暖通空调 HV&AC 2022 年第 52 卷第 7 期 1 引用本文:龙惟定 .碳中和城市建筑能源系统( 2):网络篇[ J].暖通空调, 2022, 52( 7): 1 17. DOI:10. 19991/ hva c 1971. 2022. 07. 01 j. 碳中和城市建筑能源系统 (2): 网络篇 龙惟定 ☆ (同济大学,上海) 摘要:本文是碳中和城市建筑能源系统系列文章的第二篇,分别概要介绍了城市能源系统 中的电网、热网和燃气网在碳中和背景下的新概念、新技术及新方法。强调未来的能源网以电网 为主,三网融通,构成城区的能源互联网。综述了智能 电 网 的 灵 活 性、热 泵 在 智 能 电 网 中 的 重 要 作用、城区能源总线中的负荷多样性和保持网络水温的技术、基 于 CO2 的 区 域 能 源 网 络,以 及 城 区层面氢燃料的制备、输送、储存等技术问题。 关键词:碳中和;建筑能源系统;智能电网;灵活性;热泵;能源总线;负荷多样性;氢气 Bu i ldi ngene rgysys t em o fcarbonneu t ral i t i t i es ( 2):Ne twor k yc Long We i d i ng ( Tong iUn i ve r s i t i) j y,Shangha Abs t rac t:Th i sa r t i c l ei st hes e condi nas e r i e so fa r t i c l e sont hebu i l d i ngene r s t emo fca rbonneu t r a l i t gys y y c i t i e s,ou t l i n i ng new conc ep t s,t e chno l og i e sand approa che sf o rt he powe rg r i d,hea t i ng/coo l i ng and ga s ne two rk so fu rbanene r s s t e m s i nt h ec o n t e x to fc a r b o nn e u t r a l i t . I t i se m h a s i z e dt h a t t h ef u t u r ee n e r gy y y p gy ne two rki ssma r t r i d -ba s edandt het hr eene two rk sa r ei n t eg r a t edt of o rm anene r n t e rne ti nu rbana r ea s. g gyi , , Thea r t i c l er ev i ewst hef l ex i b i l i t o fs m a r t r i d s t h ei m o r t a n tr o l eo fh e a t u m si ns m a r t r i d s t h el o a d y g p p p g ( ) , d i ve r s i t i nt h e e n e r b u s E B u s a n d t h et e c h n o l o i e st o m a i n t a i n E B u s n e t w o r k w a t e rt e m e r a t u r e y gy g p , , , CO2-ba s edd i s t r i c tene r n e t w o r k s a n d t h e t e c h n i c a l i s s u e s s u c ha s r e a r a t i o n d e l i v e r s t o r a eo fh d r o e n gy p p y g y g f ue la td i s t r i c tl eve l. Keywords:ca rbon neu t r a l i t i l d i ng ene r s t em;sma r tg r i d;f l ex i b i l i t tpump;ene r s y;bu gys y y;hea gy bu ( ; EBu s);l oadd i ve r s i t h d r o e n y y g 0 引言 本文是碳中和城市建筑能源系统系列文章中 力法》第 25 条规定:一个供电营业区内只设立一个 的第二篇,即综合能源系统的源 网 荷 储 用五大 中和能源结构中可再生能源电力占有重要地位,尤 环节中的第二环。与传统能源系统相同的是,碳中 和城市建筑能源系统还是以电网(城区尺度上是配 电网)、燃气网 和 热 网 作 为 基 础 设 施。 主 要 差 别 在 于: 1)传统电力系统是发电厂的电力通过高压输 电 网 到 城 区 变 电 站,降 低 电 压 到 中 压 (一 般 在 35 kV 以下),通 过 配 电 网 络 到 用 户 变 压 器 或 子 变 电 站,进一 步 降 压 到 标 准 电 压 (我 国 标 准 为 线 电 压 380V、相电压 220 V),接 入 用 户 端。 它 是 一 种 从 顶到底的供电方 式,电 力 流 向 是 单 向 的。 国 家 《电 编者按:扫描右上角二维码,可阅读相关文章。 供电营业机 构。即 电 力 系 统 是 高 度 垄 断 的。而 碳 其是建筑屋顶光伏、建筑光伏一体化( BIPV),使大 量小规模发电设施并入配电网,建筑成为能源资产 的一部分,千千万万用户成为既用电也发电的产消 者( r osume r)。这些用户也有了自己的利益诉求。 p 它是一种从顶到底 与 互 联 互 通 结 合 的 互 联 网 供 电 模式,电力流向是双向的。大量可变可再生电力的 接入,给配电网带来前所未有的挑战:电网拥塞、电 压波 动、频 率 不 稳 定、供 需 不 平 衡。传 统 电 网 好 比 ☆ 龙惟定,男, 1946 年生,硕士研究生,教授 201112 上海市闵行区联航路 1505 弄 5 号楼 1607 室 E-ma i l: we i d i ng l ong@t ong i. edu. cn j 收稿日期: 2022 04 09 修回日期: 2022 05 11 2 暖通空调 HV&AC 2022 年第 52 卷第 7 期 大象,建筑可再生电力好比蚂蚁,蚂蚁多了,大象也 会不胜其扰。 2)由于热 媒 在 传 输 过 程 中 有 较 大 能 量 损 失, 因此热网规模远小于电网。一般有 4 种形式:城区 尺度的大型集中热网、单体建筑规模的中型集中热 网、分楼层或分户 的 小 型 集 中 供 暖 系 统,以 及 全 分 散方式供暖。在寒冷地区以供暖为主的城区,大型 集中区域供热系统 比 较 普 及,即 中 心 能 源 站 (大 型 本刊特稿 1 智能电网 1. 1 什么是智能电网? 查阅各种关于智能电网的定义,感觉大多都语 焉不详。一种普遍的认识是,将智能电网看成传统 电网 +ICT(信息通信技术);另 一 种 来 自 电 力 部 门 的理解是,智能电网 就 是 “坚 强 电 网”,即 用 数 字 化 技术保证电网不受各种外部因素的干扰,保护电网 安全。这些定 义 都 有 失 偏 颇。智 能 电 网 是 碳 中 和 锅炉房或热电联产)制 热,通 过 管 网 输 送 到 用 户 端 城市能源系统的基础。它的发展取决于三大因素: 热力站,再配送到终端供暖或热水设备。而除了大 第一,城市能源系统的脱碳化。为了消除化石燃料 型商务区等负荷密集场所,供冷系统还是以中型集 燃烧的直接排放,需要实现城市建筑能源系统的全 中以下的方式为主。除炎热地区外,即使采用大型 面电气化。电力来 源 于 可 再 生 电 力 对 电 网 的 高 比 集中的区域供冷,也一定会结合区域供热。在碳中 例渗透。可再生能源发电的间歇性、波动性和不稳 和语境下,一 个 重 要 的 措 施 就 是 要 实 现 供 暖 电 气 定性给电网(尤其 是 配 电 网)的 安 全 和 可 靠 带 来 重 化,摆脱化石燃料燃烧带来的 CO2 排放。供暖电气 大的挑战。第二,城市能源系统的去中心化。用户 年《中国统 计 年 鉴》, 2020 年 我 国 城 市 集 中 供 热 提 取代了原有的集中式系统。同时,对用户端千千万 化中采用热泵供暖是最 好 的 技 术 选 择。根 据 2021 端大量小规模光伏接入配电网,使分布式能源系统 供了蒸汽总量 6. 5 亿 GJ、热水总量 34. 5 亿 GJ,照 此测算仅城市集中供 热 的 CO2 排 放 量 就 近 3. 5亿 万的产消者,要容许各种不同类型发电和储能系统 t。如果加上城 镇 和 农 村 的 散 煤 供 暖,估 计 CO2 排 放量将超过 5. 5 亿 t,占 全 国 碳 排 放 总 量 的 5% ~ 6% 。所以,建筑供 暖 电 气 化 是 实 现 城 市 建 筑 碳 中 和的最主要的措施之一。由于使用热泵,相应地城 市热网也需要转型。 3)相 对 煤 炭 而 言,天 然 气 燃 烧 产 生 的 CO2 和 污染物都比较少,因此被当作清洁能源。但在碳中 的无差别接入,给电网运行的稳定性和供需平衡带 来挑战。第三,电力市场从单一利益主体变成多元 利益主体。管理电 网 的 公 用 事 业 公 司 从 经 营 者 变 身为服务者,用户从被动接受需求侧管理转变为主 动提供需求侧 响 应。 智 能 电 网 要 提 供 满 足 各 类 用 户需求的电能。电网给用户的不再仅仅是供电,而 是供冷、供热、供气等全方位的能源服务。这对电网 的平台化、各种资源的整合和共享、各种能源载体的 和语境下,天然气 燃 烧 是 建 筑 的 直 接 碳 排 放,除 了 转换和替代、各方利益的博弈和共赢提出了很高的 炊事等少量用途外,城市里不应再有天然气燃烧供 要求。这三大因素要求在配电网层面必须具备很强 暖/供热水(包括 以 供 暖 供 冷 为 目 的 的 热 电 联 产)。 天然气管网 将 会 改 为 电 制 气 ( P2G, rt oga s) powe 的自愈能力,即可以在平时具有预防控制和故障自 动恢复功能、在灾害和战争期间具有孤岛运行能力、 管网,或将生物质 气、氢 气 和 人 造 甲 烷 注 入 和 掺 混 在运行 中 具 备 多 参 数 优 化 和 决 策 支 持 的 算 力。因 进天然气,或 改 造 成 氢 气 管 道。但 与 天 然 气 相 比,