什么是建筑中的“光储直柔”

建筑“光储直柔”与零碳电力如影随形（2021）
《2030 年前碳达峰行动方案》（国发〔2021〕23 号）中明确提出：提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑。到 2025 年，城镇建筑可再生能源替代率达到 8%，新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%。可再生能源的随机性、波动性将对城市电网的安全、稳定运行带来极大的挑战，制约可再生能源大规模的应用。建筑中采用“光储直柔”技术不仅是解决分布式光伏接入和消纳问题的重要技术手段，而且是面向新型电力系统实现“荷随源动”的重要技术支撑，对于零碳建筑和零碳电力的实现具有重要作用。

一、为什么要“光储直柔”

能源，尤其是电力，其可获得性（accessibility）、可负担性（affordability）和公平性（equity）已成为全球广泛关注的热点。

未来高比例的可再生能源将成为电力供应的主力，由此带来的突出矛盾是可再生能源的发电功率与终端用户用电功率的不同步。按照当前规划的“风光”比例，未来电力紧张的时候，从每天的分布看大概率出现在前半夜，从季节的分布看，大概率出现在冬季，也就是说电力的峰谷将被重新定义。如果需求侧继续保持今天的用电方式，电力不平衡的矛盾就只能依靠电源侧和电网去解决，这也就意味着未来我们很可能承担高昂的电价。建筑“光储直柔”技术恰恰是在城市尺度协同供给侧和需求侧，以全社会成本最低的方式解决电力不平衡的技术创新方法。

从建筑节能发展历程看，从设计、施工到运行，建筑本体的性能以及设备系统效率大幅提升，采暖空调占建筑能耗的比例由过去的三分之二逐步降低到三分之一。与此同时，随着生活水平和智能化水平的提高，电器设备用能比例逐步提高。在建筑电气化的背景下，未来是继续把钱花在建筑本体的能效提升还是兼顾建筑用能的灵活性上，这是值得深入研究的。美国能源部今年 5 月公布的国家建筑电网集成路线图（A National Roadmapfor Grid-InteractiveEfficient Buildings）认为，考虑可再生能源边际成本的降低，未来建筑负荷灵活性的作用甚至超过能效提高发挥的作用。“光储直柔”技术是在建筑能效提升基础上进一步实现与电网友好交互的新型建筑配电技术。

二、什么是“光储直柔”

“光储直柔”是在建筑中以直流母线为核心架构，接入分布式太阳能光伏、分布式储能和可调节建筑负荷，通过建筑柔性技术，以“荷随源动”的方式与电力系统进行交互，解决未来以高比例可再生能源为主要电源的新型电力系统所面临的波动性与随机性问题。

“光储直柔”的“光”，是分布式太阳能光伏
近十几年太阳能光伏技术有了快速的迭代与进步。从美国可再生能源国家实验室更新的效率曲线看，实验室光伏材料转化效率已达到 47.1%。当前量产的晶体硅组件效率也很容易达到 22% 以上，且成本下降到不足过去的 1/10，即便没有补贴，在一般工商业电价、居民电价的条件下，光伏建筑应用已经具备了很好的技术经济性。考虑未来光伏行业的技术进步，如 N 型 PERC 组件、钙钛矿电池等，光伏建筑应用的技术经济性将得到进一步提升。

“储”就是分布式蓄能，广义上说有很多种方式，包括电化学储能、储热、抽水蓄能等
这里重点是指电化学储能（尤其是利用电动车本身的电池）及利用建筑围护结构热惰性和生活热水的蓄能等。我国电动车每年的产销量已达百万辆规模以上，电动车实现双向充放电对电网运行将起到巨大的调节作用，然而电动车 - 电网（V2G）技术由于大量并网点的存在将给电网运行带来巨大的挑战。建筑 - 电动车 - 建筑（BVB）技术实现了建筑用能和交通用能的耦合，电动车只会向建筑反向送电，建筑不会向电网反向送电，从而在根本上解决 V2G 的重要瓶颈。充分利用建筑围护结构热惰性和生活热水也是蓄能调节的有效手段。比如，夏天我们的办公楼早一点开启空调，或者用电高峰时在满足舒适度的条件下适当减少空调开启台数，或者在夜间利用谷电（未来主要是风电）把家里的生活热水加热等，这些看似微不足道的行为对于电力的负荷迁移发挥着举足轻重的作用。

“直”就是低压直流配电系统
随着建筑中电源和负载的直流化程度越来越高，直流供配电是一种更合理的技术选择。电源侧的分布式光伏、储能电池等普遍输出直流电。用电设备中传统照明灯具正逐渐被直流化的LED 替代，各种变频的空调、冰箱、洗衣机、水泵等是依靠直流驱动，电脑、手机等数字化和智能设备也是直流负载。直流供配电技术对于提高建筑能源系统效率、提升用户安全性和使用便捷性具有先天的优势，同时由于没有相位、频率的变化和谐波的影响，更容易实现建筑能源系统的智能控制，并根据电网的供给能力智慧用电。

“柔”就是柔性
以化石能源为主的传统电力系统的调控模式是“源随荷动”，终端用户负载的变化由电源侧
的实时调节来平衡。当风电、光电成为主要电源后，其发电功率由当时的天气状况决定，增加巨大的蓄能固然可以实现源与荷的平衡，但成本高昂。建筑用能柔性，本质上是终端用户根据高比例可再生发电的发电规律来智慧用电，做到你怎么发我怎么用，即“荷随源动”。尽管这样的建筑仍然从电网取电，但其取的是绿色电力，更重要的是能够按照绿色电力的发电规律用电，做到了绿色用电。在建筑全电气化用能的条件下，这样的建筑本质上就是零碳建筑。传统建筑配电是以电网为坚强后盾，满足终端用能；柔性用电是以高比例可再生能源为主要电源的电网供给能力约束条件，实现分布式光伏、储能、建筑用能和市政电力四者的动态平衡。

三、“光储直柔”前景展望

建筑节能技术的发展已经使我们能够准确告诉电网明天我们怎么用，现在要解决的问题是，在满足用户舒适度的前提下，电网希望我们怎么用我们就怎么用。“光储直柔”技术无论在城市建筑还是农村建筑，都能够很好解决当下电力负荷峰值问题以及未来高比例可再生能源发电规律与终端用电规律不匹配的问题，建筑用能完全具备与电网友好交互的能力。据《直流建筑发展路线图 2020～2030》预测，民用建筑安装分布式光伏容量每年新增约 20GW 以上，分布式储能容量每年新增约 1000万 kWh 以上，到 2030 年建筑“光储直柔”相关产业年产值约 7000 亿元，累计将达 3.6 万亿元以上。

“光储直柔”不仅是技术变革，还是思维方式和认知理念的变革。首先，应加快新技术的研发与应用，比如新型高效光伏材料、高安全性储能材料、低功耗第三代半导体、柔性电器设备、低压直流配电技术以及虚拟电厂技术的研发与应用等。其次，要转变思维方式。“光储直柔”的边界绝不仅仅是在建筑圈儿，而是在城市尺度建筑、交通和电力的协同发展，各扫门前雪的做法已经不能适应互联互通的时代需求。再比如对于绿电的理解，通常我们认为绿电是指其来源绿不绿，来源于风电、光伏和水电就是绿电，但在高比例可再生能源供应的时代，绿电不仅仅是发的绿不绿，更重要的是用的绿不绿，是否能按照风光等发电规律做到柔性用电。再次，应加大公众宣传与引导。比如大家对分布式光伏建筑应用的认知，对电动车双向充放电技术的认可和充电桩进楼的接受，对电力商品属性的理解等。国家已明确碳达峰与碳中和的目标，能源领域有了清晰的发展路径，在建筑电气化的背景下，“光储直柔”协同电动车预计每年可消纳自身和外界的风电、光电 3～4 万亿 kWh，将对建设和发展以风电、光电为主的新型电力系统发挥至关重要的作用。

访谈

光储直柔，行走未来（——访深圳未来大厦直流配电技术应用项目团队负责人郝斌）（2021）
在追求技术科研创新工作中，不以明哲保身作为退路，往往就是最佳路线! 团队下定心，放弃交流配电，采用全直流配电建设未来大厦的未来。

同行相见，确实有人问起，觉得我由“暖通”领域转战了“电气”领域，或许这就是开始吧! 事实上，我个人从未觉得我转行了，无论是“暖通”专业，还是“电气”专业，平心而论，都是建筑机电体系，本质上都是探索如何营造舒适的建筑环境。从专业视角来讲，如果希望完成这项任务，需要暖通、强弱电、电力电子、电力系统等多专业的融合与交叉，这就是任务本身的挑战性。中建西南院冯雅总不经意的一句话对于我们的团队是莫大鼓励! 他说: “暖通传热涉及三种方式且是三维的，电气没有那么难”。因此，与其说是转行，不如说是在行业创新的大势所趋下，不得不探索学习。

与传统建筑配电技术相比，直流建筑配电技术应用的最主要创新体现在哪里?

在建筑行业工作多年，做建筑节能工作最先想到的就是系统效率的提升。国内外的文献对于系统能效提升的讨论非常多，但不同文献的结论大体相同，即直流配电系统较交流配电系统可节能 5%～15%。因为新能源技术所带来的电力资源是直流的，末端设备也是直流驱动的，不管是 LED 照明，还是各种变频的空调、冰箱、洗衣机，抑或是电脑、手机等小功率设备，直流设备无处不在，这样我们就可以省去很多的 DC /AC 和 AC /DC 转换设备。事实上，我们很难找到两个相同的交直流场景去做比对实验验证，当然用仿真的手段也是一种方法，如何更加科学地做好比对也是一个研究方向。

其次，想到的是应用直流配电系统时用户安全性和使用便捷性的提升。安全性提升涉及两个方面: 1) 由于直流系统采用 IT 不接地的方式，或者准确地说是高阻接地，当发生人触碰到单极导线时不会形成回路，这种优势在今天很多市政照明系统得到了广泛的应用; 2) 由于配电末端采用特低直流电压，如48V，即便发生人员触碰，也不会有任何危险。便捷性提升是指优化我们现在使用的绝大多数末端电器设备，使其都是直流用电产品。大家背包里经常要携带各种电源适配器，就是那些各种方形或长方形的小东西，当采用直流配电系统后，这些小配件就不再是必备之物了。( 注: 字母 I 表示电源侧没有工作接地或经过高阻抗接地; 字母 T 表示负载侧电气设备进行接地保护。)

第三，直流系统更有利于电气智能化技术应用，系统控制会更简单。首先部分时间、部分空间的用能理念与直流系统的拓扑可以做到很好的吻合。换句话说，以房间或空间为单元的用能需求，与 DC375 /48V 变换和控制单元相一致。更重要的是，直流系统允许母线电压大范围的波动，如在 300～400V 之间，这就为实现光伏、储能、柔性用电设备、电网四者协同控制奠定了非常好的基础。

第四，直流系统能够很容易实现与电力系统的交互。在讨论零能耗建筑技术时，更多是从建筑自身的用能来考虑的。当建筑可再生能源的产能量大于等于该建筑用能量时，这座建筑就是零能耗建筑。如果说未来建筑电气化时代用能以电为主，上述零能耗建筑虽然在能量总量上是满足的，但由于产能和用能时序上的不匹配，会导致我们的建筑仍要在很多用电高峰时刻从电网取三分之一左右的电量，而光伏发电量富余的时候又往往是电网不需要的时候。这就意味着，要更多地考虑建筑用能的外部属性———建筑如何与电网对接? 很多人问我，当你们搞了光伏和储能以后，是不是不需要电网了? 答案恰恰相反，我们需要电网，电网也需要我们，相互帮助不仅是美德，更是全社会系统成本降低的必然。

其他价值还包括直流系统能帮助我们实现供电可靠性的解耦，等等。更多的好处期待与大家一起在实践过程中发现。

深圳建科院未来大厦是国内首个已经建成的全直流建筑。请您为读者介绍一下已入驻大楼的用户对该直流建筑的评价

由于受到新冠肺炎疫情影响，团队对建筑的进一步调适以及安全性、电能质量、能效等实验验证推迟到了2020 年 5 月开展。在调适期间，空调、照明、电脑、会议室设备等都运行得很好。目前，项目指挥部、施工单位、建设单位和我们实验室的主要研究人员在未来大厦办公。未来大厦采用的直流多联机空调系统与灵活空间很好匹配; 大家觉得色温、照度可调的直流照明系统更舒适，手机充电更方便，电脑接入也很省事，因为真的都无需带充电线和充电器……当然，有其他诉求的时候，每一位用户的意见和反馈都是我们的研发动力。比如，南方人有喝茶的习惯，大家的茶台不能接电，想办法改; 烧姜汤的电磁炉不能用，想办法改; 存冰棍儿和饮料的冰箱没有，想办法找; 还有用户要电扇不要空调的，想办法找或定做。就这样，直流产品的生态链逐渐地完善起来，我们也建立了直流产品库，方便后续更多用户找到自己心仪的直流电器和设备。当然目前也还有要继续直流化的产品，比如打印机、复印机等，技术上已经没有任何问题，只是产品量产的问题，相信很快也能够得到解决。

其实我们的团队所做努力更多的是深度融合直流技术与绿色建筑技术。我们试图让使用者更多地感受到技术。正如之前所说，未来大厦本身就是绿色建筑，采用了装配式建造、灵活空间、超低能耗、可再生能源等多项技术，结合公司在绿色建筑领域“五感六性”的研究( 包括使用者的味觉、嗅觉、视觉、听觉、触觉，以及技术的安全性、适用性、舒适性、健康性、环境性和经济性) ，建立了数据与“五感六性”的关联，相信每一位使用者都会有自己不同的感受，后续我们将开放线上参观渠道。

在各种类型的建筑物当中，您觉得“直流建筑”技术能够率先在哪一类建筑中实现规模化发展?

直流配电在建筑中是从照明系统开始应用的。天津大学求实大厦采用直流配电覆盖了全楼的室内外照明; 清华大学紫荆公寓室内外照明也采用了直流配电技术。LED 光源的发展是照明系统直流化的助推器。

据不完全统计，国内低压直流建筑项目已达到 20 多项，如国网江苏电科院在苏州同里小镇项目采用中低压直流配电技术开展了积极的探索，等等。这些项目中，我印象最深的是广日电气实验楼项目，广日人在 2014 年建成了 2000 多平方米的直流实验楼，光伏技术、储能技术一个不少，直流开关、插座自己开发，末端电器特低压直流化，甚至包括自己生产的电梯也在直流化。遗憾的是，由于种种原因，现在已基本停用，但我在参观这一项目时仍然能够强烈地感受到昔日广日人的探索精神。

直流建筑适合在哪些场景应用是大家一直在不断探索的。在当前的技术条件下，个人觉得:

从负载的角度看，直流建筑宜从办公类建筑、中小学、幼儿园、康养类建筑、公寓式建筑，以及农村居住建筑等率先开展应用。这些建筑中，电器种类几乎全部是直流负载，有的对于安全性和便捷性要求高，适合优先发展。比如，山西芮城县庄上村的直流微网项目正在实践中，“光储直柔”技术已经应用到几十户老百姓家中，并且很好地解决了农村清洁采暖的问题。

从建筑新能源利用的角度看，采用分布式太阳能光伏技术的建筑，宜采用直流配电或交直流混合配电系统，以提高新能源的使用效率。

从建筑与电网的关系角度看，负荷大、波动性强、对能源费用敏感的建筑宜采用“光储直柔”技术，一方面用电形态与电网更友好，更重要的是同时能够降低建筑自身的能源费用。

您如何看待国际上关于“直流建筑”的技术研究和产业发展近况?

在直流建筑联盟 2020 年发布的《直流建筑路线图》( 2020—2030) 中，较为全面地介绍了国际直流建筑技术研究情况。有兴趣的读者，可以通过直流建筑联盟公众号和小程序查阅; 联盟也将通过《建筑节能( 中英文) 》杂志进行公开介绍。客观说，国际同行起步比我们早。2007 年，美国弗吉尼亚理工大学提出采用直流母线为未来住宅和楼宇提供电力。北卡罗来纳大学进一步研究了交直流混合供电系统。荷兰和日本等国家也针对住宅建筑提出了不同形态的直流系统。

随着对建筑直流系统的认识逐渐深入，国际同行的研究范围逐步由配电向建筑用电转变，不仅关注通过直流配电技术减小转换环节的能耗损失，更关注建筑用电电器的配合和智能化发展。日本三菱、夏普、索尼、松下等大型家电生产企业先后开发了适宜住宅使用的“住宅能源管理系统”，提出了“直流生态住宅”概念，并且开发了直流空调、电视机、冰箱等一系列的家电产品。

其实直流建筑的发展也并不是无中生有，直流配电技术在舰船、航空、地铁等领域已经有了广泛的应用，数据中心的直流化也在蓬勃发展。2018 年上映的《电力之战》，把我们带回到百年前特斯拉和爱迪生的交、直流大战。当时的重要原因之一是交流的升降压容易。MOSFET、IGBT 等电力电子技术的进步逐渐扩展了直流配电的应用领域，新出现的碳化硅( SiC) 和氮化镓( GaN) 半导体技术将进一步促进直流建筑的发展，大家熟悉的手机快充就是很好的新技术应用。

国际上开展直流建筑研究的重要因素之一还包括“确保人人获得可负担、可靠和可持续的现代能源”。我们国家率先实现了村村通电、户户通电，部分偏远地区通电成本超过每户 8 万元。在东南亚、非洲等很多“一带一路”沿线国家的偏远地区至今还没有电力应用。与光伏和储能设备结合，低压直流配电技术是解决无电区的利器，将极大地改善能源匮乏地区数以百万计的居民的居住条件和生活质量。

您觉得，当前行业需要解决的主要障碍是什么?

直流建筑不仅仅是简单由正弦波变为直线的过程，其重要特征是光、储、直、柔以及四者的协同。

“光”就是分布式太阳能光伏。说太阳能光伏技术这十年有了翻天覆地的变化不为过。从美国可再生能源国家实验室( NＲEL) 更新的效率曲线看，50%的转化效率不是梦，我们都能看到这一天的到来。当下量产的效率在 20%已经是很容易的事，而成本已经下降到过去的 1 /10，这几乎是不可想象的科技进步。

“储”就是储能，广义上说有很多种方式，包括电化学储能、储热、抽水蓄能，等等。这里我理解的重要的是电化学储能，尤其是利用电动车本身的电池，以及利用建筑热惰性的蓄能。我国电动车每年的产销量已达百万辆，五菱宏光电动车少的有十几度电，比亚迪等电动车有 70 kW·h 甚至 100 kW·h 电。这些电动车的充电问题在未来是极大的挑战，把劣势变为优势也许通过技术进步能够解决。未来电动车实现双向充放电，不仅能满足电动车的交通工具属性，也能够成为电力在末端的调节手段。江老师最近提出的“光伏 + 免费充电桩”模式也许不是不可能实现的。

“直”就是直流配电系统，既然分布式光伏、储能是直流的，末端电器与设备是直流的，再加上之前讨论的那些好处，好像也没有不深入开展研究与应用这一技术的理由了。

“柔”相对复杂一点。国外通常用 flexibility 或者 resiliency 来表达。而我们这里说的“柔”，一方面是电器设备自身具备柔性调节的能力，就是根据母线电压的波动动态调整输出功率，一方面是通过光伏、储能以及负荷三者的动态匹配实现与电网的友好对接。当下的技术已经使我们能够准确告诉电网明天我们怎么用; 现在要解决的问题是，电网希望我怎么用就怎么用。幸运的是通过与国家电网、南方电网的多次磨合，彼此的痛点与需求日渐清晰，“光储直柔”技术能够很好解决当下电力负荷峰值突出问题，以及未来与高比例可再生发电形态相匹配的问题，建筑与电网将成为“要好的朋友”。

当然，我们在推进“光储直柔”的过程中，会面临各种需要解决的问题。比如大家对分布式光伏的认知与理念问题，电动车充电桩进楼以及双向充放电的问题，直流生态链不够丰富的问题，电力负荷调节机制的完善，等等。事实上，这些看似障碍的问题，解决过程就是技术创新的过程，就是跨行业发展融合的过程，这也正是从业者的最佳时代机遇。

国家已明确 2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和的目标，能源领域渐渐有了清晰的发展路径。“光储直柔”思路得到了越来越多学者、企业家甚至金融界朋友的关注。“光储直柔”不仅仅是技术变革，其中也包括一定的理念与文化。