如何通过太阳能储能与热电混合实现净零建筑？
随着净零建筑目标在全球的推进，太阳能储能与热能系统的结合成为降低能耗、提升建筑韧性的有效手段。通过将现场太阳能发电（如光伏发电，PV）、储能（电池或储热罐）与高效热能技术（如太阳能集热器、相变材料、地热热泵等）相结合，可将能源需求从化石燃料转移，降低峰值电力负荷，提高建筑效率，并在停电期间持续运行。以下是三种主要策略及其应用：
策略一：电池和热泵混合光伏热能系统（PVT）
系统组成：PVT太阳能屋顶、电池存储、可逆热泵、储热罐或地板加热回路。
工作原理：PVT集热器在同一屋顶区域同时产生电能和热能。阳光产生直流电并加热液体，电池储存多余光伏电能，热泵利用光伏热能或地源提高水温，热水箱储存热水以备后用。
能源效率：PVT系统可最大限度提高单位屋顶面积的太阳能产量，减少硬件成本和损耗。利用捕获的热量冷却光伏电池可提高发电效率（输出功率可提高5-15%）。热泵利用环境热量进一步提高效率，例如将PVT电池板预热的空气或水升温至60-80°C，用于空间供暖或热水，相比独立系统可减少总体一次能源消耗。
需求减少：现场太阳能/电池供电可满足日间用电需求，并为热能储存系统充电，平抑峰值需求。光伏发电（PVT）+热泵混合系统可满足大部分室内供暖、制冷和电力需求，大幅减少电网采购。例如，先进的PVT系统与地暖结合，可满足净零能耗住宅100%的低温供暖需求。
韧性提升：光伏发电、电池和热能储存相结合，可在停电时提供备用电源和供暖。本地能源生产减少了对外部燃料供应的依赖，并避免了服务完全中断。混合系统通常包含需求管理，例如智能控制器可在夜间选择性地释放热水箱的热量或运行热泵。
主要优势：
- 屋顶空间利用率高：一次安装即可产生热能和电力。
- 综合生产：现场电力可为热泵供电或为电池充电，增加可再生能源比例。
- 降低峰值负荷：通过将太阳能储存在电池和热罐中，每日需求峰值将转移以匹配发电量（调峰）。
- 电网独立性：在阳光充足的气候条件下，具有足够电池和热存储的系统可长时间处于孤岛状态，增强应急恢复能力。
策略二：光伏相变材料储热（PCM）
系统组成：太阳能光伏、电池、集成到建筑围护结构（墙壁、地板、天花板）或专用储能单元中的相变材料（PCM）。
能源效率：PCM在融化/冻结过程中储存大量热量或冷量，可平衡室内温度。白天吸收多余热量，夜间释放热量，保持更稳定的温度，降低峰值供暖/制冷需求。例如，美国国家可再生能源实验室（NREL）发现，在休斯顿住宅中添加PCM后，停电期间热安全时间延长，空调或供暖功率需求降低，用电量减少。将PCM储能与高效电器（如热泵或光伏供电的LED照明）结合，可进一步提升效率。
需求减少：白天的光伏电力可用于制冷（如制冰空调）或预热热源，储存的冷量或热量在夜间或高峰时段减少电池/电网的暖通空调（HVAC）功耗。PCM有助于调整热负荷，使其与太阳能供应保持一致。被动遮阳涂层或阁楼中的嵌入式PCM可反射和储存热量，减少太阳辐射热增益。在某些气候条件下，PCM集成可将暖通空调峰值负荷降低30%-50%，直接降低电网需求峰值。
韧性提升：PCM无需电力即可储存热能，停电时可更长时间保持舒适。热浪来袭时，融化的PCM吸收热量，防止室内温度快速升高；寒流来袭时，凝固的PCM缓慢释放热量。此外，PCM系统可与太阳能储能协同工作，例如光伏供电的HVAC系统可在夜间利用储存的电池能量“预冷”PCM，为建筑物第二天的运行做好准备。
主要优势：
- 能量密度高：PCM每单位体积存储的热量比水或砖石多5-10倍，实现紧凑型热电池。
- 被动操作：无需移动部件或燃料，自动响应温度变化以吸收或释放能量。
- 更舒适和需求转移：平缓昼夜温差，减少峰值冷却/加热，以较低能量输入保持空间舒适。
- 与太阳能兼容：多余的太阳能电力或热量以潜在形式储存，提高自给自足能力。
策略三：利用太阳能光伏和电池的地源地热热泵（GSHP）
系统组成：地源热泵、屋顶光伏系统、电池系统。
能源效率：地源热泵（GSHP）在建筑物和地面之间传递热量，通常可实现3-5的性能系数（COP），即效率为300%-500%。这意味着一单位电力可产生3-5单位的供暖或制冷能量。落基山研究所（RMI）指出，地源热泵是“目前最高效、最具成本效益的暖通空调（HVAC）系统之一”，可降低能耗和排放。采用地源热泵驱动的建筑所需的电力远低于传统电炉或空气源热泵。如果剩余电力需求由光伏和电池满足，电网总能量将大幅下降。
需求减少：用地源热泵取代燃气锅炉或低效加热器，将化石燃料负荷转化为高效的电力负荷，并由太阳能满足需求。白天的光伏输出可直接为热泵供电，并为电池充电，夜间根据需要运行热泵。例如，家庭可利用中午太阳能运行地热热泵，将电能储存在电池中，夜间利用储存电能供暖，使供暖需求与太阳能发电量保持一致。在微电网层面，电池储能系统可平滑变化的光伏输出，为地源热泵和其他负载提供稳定电力，显著降低电网峰值需求。此外，大型地源热泵系统（多栋建筑或社区规模）通过共享基础设施，效率可超过500%，提高整个社区的能源弹性。
韧性提升：地源热泵通过多种方式提升韧性。首先，地面环路提供热能储存，地球本身就像一个季节性电池，在冬季保暖，在夏季保冷。其次，由于GSHP采用电力驱动，拥有现场光伏系统和电池意味着供暖/制冷系统即使在电网中断的情况下也能继续运行（取决于电池容量）。例如，采用光伏+储能的全电地热供暖系统可在电网断电时保持地板温暖并维持通风。最后，地源热泵非常耐用（地面回路使用寿命超过50年），维护成本低，降低了运行风险。相比燃料输送或燃烧，回路和热交换器的固态特性也意味着单点故障更少。
主要优势：
- 最高的加热/冷却效率：地源热泵通常优于空气源系统，每单位电力可实现3-5倍的能量输出。
- 显著的能源节约：RMI指出，地源热泵可将建筑能源成本降低约50%，并且产生接近零的运行排放。
- 无缝太阳能集成：太阳能光伏为热泵提供电力，电池存储多余光伏电力以供高峰供暖/制冷期间使用，最大限度地减少电网进口。
- 耐用性和低噪音：地热回路寿命长且离散（通常埋在停车场或院子下面），可提供安静、连续的运行。
总结
将太阳能发电、储能和热能系统相结合是迈向净零建筑的有效途径。上述三种混合策略均展示了如何将“太阳能储能”（电池或热能电池）与热能技术相结合，以降低建筑的能源需求并提高建筑韧性。光伏-热能混合系统通过热电联产，最大限度地提高屋顶利用率；PCM增强型建筑材料可充当潜热电池，稳定室内气候；地热热泵可提供高效的供暖和制冷，理想情况下由现场光伏系统供电。在所有情况下，储存的太阳能（电能或热能）都能将负荷从电网峰值用电中转移出来，并在停电期间提供备用能源。通过将这些策略融入设计，住宅和商业建筑都可以大幅减少化石燃料的使用，降低峰值能源需求，即使在压力之下也能保持舒适。全球主要趋势——太阳能和电池成本下降、支持性政策以及日益增长的韧性担忧——正在推动此类系统的更广泛应用。混合太阳能-储能和热能解决方案是当今实现节能、净零排放建筑的关键措施。
常见问题解答：
1. 建筑中的“太阳能存储”是什么？
答：太阳能储能是指捕获太阳能并将其储存起来以备后用。这可以指将光伏板产生的电能储存在电池中，或将热能（冷或热）储存在隔热罐、隔热材料或地面中。这两种储能方式都能让建筑物即使在没有阳光的情况下也能利用太阳能。
2. 相变材料（PCM）如何与太阳能系统配合使用？
答：PCM在特定的转变温度下吸收和释放热能。在太阳能建筑中，白天多余的太阳热量会使PCM融化；之后，随着PCM凝固，它会在需要时释放储存的热量。这种被动式蓄热可降低暖通空调(HVAC)的峰值。实际上，PCM就像一个热电池，可以通过太阳热量或电力驱动的冷却进行充电。
3. 这些混合太阳能存储策略可以在任何建筑物中使用吗？
答：是的，住宅和商业建筑都可以采用这些方法。具体解决方案取决于空间和需求：小型住宅通常使用光伏系统搭配家用电池，并可能使用接地环路或PCM电池板；而大型建筑或校园则可以安装更大的阵列、中央储热罐或区域地热场。全球各地的案例研究（学校、办公室、住宅）证明了其可行性。关键因素在于合理的设计和控制，以匹配发电、储能和负荷曲线。
4. 净零建筑中太阳能存储的主要好处是什么？
答：太阳能储能使建筑物能够更多地利用其现场可再生能源发电，而不是将其输出。这意味着更低的电费和排放。电池储能系统可以实现能量转换（例如，在夜间使用太阳能），而储热系统（例如热水箱或相变材料）可以平滑供暖/制冷需求。总而言之，这些系统可以降低电网峰值负荷（减少需求），通过减少浪费来提高能源效率，并在停电时提供备用电源/供暖。
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