建筑储能技术

作者:朱宇航

图1

一、建筑储能技术简介

建筑储能技术是在建筑领域应用的一项先进技术，在能源存储和管理方面展现了巨大的潜力。随着人们对可持续发展和能源效率的关注日益增加，建筑储能技术成为了促进绿色建筑发展的重要组成部分。背景上，全球能源需求持续增长，对可再生能源的需求也日益迫切。然而，传统能源供应方式无法满足日益增长的能源需求，同时也面临着环境和气候变化等挑战。在这样的背景下，太阳能作为一种可再生能源，被视为解决能源危机和减少碳排放的关键技术之一。

然而，太阳能的波动性和不稳定性限制了其实际应用。尤其是在建筑领域，能源供应的可持续性和连续性是至关重要的。为了克服太阳能波动性的挑战，建筑储能技术应运而生。该技术将太阳能转化为可储存的热能或电能，并在需要时进行释放，以满足建筑的能源需求。通过储存能源，建筑可以在夜间、低光条件下或其他能源供应中断的情况下持续供能。目前，建筑储能技术已经取得了一定的进展与应用。在热储能方面，热水储存系统、相变材料和热泵等技术在供暖、制冷和热水方面展示了良好的效果。在电储能方面，锂离子电池、钠硫电池和超级电容器等技术被广泛用于将电能存储起来，并在需要时供电。然而，建筑储能技术仍面临一些挑战，包括成本高昂、储能效率不高、储能设备的可靠性等。此外，缺乏政策支持和标准化也限制了建筑储能技术的发展。通过进一步的研究和创新，建筑储能技术有望为建筑行业提供可持续、环保且可靠的能源解决方案，推动建筑行业向碳中和和可持续发展的目标迈进。

二、建筑储能技术的两种方法

1、电储能技术

（1）原理：电储能的基本原理是将电能转化为化学能并在需要时再次转化回电能。电储能系统通常由电池组成，电池中的化学反应实现电能与化学能之间的相互转换。在充电过程中，电能被转化为化学能，储存在电池中；在放电过程中，储存的化学能又转化为电能，供应电网或建筑的能源需求。

（2）优势：第一，电储能系统可以根据建筑的能源需求进行灵活调节，适应电能的波动性。第二，它具有可扩展性，可以根据需要增加或减少储能容量，以满足不同规模的能源存储要求。第三，电储能技术与可再生能源（如太阳能和风能）高度兼容，可以存储可再生能源产生的电能，并在需要时进行供应，这有助于解决可再生能源的波动性和间歇性问题，提高可再生能源的可靠性和可持续性。第四，电储能系统的能量转换效率相对较高，可以实现较高的充放电效率，减少能量损失。

（3）挑战：第一，电储能系统的成本相对较高，主要是由于电池技术和制造技术的限制。然而，随着技术的发展和规模效应的实现，预计电储能的成本将逐渐下降。第二，电储能系统在充电和放电过程中存在一定的安全风险。由于电池材料的化学特性，电池的过充、过放、短路等问题可能导致火灾或爆炸等风险。因此，安全性是电储能技术发展中需要重点关注的方面。第三，电储能系统依赖于有限的资源，如稀缺金属、稀土元素等。此外，电池的寿命有限，需要考虑电池的回收和再利用问题，以减少对资源的需求和环境的影响。

综上，电储能技术具有灵活性、可再生能源集成和能量转换效率高等优势。如图2所示，储能电站的设立，更代表着科技进步和创新的推动，电储能技术有望在未来发挥更重要的作用，为可持续能源发展做出贡献。

图2 西北某储能电站

2、热储能技术

（1）原理：热储能通过将热能以不同的形式储存起来，当需要时释放出来。常见的储热材料包括高温水、热媒体和相变材料等。当有多余的热能可利用时，这些储热材料可以吸收和储存热能。当建筑需要热能时，储热材料会释放储存的热量，满足建筑的热能需求。

（2）优势：第一，它提高能源利用效率。热储能可以将多余的热能储存起来，避免热能的浪费。通过储存和利用热能，可以提高能源利用效率，减少对传统能源的依赖。第二，热储能可以稳定能源供应的波动。当可再生能源的供应不稳定或建筑负荷需求发生变化时，热储能可以提供稳定的热能供应，保证建筑能源的平衡。第三，热储能同时也可以作为备用能源系统，提供紧急情况下的备用能源供应。这有助于增强建筑的能源安全性，提高建筑的应急响应能力。

（3）挑战：目前热储能技术在实际应用中仍面临一些挑战，如储热材料的选择、热传导损失的控制和热储能系统的设计等。进一步的研究和创新将有助于提高技术成熟度并降低成本。热储能系统通常需要一定的空间来安装储热材料和设备。在有限的空间内如何合理布局和设计热储能系统是需要考虑的问题。热储能系统的成本和回报周期也是一个重要的考虑因素。就目前而言，热储能技术的经济性仍然面临一些挑战，需要进一步的技术改进和成本降低。

综上，热储能作为一种建筑储能技术，具有提高能源利用效率、稳定能源波动和增强能源安全性的优势。如图3所示。热储能技术在调峰工程上已有初步应用，如天津 ＳＭ 城市广场清洁供暖项目，该项目使用相变储热罐与电锅炉耦合的技术，日均供热量可达１５０．４８ ＭＷ·ｈ，储热系统效率可达９２．８２％，在实现当地电网负荷“移峰填谷”方面有着重要作用。随着进一步的研究和发展，热储能有望成为建筑领域的重要能源管理解决方案，并为实现可持续建筑的目标作出贡献。

图3 将高温熔盐储热技术引入火电厂方案

三、总结与展望

建筑储能作为一项新兴技术，具有广阔的前景和巨大的潜力。建筑行业是能源消耗量巨大的领域，而建筑储能正是为了提高能源利用效率、优化能源管理而诞生的解决方案。可再生能源的快速发展将为建筑储能的前景提供巨大的推动力。随着太阳能和风能等可再生能源的成本不断降低和技术的不断进步，它们已经成为可靠、廉价并且清洁的能源选择。然而，可再生能源的波动性却给供应稳定性带来挑战，建筑储能能够将过剩的能源存储起来，在能源需求高峰期释放能量，以实现能源供应的稳定性。其次，随着城市化和人口增长，能源需求不断上升。建筑储能可以帮助建筑行业更好地管理和优化能源使用，进一步提高能源效率。通过储能技术，建筑物可以在能源供应充足时储存能量，并在能源供应不足时释放能量，实现能源需求的平衡。这不仅有助于降低能源成本，还能够减轻对传统能源的依赖，推动绿色发展与可持续建筑的实现。此外，建筑储能的技术和成本不断改进也对其前景带来积极影响。电池技术作为主要的建筑储能技术，已经取得了长足的进步。新一代的锂离子电池更加安全可靠，并且成本不断下降，使得建筑储能技术更具吸引力和经济性。此外，其他形式的储能技术，如压缩空气储能和热储能等，也在不断改进和创新，进一步拓宽了建筑储能的应用领域.

总之，建筑储能技术作为一项发展迅速的能源管理技术，具有巨大的前景。通过整合可再生能源、优化能源管理和提高能源供应的稳定性，建筑储能有望为建筑行业的可持续发展注入新的活力，并为实现清洁能源的目标做出积极贡献。随着技术的不断进步和市场的逐渐成熟，建筑储能将在未来发挥越来越重要的作用，为构建更可持续、高效的建筑环境做出重要贡献。

来源: 北京建筑大学科协