凈零建筑的策略：太陽能儲能與熱電混合
隨著凈零建筑目標在全球的推進，太陽能儲能與熱能系統的結合成為降低能耗、提升建筑韌性的有效手段。通過將現場太陽能發(fā)電（如光伏發(fā)電，PV）、儲能（電池或儲熱罐）與高效熱能技術（如太陽能集熱器、相變材料、地熱熱泵等）相結合，可將能源需求從化石燃料轉移，降低峰值電力負荷，提高建筑效率，并在停電期間持續(xù)運行。以下是三種主要策略及其應用：
策略一：電池和熱泵混合光伏熱能系統（PVT）
系統組成：PVT太陽能屋頂、電池存儲、可逆熱泵、儲熱罐或地板加熱回路。
工作原理：PVT集熱器在同一屋頂區(qū)域同時產生電能和熱能。陽光產生直流電并加熱液體，電池儲存多余光伏電能，熱泵利用光伏熱能或地源提高水溫，熱水箱儲存熱水以備后用。
能源效率：PVT系統可最大限度提高單位屋頂面積的太陽能產量，減少硬件成本和損耗。利用捕獲的熱量冷卻光伏電池可提高發(fā)電效率（輸出功率可提高5-15%）。熱泵利用環(huán)境熱量進一步提高效率，例如將PVT電池板預熱的空氣或水升溫至60-80°C，用于空間供暖或熱水，相比獨立系統可減少總體一次能源消耗。
需求減少：現場太陽能/電池供電可滿足日間用電需求，并為熱能儲存系統充電，平抑峰值需求。光伏發(fā)電（PVT）+熱泵混合系統可滿足大部分室內供暖、制冷和電力需求，大幅減少電網采購。例如，先進的PVT系統與地暖結合，可滿足凈零能耗住宅100%的低溫供暖需求。
韌性提升：光伏發(fā)電、電池和熱能儲存相結合，可在停電時提供備用電源和供暖。本地能源生產減少了對外部燃料供應的依賴，并避免了服務完全中斷?；旌舷到y通常包含需求管理，例如智能控制器可在夜間選擇性地釋放熱水箱的熱量或運行熱泵。
主要優(yōu)勢：
屋頂空間利用率高：一次安裝即可產生熱能和電力。 綜合生產：現場電力可為熱泵供電或為電池充電，增加可再生能源比例。 降低峰值負荷：通過將太陽能儲存在電池和熱罐中，每日需求峰值將轉移以匹配發(fā)電量（調峰）。 電網獨立性：在陽光充足的氣候條件下，具有足夠電池和熱存儲的系統可長時間處于孤島狀態(tài)，增強應急恢復能力。案例：無錫（國家）軟件園五期9號樓實現了近零能耗，通過安裝PVT系統，充分利用太陽能進行發(fā)電和供熱，結合高效的熱泵技術，滿足了建筑的大部分能源需求
策略二：光伏相變材料儲熱（PCM）
系統組成：太陽能光伏、電池、集成到建筑圍護結構（墻壁、地板、天花板）或專用儲能單元中的相變材料（PCM）。
能源效率：PCM在融化/凍結過程中儲存大量熱量或冷量，可平衡室內溫度。白天吸收多余熱量，夜間釋放熱量，保持更穩(wěn)定的溫度，降低峰值供暖/制冷需求。將PCM儲能與高效電器（如熱泵或光伏供電的LED照明）結合，可進一步提升效率。
需求減少：白天的光伏電力可用于制冷（如制冰空調）或預熱熱源，儲存的冷量或熱量在夜間或高峰時段減少電池/電網的暖通空調（HVAC）功耗。PCM有助于調整熱負荷，使其與太陽能供應保持一致。被動遮陽涂層或閣樓中的嵌入式PCM可反射和儲存熱量，減少太陽輻射熱增益。在某些氣候條件下，PCM集成可將暖通空調峰值負荷降低30%-50%，直接降低電網需求峰值。
韌性提升：PCM無需電力即可儲存熱能，停電時可更長時間保持舒適。熱浪來襲時，融化的PCM吸收熱量，防止室內溫度快速升高；寒流來襲時，凝固的PCM緩慢釋放熱量。此外，PCM系統可與太陽能儲能協同工作，例如光伏供電的HVAC系統可在夜間利用儲存的電池能量“預冷”PCM，為建筑物第二天的運行做好準備。
主要優(yōu)勢：
能量密度高：PCM每單位體積存儲的熱量比水或磚石多5-10倍，實現緊湊型熱電池。 被動操作：無需移動部件或燃料，自動響應溫度變化以吸收或釋放能量。 更舒適和需求轉移：平緩晝夜溫差，減少峰值冷卻/加熱，以較低能量輸入保持空間舒適。 與太陽能兼容：多余的太陽能電力或熱量以潛在形式儲存，提高自給自足能力。案例：廣州環(huán)投福山環(huán)保能源有限公司建設的福山循環(huán)經濟產業(yè)園，通過在建筑中應用PCM材料，有效降低了室內溫度波動，減少了暖通空調系統的能耗
策略三：利用太陽能光伏和電池的地源地熱熱泵（GSHP）
系統組成：地源熱泵、屋頂光伏系統、電池系統。
能源效率：地源熱泵（GSHP）在建筑物和地面之間傳遞熱量，通?？蓪崿F3-5的性能系數（COP），即效率為300%-500%。這意味著一單位電力可產生3-5單位的供暖或制冷能量。落基山研究所（RMI）指出，地源熱泵是“目前最高效、最具成本效益的暖通空調（HVAC）系統之一”，可降低能耗和排放。采用地源熱泵驅動的建筑所需的電力遠低于傳統電爐或空氣源熱泵。如果剩余電力需求由光伏和電池滿足，電網總能量將大幅下降。
需求減少：用地源熱泵取代燃氣鍋爐或低效加熱器，將化石燃料負荷轉化為高效的電力負荷，并由太陽能滿足需求。白天的光伏輸出可直接為熱泵供電，并為電池充電，夜間根據需要運行熱泵。例如，家庭可利用中午太陽能運行地熱熱泵，將電能儲存在電池中，夜間利用儲存電能供暖，使供暖需求與太陽能發(fā)電量保持一致。在微電網層面，電池儲能系統可平滑變化的光伏輸出，為地源熱泵和其他負載提供穩(wěn)定電力，顯著降低電網峰值需求。此外，大型地源熱泵系統（多棟建筑或社區(qū)規(guī)模）通過共享基礎設施，效率可超過500%，提高整個社區(qū)的能源彈性。
韌性提升：地源熱泵通過多種方式提升韌性。首先，地面環(huán)路提供熱能儲存，地球本身就像一個季節(jié)性電池，在冬季保暖，在夏季保冷。其次，由于GSHP采用電力驅動，擁有現場光伏系統和電池意味著供暖/制冷系統即使在電網中斷的情況下也能繼續(xù)運行（取決于電池容量）。例如，采用光伏+儲能的全電地熱供暖系統可在電網斷電時保持地板溫暖并維持通風。最后，地源熱泵非常耐用（地面回路使用壽命超過50年），維護成本低，降低了運行風險。相比燃料輸送或燃燒，回路和熱交換器的固態(tài)特性也意味著單點故障更少。
主要優(yōu)勢：
最高的加熱/冷卻效率：地源熱泵通常優(yōu)于空氣源系統，每單位電力可實現3-5倍的能量輸出。 顯著的能源節(jié)約：RMI指出，地源熱泵可將建筑能源成本降低約50%，并且產生接近零的運行排放。 無縫太陽能集成：太陽能光伏為熱泵提供電力，電池存儲多余光伏電力以供高峰供暖/制冷期間使用，最大限度地減少電網進口。 耐用性和低噪音：地熱回路壽命長且離散（通常埋在停車場或院子下面），可提供安靜、連續(xù)的運行。案例：中建四局科創(chuàng)大廈項目位于廣州國際金融城東區(qū)，是國內首座高度超150米的近零碳建筑。該項目通過結合地源熱泵和太陽能光伏系統，實現了高效的供暖和制冷，顯著降低了建筑能耗
總結
將太陽能發(fā)電、儲能和熱能系統相結合是邁向凈零建筑的有效途徑。上述三種混合策略均展示了如何將“太陽能儲能”（電池或熱能電池）與熱能技術相結合，以降低建筑的能源需求并提高建筑韌性。通過將這些策略融入設計，住宅和商業(yè)建筑都可以大幅減少化石燃料的使用，降低峰值能源需求，即使在壓力之下也能保持舒適。全球主要趨勢——太陽能和電池成本下降、支持性政策以及日益增長的韌性擔憂——正在推動此類系統的更廣泛應用?；旌咸柲?儲能和熱能解決方案是當今實現節(jié)能、凈零排放建筑的關鍵措施。
免責聲明：本網站內容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網站出現的信息，均僅供參考。本網站將盡力確保所提供信息的準確性及可靠性，但不保證有關資料的準確性及可靠性，讀者在使用前請進一步核實，并對任何自主決定的行為負責。本網站對有關資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負任何法律責任。任何單位或個人認為本網站中的網頁或鏈接內容可能涉嫌侵犯其知識產權或存在不實內容時，應及時向本網站提出書面權利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權屬證明及詳細侵權或不實情況證明。本網站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯系相關文章源頭核實，溝通刪除相關內容或斷開相關鏈接。
