng)與協(xié)調(diào)運(yùn)行。混合儲(chǔ)能的運(yùn)行狀態(tài)與其應(yīng)用場(chǎng)景息息相關(guān)，基于混合儲(chǔ)能在建筑能源系統(tǒng)中發(fā)揮的具體作用，本文對(duì)混合儲(chǔ)能的典型應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)如下。①提升供能質(zhì)量。由于用戶的多能用能需求和大量可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)接入，使得原有能源系統(tǒng)在供能時(shí)常面臨儲(chǔ)能設(shè)備響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、輸電阻塞、電壓不穩(wěn)定及頻率波動(dòng)較大等問(wèn)題。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)協(xié)調(diào)多種儲(chǔ)能設(shè)備，平滑了能量波動(dòng)，保證了能量供給的平穩(wěn)和連續(xù)。②提升供需平衡程度。保持能量的供需平衡對(duì)減少能源浪費(fèi)，提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。文獻(xiàn)以城市為空間尺度，構(gòu)建了包含冷-熱的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在成本最優(yōu)的約束條件下滿足了人們的電、熱用能需求。③削峰填谷。隨著電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差不斷增大，電網(wǎng)的調(diào)峰壓力也越來(lái)越重。混合儲(chǔ)能可以把用電谷期的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，提升儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)峰能力的同時(shí)，也使得電力系統(tǒng)更加靈活。④可再生能源消納。由于風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，造成了風(fēng)光發(fā)電上網(wǎng)難的現(xiàn)象，造成了大量的棄風(fēng)、棄光。混合儲(chǔ)能通過(guò)平滑風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)，減少了對(duì)配電網(wǎng)的沖擊，提升了可再生能源發(fā)電消納率。

同時(shí)，由于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的種類繁多，儲(chǔ)能設(shè)備又受高成本和使用生命周期的制約，基于建筑的實(shí)際條件選擇適宜的混合儲(chǔ)能設(shè)備變得至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮的主要因素為用戶用能特點(diǎn)和建筑外部環(huán)境。就現(xiàn)有階段來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能設(shè)備仍面臨成本過(guò)高的問(wèn)題，因此混合儲(chǔ)能在應(yīng)用過(guò)程中更主要的是面臨一些對(duì)用能有特殊要求的場(chǎng)所，如醫(yī)院、科研院所計(jì)算中心等，用電過(guò)程中的電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、功率因數(shù)、斷電等意外情況會(huì)對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生不可逆的影響，因此該類區(qū)域?qū)┠苜|(zhì)量要求較高；又如我國(guó)的“三北”地區(qū)，風(fēng)光等可再生能源豐富，但由于人口稀少，基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善，對(duì)可再生能源發(fā)電的消納能力明顯不足。為消納這些棄風(fēng)、棄光，就可以應(yīng)用混合儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)光發(fā)電的強(qiáng)消納能力來(lái)滿足人們的需求。

如圖1所示，建筑用能需求包括了冷熱需求、電需求和氣需求，分別對(duì)應(yīng)了建筑冷熱負(fù)荷、電負(fù)荷和氣負(fù)荷。其中，熱負(fù)荷由建筑用戶在冬季供暖和應(yīng)用生活熱水的過(guò)程中產(chǎn)生；冷負(fù)荷由建筑用戶在夏季供冷過(guò)程中產(chǎn)生；電負(fù)荷由建筑用戶在采暖通風(fēng)、房間照明和電氣設(shè)備使用過(guò)程中產(chǎn)生；氣負(fù)荷由建筑用戶在燃?xì)庠罹呤褂茫細(xì)獍l(fā)電、供暖或制冷的過(guò)程中產(chǎn)生。

圖1   建筑用能需求和供能關(guān)系示意圖

從建筑能源系統(tǒng)的構(gòu)成角度分析，建筑能源系統(tǒng)由供能設(shè)備、輸能網(wǎng)絡(luò)、用戶和儲(chǔ)能設(shè)備組成。其中供能設(shè)備主要包括：①用于電-熱/冷能量耦合的電鍋爐，熱泵，壓縮式制冷機(jī)，吸收式制冷機(jī)等；②用于電-氣能量耦合的P2G設(shè)備；③用于氣-熱能量耦合的燃?xì)忮仩t；④用于電-熱-氣或電-熱-冷-氣能量耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)，其中主要的設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池等。儲(chǔ)能設(shè)備主要包括：①用于儲(chǔ)電的蓄電池；②用于蓄熱/冷的蓄熱罐；③用于儲(chǔ)氣的儲(chǔ)氣罐。有時(shí)基于建筑條件和系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，也會(huì)使用管道儲(chǔ)存天然氣或氫氣。

由于建筑能源系統(tǒng)中對(duì)電和熱的需求最為明顯，儲(chǔ)電蓄熱設(shè)備發(fā)展也最成熟，早期對(duì)混合儲(chǔ)能的研究主要針對(duì)于電-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。文獻(xiàn)通過(guò)在綜合能源系統(tǒng)中引入電熱兩種儲(chǔ)能配置，驗(yàn)證了儲(chǔ)能設(shè)備在經(jīng)濟(jì)調(diào)度和消納棄風(fēng)方面的作用。文獻(xiàn)在建筑能源系統(tǒng)中引入電熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并對(duì)電熱儲(chǔ)能配置和運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，確定了設(shè)備最優(yōu)容量。

P2G技術(shù)是一種將電力轉(zhuǎn)化成氣體燃料的技術(shù)，主要有兩步：第一步是利用電解槽電解水制得氫氣，第二步在催化劑的作用下，使電解得到的氫氣與二氧化碳反應(yīng)制備天然氣。作為清潔能源消費(fèi)和能量轉(zhuǎn)換的新途徑，P2G可以與氣轉(zhuǎn)電設(shè)備形成電-氣系統(tǒng)的雙向耦合。文獻(xiàn)通過(guò)應(yīng)用P2G系統(tǒng)，打破了電-氣系統(tǒng)耦合以往只能通過(guò)氣轉(zhuǎn)電設(shè)備單向耦合的局面，如圖2所示，P2G系統(tǒng)作為天然氣子系統(tǒng)的重要組成部分，可將系統(tǒng)中的富裕電能轉(zhuǎn)化為天然氣進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)輸，結(jié)合燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)形成電-氣系統(tǒng)的雙向耦合，協(xié)調(diào)了電網(wǎng)和氣網(wǎng)之間的運(yùn)行，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)接受風(fēng)、光可再生發(fā)電的能力。

圖2   電-氣雙向耦合示意圖

燃料電池由于其發(fā)電過(guò)程可實(shí)現(xiàn)高效率、小型化和零排放，通過(guò)與可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)和相關(guān)儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)合，對(duì)實(shí)現(xiàn)能量的高效利用和建筑節(jié)能有著重要意義。文獻(xiàn)在建筑能源系統(tǒng)中安裝了光伏系統(tǒng)、蓄電池和儲(chǔ)氫罐，對(duì)位于斯洛文尼亞的一個(gè)試點(diǎn)建筑的能源系統(tǒng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明在合適的建筑外部環(huán)境下，儲(chǔ)氫成本降低時(shí)可實(shí)行建筑的近零能耗目標(biāo)。

此外，近年來(lái)隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，也有研究建筑供能系統(tǒng)中納入以氫為燃料的電動(dòng)汽車的相關(guān)研究。如圖3所示，風(fēng)光可再生能源發(fā)電系統(tǒng)提供電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生氫氣為電動(dòng)汽車提供氫能，同時(shí)產(chǎn)生電力為建筑提供電能，既節(jié)約了管路建設(shè)成本，又減少了碳排放量。

圖3   電動(dòng)汽車參與的建筑供能系統(tǒng)示意圖

在混合儲(chǔ)能的配置方面，目前存在兩種方案：①根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)提出IES(integrated energy system)模型，優(yōu)化儲(chǔ)能設(shè)備的容量和功率。如文獻(xiàn)在典型的工業(yè)鍋爐與熱電聯(lián)產(chǎn)結(jié)構(gòu)下，對(duì)蓄熱設(shè)備和儲(chǔ)電設(shè)備優(yōu)化，得到了最佳的儲(chǔ)能規(guī)模。但這種優(yōu)化方法并不會(huì)考慮全部的儲(chǔ)能設(shè)備和能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，因此得到的優(yōu)化方案存在一定局限性；②從零開(kāi)始，進(jìn)行完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配置優(yōu)化。如文獻(xiàn)從完備的基本架構(gòu)設(shè)計(jì)、基于運(yùn)行模擬的設(shè)備組合優(yōu)化和決策算法三個(gè)方面，建立了完整的綜合能源站優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這種優(yōu)化方法可以根據(jù)不同用戶能源需求，協(xié)調(diào)多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備，保證了用戶用能的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

在混合儲(chǔ)能的運(yùn)行優(yōu)化方面，則是通過(guò)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度，在滿足一定約束條件下，為達(dá)到某一目標(biāo)(如最佳運(yùn)行成本、最大消納可再生能源比例等)而對(duì)混合儲(chǔ)能設(shè)備的啟停和充放能速率進(jìn)行規(guī)劃。對(duì)運(yùn)行的研究主要是為了解決綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的耦合關(guān)系和可再生能源不確定性帶來(lái)的一系列問(wèn)題。考慮到儲(chǔ)能設(shè)備具有一定生命周期，對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化常常同時(shí)開(kāi)展。如文獻(xiàn)基于太陽(yáng)輻射和需求分布的不確定性，提出了同時(shí)優(yōu)化多種儲(chǔ)能設(shè)備配置與運(yùn)行的優(yōu)化方法，得到了特定建筑能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行策略和儲(chǔ)能設(shè)備的最佳容量。文獻(xiàn)提出一種兩階段優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，配置了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備的容量。此外，考慮多時(shí)間尺度建模、電能替代和綜合需求響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的影響也有所研究。

相較于傳統(tǒng)意義上的儲(chǔ)能系統(tǒng)，混合儲(chǔ)能有著儲(chǔ)能設(shè)備眾多、能量流動(dòng)復(fù)雜及多能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于其規(guī)劃、運(yùn)行、控制的復(fù)雜程度更是單一儲(chǔ)能系統(tǒng)所不可比擬的。因此，本文對(duì)混合儲(chǔ)能應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題總結(jié)如下。

（1）可儲(chǔ)能源和儲(chǔ)能設(shè)備的匹配。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)眾多，為提升能源利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合用戶本身的可儲(chǔ)能源，選擇相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備，構(gòu)建合適的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，做到因地制宜、因勢(shì)利導(dǎo)。

（2）混合儲(chǔ)能與現(xiàn)有能源系統(tǒng)的匹配。我國(guó)的建筑能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且高度成熟，混合儲(chǔ)能若要推廣使用，由于其初始投資較高，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中可能會(huì)處于劣勢(shì)。因此，目前混合儲(chǔ)能匹配現(xiàn)有能源系統(tǒng)主要的接入點(diǎn)在一些對(duì)能量質(zhì)量要求高的場(chǎng)所。未來(lái)，隨儲(chǔ)能設(shè)備成本的降低和國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼，混合儲(chǔ)能會(huì)加快融入現(xiàn)有能源系統(tǒng)的步伐。

（3）運(yùn)行調(diào)節(jié)。混合儲(chǔ)能由于其內(nèi)部復(fù)雜的耦合關(guān)系，實(shí)際運(yùn)行較為復(fù)雜，需要對(duì)系統(tǒng)制定合適的調(diào)度方案，控制設(shè)備的功率和啟停，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 混合儲(chǔ)能在建筑中的常見(jiàn)匹配方式

2.1 電-熱混合儲(chǔ)能

電能和熱能是建筑能源系統(tǒng)的重要組成部分。由于蓄電池具有充放電速度快、質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以很快響應(yīng)用戶的電能需求，所以蓄電池是目前儲(chǔ)存電能的主要方式。但過(guò)于頻繁的使用會(huì)導(dǎo)致蓄電池的壽命過(guò)短，而且維護(hù)費(fèi)用高昂。相對(duì)而言，蓄熱罐具有成本低廉、使用方式簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是目前最為常見(jiàn)的儲(chǔ)能裝置之一。但蓄熱罐釋放的熱能品位一般較低，只能滿足用戶低品位熱能的利用需求。而分別設(shè)置單一的蓄電和蓄熱裝置，二者彼此獨(dú)立，能量流動(dòng)和對(duì)用戶的響應(yīng)不能及時(shí)互補(bǔ)協(xié)調(diào)，導(dǎo)致儲(chǔ)能和釋能效率低下，不能及時(shí)滿足用戶的電、熱負(fù)荷需求。通過(guò)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，使蓄電裝置和蓄熱裝置建立聯(lián)系，組成電-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電-熱的協(xié)調(diào)調(diào)度，提高了建筑能源系統(tǒng)能效。

圖4為一種典型的利用電-熱混合儲(chǔ)能的建筑供能系統(tǒng)。其能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括了燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t，蓄電池為儲(chǔ)電設(shè)備，蓄熱式電鍋爐為儲(chǔ)熱設(shè)備。在電價(jià)谷期，可從電網(wǎng)購(gòu)入低價(jià)電或利用分布式風(fēng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電滿足用戶電負(fù)荷需求，多余電量存入蓄電池或利用蓄熱式電鍋爐，實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)化，將熱量存入儲(chǔ)熱設(shè)備，通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)余熱和燃?xì)忮仩t滿足用戶熱負(fù)荷需求；在電價(jià)峰期，由分布式風(fēng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)滿足用電負(fù)荷，同時(shí)蓄電池放電作為補(bǔ)充電力，根據(jù)用戶的實(shí)際負(fù)荷需求選擇向主電網(wǎng)購(gòu)電或售電，同時(shí)熱儲(chǔ)設(shè)備放熱輔助滿足用戶熱負(fù)荷需求。系統(tǒng)特點(diǎn)有：①通過(guò)熱儲(chǔ)設(shè)備和電儲(chǔ)設(shè)備的結(jié)合，可打破燃?xì)廨啓C(jī)“以熱定電”的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，更為高效準(zhǔn)確地滿足用戶各類負(fù)荷需求；②電-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在消納風(fēng)電，對(duì)用電負(fù)荷的削峰填谷發(fā)揮了巨大作用；③電-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)于單一蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，熱儲(chǔ)設(shè)備作為對(duì)多余電力的消納設(shè)備，增大了系統(tǒng)的可調(diào)控性，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

圖4   一種利用電-熱混合儲(chǔ)能的供能系統(tǒng)示意圖

2.2 電-氣混合儲(chǔ)能

電-氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)耦合元件將電力系統(tǒng)和燃?xì)庀到y(tǒng)連接起來(lái)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)劃系統(tǒng)配置和調(diào)度運(yùn)行，充分發(fā)揮各自能源的優(yōu)勢(shì)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)提高了綜合能源利用效率。

如圖5所示，電-天然氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備一般包括電-氣轉(zhuǎn)化設(shè)備和燃?xì)鈾C(jī)組。在夜間的電價(jià)谷期，由于風(fēng)電的反調(diào)峰特性引起棄風(fēng)，可從電網(wǎng)購(gòu)入低價(jià)電，儲(chǔ)入蓄電池增加電負(fù)荷谷值以消納棄風(fēng)，若蓄電池不能完全消納棄風(fēng)則啟動(dòng)電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，將多余風(fēng)電轉(zhuǎn)化成天然氣儲(chǔ)存。這種電氣轉(zhuǎn)化技術(shù)通過(guò)電解水的方式制得氫氣，所制氫氣再和二氧化碳反應(yīng)得到天然氣，該技術(shù)的使用提升了系統(tǒng)的棄風(fēng)消納率，豐富了用戶氣負(fù)荷需求的方式，通過(guò)和燃?xì)鈾C(jī)組結(jié)合形成電氣的雙向耦合，滿足用戶電能和熱能需求。但由于儲(chǔ)氣設(shè)備的效率和經(jīng)濟(jì)性較低，P2G的廣泛使用仍然十分受限；在白天的電價(jià)峰期，用電負(fù)荷高峰，風(fēng)電低發(fā)時(shí)，蓄電池放電輔助發(fā)電機(jī)組滿足用戶電負(fù)荷需求，同時(shí)儲(chǔ)氣罐放氣供氣負(fù)荷使用。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：①協(xié)調(diào)了多種儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，滿足了用戶的電、熱、氣多種負(fù)荷需求；②相比于無(wú)儲(chǔ)能和單一儲(chǔ)能，電氣混合儲(chǔ)能具有更高的風(fēng)電消納率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；③燃?xì)鈾C(jī)組的存在，使晚上利用低價(jià)電存儲(chǔ)的天然氣在白天轉(zhuǎn)化成電能，這種利用峰谷電價(jià)的措施使得系統(tǒng)運(yùn)行成本更低。

圖5   一種利用電-天然氣混合儲(chǔ)能的供能系統(tǒng)示意圖

如圖6所示為一種典型電-氫氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備為燃料電池，儲(chǔ)能設(shè)備為蓄電池和儲(chǔ)氫設(shè)備。該系統(tǒng)中，市電作為對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)的補(bǔ)充手段存在。在晴朗的白天，太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)是滿足用戶電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求的主要方式，產(chǎn)生的多余電力儲(chǔ)入蓄電池或提供給水電解制氫裝置產(chǎn)生氫氣，然后制成的氫氣進(jìn)入儲(chǔ)氫裝置儲(chǔ)存。由于太陽(yáng)能發(fā)電制熱系統(tǒng)只能在白天工作，夜晚不能提供太陽(yáng)能時(shí)，可通過(guò)燃?xì)饩W(wǎng)路提供燃?xì)饨oSOFC(solid oxide fuel cell)或儲(chǔ)氫設(shè)備放氣給PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)為住戶們提供電能(蓄電池同時(shí)放電)和熱能，同時(shí)可從電網(wǎng)購(gòu)入低價(jià)電繼續(xù)儲(chǔ)氫。該系統(tǒng)把氫能源作為能源的載體，利用棄光或谷電可通過(guò)儲(chǔ)氫裝置對(duì)氫氣進(jìn)行短期或長(zhǎng)期的儲(chǔ)存，發(fā)揮了氫儲(chǔ)能的靈活性；利用燃料電池實(shí)現(xiàn)燃?xì)饽艿诫娔艿霓D(zhuǎn)化，同時(shí)利用發(fā)電過(guò)程中的余熱給用戶供暖，實(shí)現(xiàn)了能量的高效利用。

圖6   一種典型電-氫氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

2.3 電-氣-熱混合儲(chǔ)能

電-氣-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)是在電-氣混合儲(chǔ)能和電-熱混合儲(chǔ)能的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和多種儲(chǔ)能設(shè)備，將兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合在一起組成新的儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于建筑負(fù)荷主要由電、熱、氣三種負(fù)荷構(gòu)成，因此電-熱-氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以很好地覆蓋用戶的用能需求。

如圖7所示，電-氣-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由于其復(fù)雜性，根據(jù)具體條件和外部因素影響，可以配備的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備多種多樣，一般由燃?xì)廨啓C(jī)、電鍋爐、P2G設(shè)備組成。儲(chǔ)能設(shè)備由儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣、儲(chǔ)電設(shè)備組成。在電價(jià)谷期，主要通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)電機(jī)組滿足電負(fù)荷需求，從電網(wǎng)購(gòu)入低價(jià)電或棄風(fēng)發(fā)電存入蓄電池內(nèi)或利用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和電鍋爐，實(shí)現(xiàn)電氣轉(zhuǎn)化或電熱轉(zhuǎn)化，滿足氣熱負(fù)荷需求，并將多余天然氣存入儲(chǔ)氣罐，多余熱量存入蓄熱罐內(nèi)；在電價(jià)峰期，主要由燃?xì)廨啓C(jī)滿足用電負(fù)荷，出現(xiàn)電力不足時(shí)蓄電池放電補(bǔ)充電力，若仍不滿足電力需求則可向電網(wǎng)購(gòu)買電力，此時(shí)蓄熱罐和儲(chǔ)氣裝置均處于釋能狀態(tài)，以減少用電設(shè)備出力。該系統(tǒng)的特點(diǎn)為：①相比于電-熱和電-氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，能量流動(dòng)更具多樣性；②燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)熱電解耦，出力更加靈活；③加強(qiáng)了電、氣、熱系統(tǒng)之間的耦合，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；④配置多種儲(chǔ)能設(shè)備意味著初始成本投入的提高，但運(yùn)行成本會(huì)隨之降低；⑤系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性主要受電氣價(jià)格影響。

圖7   一種利用電-天然氣-熱混合儲(chǔ)能的供能系統(tǒng)示意圖

如圖8所示為一種典型電-氫氣-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換設(shè)備有電解池、燃料電池、電加熱裝置等。電價(jià)谷期，從電網(wǎng)購(gòu)入低價(jià)電儲(chǔ)入蓄電池，通過(guò)相關(guān)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化成熱能和氫氣供應(yīng)給用戶或進(jìn)行存儲(chǔ)，用戶電負(fù)荷主要通過(guò)風(fēng)力發(fā)電滿足；電價(jià)峰期，蓄熱罐放熱供應(yīng)用戶熱負(fù)荷，用戶電負(fù)荷需求主要通過(guò)光伏發(fā)電、蓄電池放電、儲(chǔ)氫罐放氣給燃料電池發(fā)電，同時(shí)多余電量可出售給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能獲利。

圖8   一種典型電-氫氣-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

2.4 其他混合儲(chǔ)能

除電-熱、電-氣、電-氣-熱三種常見(jiàn)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)外，還有電-熱-冷混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、電-熱-冷-氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。電-熱-冷混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和電-熱-冷-氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)是在電-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和電-熱-氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝制冷設(shè)備和儲(chǔ)冷設(shè)備。電制冷機(jī)具有能效高，可以在電價(jià)谷期儲(chǔ)存電價(jià)峰期所需冷負(fù)荷提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，而吸收式制冷機(jī)雖然效率較低且容量不足，但其有著可回收多余供熱量的優(yōu)點(diǎn)，因此這兩種設(shè)備是常用的制冷設(shè)備。同時(shí)，由于熱泵技術(shù)可充分利用可再生能源，設(shè)備運(yùn)行時(shí)更為低碳環(huán)保，而且熱泵既可以制冷也可以供熱，減少了系統(tǒng)的初始成本，因此也被廣泛應(yīng)用于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)在綜合能源系統(tǒng)中分別應(yīng)用地源熱泵和空氣源熱泵，在滿足用戶冷熱負(fù)荷需求的同時(shí)高效利用了可再生能源，減少了碳排放。此外，冰蓄冷技術(shù)相比于水蓄冷有著更高的蓄冷密度，電力負(fù)荷高峰轉(zhuǎn)移效果更為明顯，因此也被用于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中。儲(chǔ)冷設(shè)備一般為蓄冷罐，也可從經(jīng)濟(jì)性考慮，采用蓄熱罐一罐兩用，同時(shí)蓄熱蓄冷。

目前，蓄電池是一種主要的電儲(chǔ)設(shè)備。由于蓄電池需要根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)負(fù)荷及峰谷電價(jià)控制出力，而蓄電池充放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或充放電次數(shù)過(guò)多會(huì)影響其使用壽命，同時(shí)蓄電池容量配置受風(fēng)光消納影響，電池容量過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)造成資源不能合理利用的局面，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。相比于電儲(chǔ)，儲(chǔ)熱設(shè)備有著成本較低、可大量存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)；燃?xì)獯鎯?chǔ)設(shè)備有著存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、容量大的優(yōu)點(diǎn)。因此，如氣-熱/冷混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、熱-冷混合儲(chǔ)能系統(tǒng)等不包含儲(chǔ)電設(shè)備的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入人們的視線。文獻(xiàn)考慮了聯(lián)合熱電需求響應(yīng)，在分時(shí)電價(jià)和可再生能源出力特性的引導(dǎo)下，將多余電能轉(zhuǎn)化為熱能和天然氣存儲(chǔ)，降低了購(gòu)氣和制熱的成本，提升了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，但由于依靠能量轉(zhuǎn)換設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為燃?xì)饽芎蜔崮艽鎯?chǔ)，存儲(chǔ)效率較低，因此風(fēng)光消納率不及配有蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。文獻(xiàn)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)能轉(zhuǎn)化率低的主要原因是在電轉(zhuǎn)氣過(guò)程中，電能很大一部分以熱能形式損失掉，而通過(guò)引入熱回收組件，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，其剩余風(fēng)電回收率可達(dá)70.5%以上，這表明氣-熱/冷混合儲(chǔ)能系統(tǒng)有著充分的研究空間。冷-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)系統(tǒng)組成與電-熱-冷系統(tǒng)相似，均設(shè)有電熱/冷轉(zhuǎn)換設(shè)備和蓄熱蓄冷設(shè)備，不同的是根據(jù)建筑外部環(huán)境和使用條件，考慮蓄電池有安裝成本高和使用壽命短的缺點(diǎn)，沒(méi)有蓄電池等儲(chǔ)電設(shè)備。

以上系統(tǒng)的運(yùn)行策略與前文所介紹系統(tǒng)相似，遵循低價(jià)電儲(chǔ)能，高價(jià)電放能的原則，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行，在電價(jià)谷期從電網(wǎng)購(gòu)入低價(jià)電或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為其他形式存入儲(chǔ)能設(shè)備中，在電價(jià)峰期儲(chǔ)能設(shè)備釋能減小用電負(fù)荷高峰同時(shí)滿足用戶的電、熱、冷、氣的負(fù)荷需求，達(dá)到削峰填谷、提升供能質(zhì)量的目的。

3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)性能與經(jīng)濟(jì)性情況

能量供需質(zhì)量和平衡程度是混合儲(chǔ)能系統(tǒng)性能評(píng)估的首要指標(biāo)。考慮能源供需質(zhì)量的因素主要有能源連續(xù)性和能源平穩(wěn)性。能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)常會(huì)因故障或檢修而停運(yùn)，如何保證能源供應(yīng)的不間斷是必需要解決的問(wèn)題。文獻(xiàn)考慮需求側(cè)負(fù)荷的多變性和風(fēng)光可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，在多能互補(bǔ)能源集成系統(tǒng)中加入電、熱、氣儲(chǔ)能設(shè)備以平滑能源和負(fù)荷的波動(dòng)，通過(guò)電、熱、氣之間的多向耦合實(shí)現(xiàn)能源間的相互備用，保證了系統(tǒng)能源供給的高效和連續(xù)。能源的平穩(wěn)性在電能上主要表現(xiàn)為振幅和頻率的穩(wěn)定，供冷供熱方面主要表現(xiàn)在平抑分布式冷熱源的波動(dòng)。文獻(xiàn)以酒店為例，提出一種能源共享平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，有效整合了不同規(guī)模的電、熱、氣系統(tǒng)，通過(guò)電熱儲(chǔ)能設(shè)備的共享，在保證平穩(wěn)供能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能獲利。供需平衡是綜合能源系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保證，負(fù)荷過(guò)高會(huì)造成供能網(wǎng)路壓力提高，不利于設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；負(fù)荷過(guò)低會(huì)導(dǎo)致能源的浪費(fèi)和機(jī)組的閑置。相比于常規(guī)的分供系統(tǒng)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由于其多能互補(bǔ)、多能儲(chǔ)能的特點(diǎn)，對(duì)供需調(diào)度平衡有著協(xié)同作用。同時(shí)用戶會(huì)受價(jià)格激勵(lì)政策影響，改變固有的用電模式，因此常在對(duì)綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度問(wèn)題中考慮需求側(cè)響應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的供需平衡。

此外，削峰填谷作用效果和可再生能源消納水平，也是衡量混合儲(chǔ)能性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)對(duì)包含復(fù)合儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷裝置的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行能量模擬與優(yōu)化調(diào)度分析，并與無(wú)儲(chǔ)能裝置和單一儲(chǔ)能裝置的工況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示采用儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷裝置之后，可以實(shí)現(xiàn)用能負(fù)荷的“削峰填谷”，提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行效率，減少了系統(tǒng)運(yùn)行成本。文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)比裝配電、熱、冷儲(chǔ)能設(shè)備和無(wú)儲(chǔ)能設(shè)備的工況，結(jié)果表明配置混合儲(chǔ)能時(shí)系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納量提高了39.45%。

經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣和工程應(yīng)用至關(guān)重要。通過(guò)總結(jié)近年來(lái)發(fā)表文獻(xiàn)，得到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析情況如表1所示。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本主要由初始成本和運(yùn)行成本組成，初始成本指設(shè)備購(gòu)買費(fèi)用，運(yùn)行成本包括購(gòu)電、購(gòu)氣費(fèi)用，儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行損耗，能量損耗成本等。儲(chǔ)能設(shè)備的種類越多，初始成本也就越高，但通過(guò)合理優(yōu)化調(diào)度，運(yùn)行費(fèi)用會(huì)隨之降低。文獻(xiàn)以中國(guó)北方某酒店為例，通過(guò)應(yīng)用一種兩階段運(yùn)營(yíng)優(yōu)化方法，蓄熱/冷罐的引入使得系統(tǒng)運(yùn)行成本降低了7.7%。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的盈利主要包括通過(guò)分時(shí)電價(jià)的獲利、消納棄風(fēng)棄光、向電網(wǎng)售賣多余電力等。影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性因素主要有可再生能源發(fā)電及負(fù)荷的不確定性、分時(shí)電價(jià)、天然氣價(jià)格、熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)模、儲(chǔ)能設(shè)備大小、運(yùn)行模式等。系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性是相輔相成的關(guān)系，但如果平衡不好，系統(tǒng)則無(wú)法高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，文獻(xiàn)通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與新能源消納兩者之間存在明顯矛盾，當(dāng)經(jīng)濟(jì)性要求得到滿足時(shí)，風(fēng)電消納水平嚴(yán)重不足；當(dāng)關(guān)注風(fēng)電消納時(shí)，運(yùn)行成本又會(huì)居高不下，因此如何平衡好系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系還需深入研究。

表1   混合儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析總結(jié)

4 結(jié)論

本文以持續(xù)、穩(wěn)定的建筑供能需求為背景，主要針對(duì)儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電和儲(chǔ)氣三種方式匹配的混合儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，得到結(jié)論如下。

（1）在混合儲(chǔ)能配置規(guī)劃方面，主要通過(guò)調(diào)度手段以一定需求為目標(biāo)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。目前，根據(jù)現(xiàn)有IES模型優(yōu)化儲(chǔ)能設(shè)備的容量和功率的研究較多，但涵蓋儲(chǔ)能設(shè)備和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備有限，因此完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配置優(yōu)化將成為未來(lái)混合儲(chǔ)能配置的重要研究方向。

（2）面向建筑供能系統(tǒng)常見(jiàn)的混合儲(chǔ)能匹配方式有電-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、電-氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、電-氣-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、電-熱-冷混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、電-熱-冷-氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、冷-熱混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過(guò)P2G和燃料電池組成的清潔能源系統(tǒng)可以同時(shí)滿足人們的電、熱需求，因此搭載儲(chǔ)氫組件的混合儲(chǔ)能技術(shù)可能成為今后混合儲(chǔ)能的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

（3）對(duì)于建筑供能系統(tǒng)而言，能量供需質(zhì)量和平衡程度是混合儲(chǔ)能系統(tǒng)性能評(píng)估的首要指標(biāo)，其中能源供需質(zhì)量的影響因素主要有能源連續(xù)性和能源平穩(wěn)性。此外，削峰填谷作用效果以及可再生能源消納水平也是衡量混合儲(chǔ)能性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的因素主要有可再生能源發(fā)電及負(fù)荷的不確定性、分時(shí)電價(jià)、天然氣價(jià)格、熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)模、儲(chǔ)能設(shè)備大小和運(yùn)行模式等。

引用本文： 夏陽(yáng),金光,張立等.基于建筑能源系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2021,10(06):2169-2180. (XIA Yang,JIN Guang,ZHANG Li,et al.Research status of hybrid energy storage technology based on building energy system[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(06):2169-2180.)

第一作者：夏陽(yáng)（1998—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榛旌蟽?chǔ)能技術(shù)，E-mail：[email protected]

第一作者：郭少朋，教授，研究方向?yàn)槟茉锤咝Ю眉皟?chǔ)能技術(shù)，E-mail：[email protected]。