!"#$%&'()*&+, -./0123&456789 Research on green power consumption certification mechanism and virtual power plant based on energy flexible buildings !"#$%&'()*+,-./01 2322 4 53 61 Shenzhen Institute of Building Research co., Ltd October, 2022 !"#$ !"# $%% & - / !12 . 0 ' Li Yemao Lu Yuanyuan Chen Quan Peng Chen ( ) *+, !34 Hao Bin Li Yutong Kang Jing Deng Zhihui Li Zhongdong %& 56789:;<=>?@ABCDEFGHIJK8LMNOPQRSOTUV 567WLMNOPXYZ;67[\]^_K^_`a: G-2019-33440V b567@AcdeK@Afghij9:RklEFGHmen<=oLpP qrstu]vwTUKhijxy<=zkw{|}~]•€?•]‚ƒz„ …Kb†‡ˆ‰Š‹Œ•Ž•V !"'()*/!"+,-./ 9:;<=>?@ABCDEFGH•‘’“<>B”“Wn€”•–—˜™~m šn›œ•>@žsŸmšn ¡<=¢£¤¥mn€ >©ª«N¨K¬en ¡<=¦§N¨mšn ¡Z;-®¯°•±²³K2000 ´¬x•µ¶U·¸ ¹enº¡–»Z¼½¾¿V<>B]ÀÁWÂÃZ;KÄÅƳÇÈV LMNOPWbÉnÊËÌÍÎϵÐ]•~ÑÒÓËGÔÕÖ[×K¶ 1999 ´ØÙbenØÚžsKÛw¶enÜU·LMÝÚVLMNOP]ÀÁWÞc ßàÜU·LMáàenzâã]äåÝÚzæçèšV !" 在碳中和、碳达峰的背景下，建筑领域和电力领域都面临着转型的压力。在 建筑领域，城市的高容积率、高负荷密度特征决定了城市建筑周边的可再生能源 非常有限。叠加城市经济快速发展导致的用能需求增长势头，大多数城市建筑无 法依靠自身节能和屋顶光伏实现碳平衡，在深度脱碳的路径上陷入困局。在电力 领域，随着用电负荷峰值连年增长和峰谷差不断拉大，叠加风光电等波动性能源 并网规模的不断增加，电网调峰压力越来越大，迫切需要引入大量灵活可调资源。 从节能到柔性的思维转变是破局的关键。从建筑角度，如果只局限在建筑红 线内对建筑能源系统做优化，很难实现碳中和目标；而上升到城市整体层面，电 网可以为建筑提供更丰富零碳电力资源和更可靠的电力供应保障，而且整体方案 的社会总成本更低。从电网角度，未来高比例风电的渗透会到来灵活性资源的紧 缺，建筑中的空调、热水、充电桩等可调节负荷是未来可挖掘的用户侧灵活性资 源。柔性用电可以促进建筑和电网的携手低碳发展。 本项目围绕着通过柔性用电促进建筑和电网携手低碳发展的主题，结合虚拟 电厂的发展现状，对基于柔性用电的虚拟电厂模式和绿电消费认证机制开展研究， 分析了虚拟电厂在实现建筑与电网互动中的作用，比较了建筑柔性负荷的优劣势， 指出了建筑虚拟电厂脱“虚”向“实”的发展方向，开展了建筑负荷调节能力的 测试分析，提出了绿电消费认证机制的建议。 本项目于 2021 年 11 月在能源基金会立项，执行期 1 年，于 2022 年 10 月结 题。项目研究工作得到了深圳供电局有限公司、中国建筑节能协会等合作机构的 支持，得到了来自建筑和电力两个行业的专家学者的鼓励和帮助。项目研究成果 支撑了直流联盟年度报告《携手零碳——建筑节能与新型电力系统》的出版、 《深 圳市零碳建筑评价标准》的立项、南方电网科技项目《面向大规模可再生能源消 纳的城市建筑与电网互动关键技术研究与应用》和《电网友好型零碳建筑关键技 术研究和集成应用》的开展。 1 #$%& n 建筑和电网如何携手低碳发展？ - 建筑需要在节能的基础上进一步减碳。建筑领域正在从能耗“双控”向 碳排放总量和强度“双控”转变，低碳发展成为新的发展方向。电力是 建筑能源消耗的主要形式，其在建筑终端用能中的占比已经接近 50%。 为了实现建筑运行的低碳化，需要提高绿电消费比例，降低建筑电力碳 排放。然而，城市高容积率、高负荷密度特征决定了城市建筑周边的可 再生能源非常有限，再叠加城市经济快速发展导致的用能需求增长势头， 大多数城市建筑无法依靠自身节能和屋顶光伏实现碳平衡。在节能基础 上，建筑如何进一步减碳是城市低碳发展面临的问题。 - 风光并网趋势下电网调峰需求日益增长。当前，电网面临 100 小时的负 荷尖峰问题。2021 年夏季，全国多地经历了持续高温天气，空调使用需 求激增，叠加疫情后工业生产复苏，多地用电负荷也创下了历史新高， 很多地区都出现了电力供需偏紧的现象，不得不通过有序用电来保障电 力供给平衡，甚至拉闸限电的极端措施也时有发生，对工业生产、居民 生活都带来了困扰。未来，电网调峰需求进一步增长。随着风光电并网 规模的增加，电力紧张和电力盈余往往会以天为周期甚至更短时间为周 期反复出现。电力系统的调峰需求不再局限于 100 小时的负荷尖峰，而 可能随机广泛分布在全年 8760 小时。电力系统需要大量调峰和储能设 施，能够在风光出力偏小的时候填补电力缺口，在风光出力偏大的时候 储存过剩电力。电网调峰需求的增长为灵活性资源的发展创造了机会。 - 柔性用电成为建筑和电网携手低碳的契合点。从建筑角度看，如果局限 在红线内对建筑能源系统做优化，有限的资源和高昂的储能成本使得碳 中和目标难以实现。利用电网连接丰富零碳电力资源、获取更可靠的电 力供应保障，建筑领域能够以更低成本的方式减碳。从电网角度看，建 筑中的空调、热水、充电桩等可调节负荷是潜力巨大的灵活性资源。挖 掘建筑中的灵活性资源有助于解决日益增长的调峰需求，促进风光等波 动性可再生电源的发展。建筑基于柔性用电为电网提供大量低成本的调 2 节资源，以帮助电网解决调峰问题；相应地，电网给建筑提供更高比例 的绿色电力，以帮助建筑实现电气化和低碳化。以柔性用电为契合点， 建筑领域和电力领域可以携手低碳发展。 - 建筑节能的思维转变：能效和灵活性的双提升。基于柔性用电的建筑和 电网携手低碳的模式改变了建筑节能的传统思维。以前，建筑节能关注 总电量的减少，不同时间节电没有区别；未来，电力市场和绿电交易市 场将帮助人们发现不同时间用电的经济成本差异和绿电占比差异，即使 同样节省一度电，但是因为发生时间不同而产生不同的经济效益和减碳 效益。在峰谷电价差 4 倍以上的地区，节约高峰时期一度电的效益比节 约低谷时期四度电的效益还多。能源效率将不再是唯一的节能指标，可 调节能力也将得到重视。 图 I 基于柔性用电的建筑与电网携手低碳模式 n 虚拟电厂实现建筑与电网的柔性互动 - 建筑负荷应该先聚集，再与电网进行交互。首先，由于管理需要，电力 系统发布的调节产品类型，无论是需求响应、可中断负荷、一次调频、 二次调频、还是调峰等，都有最低容量要求和调节性能要求。建筑可调 节负荷的体量小且不确定性大，需要通过负荷聚集满足准入条件。其次， 建筑用户在电力交易方面的专业能力不足，需要中介为其提供能力评估、 接入方案、改造建议、调控策略等专业性的咨询服务和技术支持。中介 与电力用户之间可以签署简单的零售合同，使建筑用户不用直接面对各 3 类复杂的电力市场交易规则。 - 用虚拟电厂实现灵活资源聚合。虚拟电厂是一种能源电力的创新商业模 式，可以实现分布式发电、储能和可调节负荷等电力灵活资源的聚合与 调度，为了电网调峰开辟了新途径。从国家相关主管部门到电网企业， 均出台了一系列政策、实施细则等予以支持，以鼓励虚拟电厂模式的探 索与发展。在国外，虚拟电厂已经是一种成熟的商业模式；在国内，虚 拟电厂才刚刚起步，相关的政策机制还不完善，主要是以试点示范的形 式在推广。国内试点遍布上海、冀北、广东、山东等地，主要由电力调 度机构发布邀约型需求响应，由城市工商业建筑负荷、居民建筑负荷和 充电场站提供调节能力。 - 基于建筑柔性负荷的虚拟电厂。在建筑柔性负荷参与电力调节的模式中， 电网调度时需求的发出方，柔性建筑是灵活资源的提供方，虚拟电厂介 于二者中间。虚拟电厂首先挖掘建筑的柔性负荷接入到聚合平台中作为 资源池，然后根据电网调度的需求选择合适的资源进行协调控制，最后 获得收益并与用户分享。基于建筑柔性负荷的虚拟电厂是一种新的业态， 会带动一系列的支撑技术的发展，包括负荷柔性改造技术，建设能量管 理技术、负荷聚集技术等。 - 建筑柔性负荷参与电力调节的优势。第一，建筑柔性负荷体量大。建筑 用电量占全社会四分之一，峰值负荷占比更高，如果能够把建筑负荷都 聚集起来，调节潜力是巨大的。第二，建筑柔性负荷成本低。建筑用电 设备已经安装，实现建筑用电设备负荷调节只需要增加能量管理系统解 决通讯和协调控制问题。第三，建筑配套设施完善。建筑结构、配电设 施、交通设施、物业运维体系也已经落成，未来在建筑中建设分布式储 能设备，其施工成本、并网成本、运输成本、管理成本都比在城市中规 划建设调峰电站和储能电站更具优势。 - 建筑柔性负荷参与电力市场的问题。第一，建筑负荷主要适合解决日内 的调峰问题，建筑负荷基本没有跨周的和季节性的储能能力。第二，建 筑负荷的调节能力和调节成本不清晰。建筑设备种类繁多、运行规律多 样、人行为复杂。建筑用户和负荷聚集商对建筑柔性负荷的调节能力和 4 调节成本缺少定量评价，导致建筑柔性负荷参与电力调节的经济性无法 判断。第三，用户对新技术不理解。建筑是按照为人服务的原则设计的， 没有人想到建筑负荷未来还要服务于电力系统调节。由于缺乏技术示范 和经验积累，用户对于柔性用电技术不了解，对“源随荷动”到“荷随 源动”的模式转变有担忧，影响了用户的参与意愿。 图 II 建筑负荷聚合参与电网调节的虚拟电厂模式 n 虚拟电厂脱“虚”向“实” - 调节能力定量化。建筑负荷调节能力需要从多维度进行评价，包括调节 容量、启动时间、调节速度、调节精度、持续时间等指标。不同用电设 备有不同的调节能力，可以提供不同的调节服务。相应的，电力系统也 会根据不同类型的调节需求提出调节能力要求，例如需求响应一般对调 节容量和持续时间有要求、对功率偏差有考核，辅助服务对调节精度、 响应时间、调节速度有较高要求。只有掌握了建筑负荷的调节能力，虚 拟电厂才能为电网调节需求匹配合适的灵活资源，才能为用户制定更优 的聚合调控方案。本项目通过实验测试，给出了主要建筑负荷调节能力 的调节能力，并且基于建筑用电负荷曲线