净零建筑的策略：太阳能储能与热电混合
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。案例：无锡（国家）软件园五期9号楼实现了近零能耗，通过安装PVT系统，充分利用太阳能进行发电和供热，结合高效的热泵技术，满足了建筑的大部分能源需求
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。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。案例：广州环投福山环保能源有限公司建设的福山循环经济产业园，通过在建筑中应用PCM材料，有效降低了室内温度波动，减少了暖通空调系统的能耗
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。案例：中建四局科创大厦项目位于广州国际金融城东区，是国内首座高度超150米的近零碳建筑。该项目通过结合地源热泵和太阳能光伏系统，实现了高效的供暖和制冷，显著降低了建筑能耗
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。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。
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