中国建筑行业零碳的途径

2021年IHVAC 中国建筑行业零碳的途径 易江 建筑能源研究,清华大学 主要内容 •如何实现零碳建筑操作？ •建筑应从电力消费者转变为电力生产消费者 •华北地区供热零碳热源 •碳排放总量:105亿t二氧化碳(2019年） •生产70亿吨二氧化碳， •化石火直接3.5比尔t二氧化碳，3.2电力间接法案。t二氧化碳，0.3过程法案。t二氧化碳 •构建操作22亿吨二氧化碳 •化石火直接0.6比尔。t二氧化碳，1.1电力间接法案。t二氧化碳，间接加热0.5比尔。t二氧化碳, •运输13亿吨二氧化碳 •燃料和天然气1.1比尔。t二氧化碳，0.2比尔。t二氧化碳 •此外,一个相当于15亿t二氧化碳由于非二氧化碳温室气体的排放，也应将其计算在内 •建筑全面电气化，以消除直接排放0.6账单。t二氧化碳 •将建筑功能从纯电力消费者转变为生产者、消费者和调节者，从而为电力系统碳化助力中和11亿吨二氧化碳 •冬季建筑采暖用碳中性热源0.5账单。t二氧化碳 •开展制冷剂更换工作，加强管理，杜绝制冷剂质量泄漏，杜绝非CO2气体排放 •当前状态 2019年06亿年tco2发射年由于煤和天然气直接在建筑火灾 •减排路径 •烹饪电气化：已开发出全类型的电饭煲 •电气化为国内热水：热泵、电加热器 •取代天然气热水锅炉：热泵、空气源 •更换蒸汽锅炉： •设置中央蒸汽系统 •开发分散式电力蒸汽发生器 •对蒸汽生产热泵? •在大多数情况下，将天然气转电可以降低运营成本，因此改造成本较低可以在几年内回报 5 蒸汽 20000kPa 7000kPa 3000kPa 工业蒸汽凝水回水 ( 800kPa ℃ 工业蒸汽(0.3mpa,133.5℃) 200kPa 0.2 0.4 20kPa 0.6 0.8 闪蒸出蒸汽（70℃） 700 600 500 400 热水90℃ 100℃ 闪光 分隔符1kg70℃蒸汽 mkg70℃水 压缩机 (1米）公斤133.5℃， 0.3mpa,hv2 T(°C) 300 200 100 80℃ 70℃冷凝物 1米公斤127.4℃，0.25mpa,hw 1+￿ 0问𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚−问𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠� 1+𝑚𝑣ℎ−ℎ𝑤) 0.01.12.23.34.45.56.67.78.89.911.0 s[kJ/kg-K] 𝐶𝑂� = w∗ℎ𝑣2−ℎ𝑣1−𝑚∗ℎ𝑤0 =3.87 •中国能源2019未来计划 •0.38仪器法案。千瓦，1300年法案。千瓦时0.5比尔,千瓦，2000年法案。千瓦时 •核0.05比尔。千瓦,350法案。千瓦时0.2法案。千瓦，1500年法案。千瓦时 •热1.1账单。千瓦，5400钞票。千瓦时0.6钞票。千瓦1500钞票。千瓦时 •风能和光伏0.5账单。千瓦，630票。千瓦时6账单。千瓦，8000钞票。千瓦时 •总2比尔。千瓦，7600账单。千瓦时7~7.5美元。千瓦13000~14000账单。千瓦时 •未来能源的特性： •大部分风力和光伏，85%的安装，60%的电 •低密度发电，100W/m2，6个账单。千瓦风能和光伏安装需要6万平方公里，占中国现有农田面积的 10%，和中国土地总量的0.6% •风光光伏功率不可调，发电量变化不同步电力需求的变化 光伏空间在哪里? •西北戈壁沙漠吗? •丰富的土地资源、丰富的太阳能 •长途运输，高成本 •光伏发电必须与水力或火力发电以1：1的比例捆绑在一起，以便进行长途运输 •由于东部的负载变化，可能需要两次峰值调整 •高密度电力负荷区所在的中东部 •太阳辐射比西方高出约60%~70% •随着光伏设备成本的下降，太阳能的密度对整体经济并不那么重要 •避免长途运输，节省投资和运行成本 •与一定水平的负荷相匹配，因此调峰所需容量比西北光伏高50%左右 •结论： •30%的光伏总安装量在西部，70%安装在东部 根据卫星图像和现场调查的分析结果 •光伏潜在安装规模占城市总屋顶的0.83亿。千瓦，并可产生1230票据。每年千瓦时，约为城市建筑运营所需电力的 25%~30% •农村总屋顶光伏潜在安装规模为1.97亿。千瓦，并能生产2950法案。千瓦时每年，这是他们所需功率的两倍多 每一个数据valliges 图例 发电量(亿千瓦时) 图例 发电量(亿千瓦时) 农村建筑屋顶的潜力 城市建筑屋顶的潜力 在熊一个高速火车站： •结合建筑屋顶 •光伏与传统风格与中国的融合特征 •光伏安装6兆瓦，生产电力5800每年兆瓦时, 2019年北京世界公园中国馆 •光伏和建筑集成在每一个部分 •中国文化和传统风格与PV •总光伏78千瓦，发电每年97兆瓦 10 PEDF农村建筑 在山西省瑞城庄上村启动 变压器 •P:光伏屋顶 •艾凡:能量储存 •D:直流电流 •F:灵活的加载 分布式太阳能光伏屋顶太阳能光伏 家庭家庭 智能充电桩供家庭使用 电池 直流电源的负载 家庭 智能充电桩街照明农业设备 11 公共建筑的电池直流负载 •规模:>20千瓦光伏/户主 •为日常生活提供足够的能量（包括做饭、取暖和热水） •对车辆收费 •农业工具、农产品的过程 •每年发电/22兆瓦 •除了完全自力支持外，还向电网输出10MWh电力 •大部分负载可根据光伏输出在需求响应模式下工作 •每户投资约100K~120K元，或15K~20K元 P：表面光伏E：能量储存D：直流电流F：灵活的加载 建筑“光储直柔”配电系统 •光伏只能提供所需总功率的25%~30% •从电网的角度来看，PEDF是一种灵活的电力负荷 •电网的输入功率可以根据电力调度的命令而变化 •入口处的AC/DC可以改变直流电压，以便将输入功率调节到所需的 •当直流电压上升时，每个端子将尝试增加其输入功率，而当直流电压下降时，每个端子将尝试降低其输入功率。 •这就是为什么PEDF建筑成为负载灵活的建筑 实际操作数据:深圳办公大楼 •设计的直流电压：375v •电池容量：200千瓦时 •没有充电桩 直流母线电压 母线电压 目标值 目标的力量 实实时功率 际市电功率 千 60 50 40 30 20 10 0 00:0006:0012:0018:0000:00 •引自深圳建科院PPT：PEDF——未来或现实，2021.3116 PEDF大楼可以用零碳电力运行 •数百公里内有风光光伏发电基地 •PEDF建筑物报告第二天所需的总电力和预测每晚到W&P电力基地中心的每日曲线 •W&PV中心根据第二天W&P发电量的预测，命令每个PEDF建筑物所需的用电曲线 •如果每个PEDF建筑物从电网获得的电力与控制中心完全相同要求，PEDF大楼可被视为全零碳运营 太阳能光伏发电基地 控制 中心 PEDF 建筑 网格 PEDF 建筑 PEDF 建筑 PEDF 建筑 17 PEDF大楼的功率变化有多大 •e-cars在停车场附近的建筑： •为每个e-car电池容量：50~100千瓦时 •年度旅行距离：10k-15k公里，需要2000~3000千瓦时，即充电/放电一次十天到一周 •年度利用率：仅10%~15%；如果充电/放电可以一天一次 •如果全电气化汽车在2030年或2035年 •一栋建筑面积10k平方米、停车位100个的写字楼，可使电网的进电源在一整天内变化在 0~1MW以内 •一天中超过80%的时间汽车停在停车位，而不是在路上 •“一个停车位一堆”，一旦汽车停放，就应该进行连接 •充/放电过程应由桩控制，而不是由百时美施贵宝在e-car •分布式电池：100wh/m2 •蓄热：蓄冰、蓄水等； •改变冷却/加热源：导致房间温度变化 •转移负载周期：冰箱、布垫圈等。 •风扇、泵、升降机、自动扶梯：通过改变频率来改变速度 •电池可移动建筑电器 •等。 •充电/放电成堆: •根据电压决定是否处于充电/放电状态，以及充电/放电的功率 •每辆车的SOC也应该是决定充放电功率的因素 •分布式电池 •与充电桩类似，但应该进行AI学习，以了解一天中何时需要大充电，何时需要大量放电，因此要事先准备足够的空间 •爱迪生的直流和交流与特斯拉 •交流的优势:变压器，旋转磁场 •电力电子技术的革命：直流/直流，直流/交流 •建筑是完全适应直流电源 •LED照明，避免伤害的AC/DC延长寿命 •IT型电器：直流可直接连接 •电机：趋势方向为变频，EC电机 •加热器：可直接连接，加热功率可调 •电池:他们需要 •直流系统可以提高安全性和可靠性 •新型的接地 •可为小功率应用提供DC48V •电池可以提供额外的可靠性，如果网格能提供99.9%，电池可以把它变成99.999% •直流电压可以在相对较大的范围内变化，以便能够将调整消息带到每个端子 •减少网格的需求能力 •可以大大降低建筑物的入口容量（除非需要从电网吸收较大的峰值功率） •在不增加总入口的情况下为电动汽车连接大量充电桩容量，否则容量必须翻倍 •连接楼宇电力系统与电动汽车的桥梁 •住宅区、办公楼和工厂堆中的停车场应该为每个停车位安装，和连接到PEDF •切割高峰以填充山谷并成为虚拟发电厂 •峰值功耗可以响应电网要求，显著降低功耗消费 •当电网负载较低时增加功率输入 碳中性的热源 空间加热 目前在中国北部城市热源 •所需采暖面积：160亿平方米 •提供所需的热量：0.35gj/平方米，总计56亿GJ •当前的热源： •集中供热120亿平方米，CHP的60%，40%锅炉 •小型天然气锅炉25亿平方米 •热泵和工业废热：15亿平方米 •可能为零碳两种方法 •完全电气化，基于所有类型的热泵 •回收所有类型的废热：核能、火力发电、行业、数据中心、垃圾焚烧等。 零碳电力和电力的平衡负载 年补电量(火电发电量亿千瓦时11865火电装机(MW638599燃料万tce35000碳排放万t3个亿~7亿tco2 风光水核与现有用电需求 50 100 15 0200 250 30 0350 40 2000000 1800000 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0 0 •仪器：它是在冬天只有40%夏天比较 •光伏：营业时间在冬天比夏天少 •风力发电：冬季和夏季无显著差异 •在冬天的差距约为06.5亿千瓦 0 可再生+核电负荷曲线 2000000 1800000 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233 241 249 257 265 273 281 289 297 305 313 321 329 337 345 353 361 25 核电风电光电水电 解决电源季节性差异的方法 •增加W&PV装机容量以满足冬季需求，放弃其他季节的额外电力 •10亿年W&PV需要安装，超过5000~8000数十亿元 •氢气，夏季储存氢气，冬季释放氢气 •需要10万亿元 •6亿千瓦的火电用于冬季，提供1500张账单。每年千瓦时 •生物质、煤、天然气可用作燃料，并从废气中回收二氧化碳通过CCS •投资：含CCS投资额小于20000亿元 •热电联产也可在冬季产生60亿GJ的额外热量作为热源 •全年为电网提供安全稳定的电力供应 •选项A：多个热泵（空气，水，地面） •200亿平方米建筑面积，40W/m2，如果警察=4 •电力负荷:10w/m2X20法案。比尔=0.2千瓦 •将冬季电力短缺从0.6账单扩大。千瓦至0.8美元。千瓦 •放弃了区域供热网络，该网络已在大多数城镇完成北 •选项B：依靠热电联产、工业余热、废物处理余热等。 •200亿平方米,60亿GJ热量 •核能0.2比尔。千瓦，将有0.1张账单。kW至少位于北部，0.13比尔。千