刘晓华等人 | 如何描述建筑在新型电力系统中的基本特征？——现状与展望
2022如何描述建筑在新型电力系统中的基本特征？——现状与展望
摘要
建筑领域是实现碳中和目标的重要部门，未来零碳能源系统中建筑有望成为集能源生产、消费、调蓄“三位一体”的能源复合体。如何科学地描述建筑在未来能源系统中的基本特征，建筑的复合功能特征如何更好地适应未来零碳能源系统的发展要求，建筑如何更好地发挥自身具有的复合功能作用，是建筑层面面向未来碳中和目标需要回答的重要问题。本文从建筑的复合功能需求出发，初步提出了建筑作为能源生产者、消费者、调蓄者的基本刻画方法，并从建筑具有的“源、储、网、荷”基本特征出发对相关研究进行了展望，以期为深入认识建筑在未来零碳能源系统中的作用提供有益探索和参考。
关键词
建筑用电特征；建筑等效储能；新型电力系统；零碳能源系统；碳中和
作者
刘晓华 张涛 刘效辰
（清华大学）
0 引言
“双碳”目标对我国经济社会提出了系统性、变革性的发展要求，构建低碳、零碳能源系统是实现“双碳”目标的最重要支撑。电力、工业、建筑和交通是能源系统产消体系中的四大关键领域，也是实现“双碳”目标的重要发力点。未来电力系统将转变为以风电、光电（以下简称风光电）为主的低碳电力系统，在供给端、“源”侧实现清洁低碳转型，同时风光电波动显著的特点又迫切需要用户侧作出有效响应。
建筑、交通等是重要的能源用户，也是实现“双碳”目标的关键部门。传统能源系统中往往关注建筑、交通领域具有的“荷”的特征，例如建筑配电系统多从保障建筑用电负荷基本需求出发进行系统设计，系统运行中也以三级负荷的不同保证程度为重要目标；交通部门也主要关注满足交通功能、通行需求。这就使得传统能源系统架构下大多注重能源生产端与消费端的“源、荷”固有特征。面向“双碳”目标提出的新的发展要求，需要重新审视能源供给侧与需求侧的关系。图1示出了未来能源系统中供给、需求侧的系统结构。
构建以新能源为主体的新型电力系统需要“源”侧、“荷”侧协同转变。能源供给侧转变为以风光电等可再生能源为主，“源”侧呈现更多波动性特征，需要“荷”侧能够更好地匹配“源”侧变化；作为需求侧的建筑领域，低碳目标推动了对建筑能源系统的革新，使得用户从单一用电负载朝着发/用电一体化方向转变，负荷侧的角色将从被动转为主动，这就使得用户能够响应源侧变化变得极其重要；对于需求侧的交通领域，通过电动汽车推广应用等方式实现用能方式转变、服务低碳能源系统，电动汽车面临的充电需求保障、对电网的压力等也亟需更好的应对方法。
建筑领域是实现“双碳”目标的关键部门，未来建筑将成为集电力生产、消费、调蓄“三位一体”的复合体，建筑自身将集成具有“源、储、网、荷”的能源复合特征；电动汽车的发展使得其用能有望与建筑能源系统深度融合。因而面向未来低碳、零碳能源系统的构建目标，建筑需进一步思考自身在整个能源系统中的定位，需要对建筑在未来新型电力系统中的角色、定位进行深入研究。本文针对新型电力系统的构建需求，对建筑具有的“源、储、荷”等特征特别是变化规律进行初步刻画，深入认识建筑自身具有的产能、用能、调蓄等复合功能特点，以便在此基础上充分发挥建筑作为能源系统中有效用户、调蓄者的关键角色，助力未来零碳能源系统的建成。
1 “荷”——建筑用能：对建筑负载特性的深入挖掘
1.1 建筑用电特征的刻画
建筑中包含多种多样的用电设备，用来满足建筑运行功能需求。各类用电设备大致可根据功能划分为基本的照明、冷热调节、功能性生产生活用电设备及运行保障设备等类型（如图2所示），不同类型建筑中包含的用电设备种类、容量等存在很大差异，反映到建筑用能的特点上也使得不同类型单体建筑体现出不同的用能需求和特点。
满足“荷”的需求是建筑能源系统的基本任务，也是保障建筑功能需求的根本。图3给出了对建筑具有的“荷”的特征进行描述的方法，可用于指导建筑配电系统的设计、运行。现有设计方法中，多通过指标法、估算法等在设计阶段确定建筑配电系统的容量需求，例如GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》中根据对供电可靠性的要求及中断供电所造成的损失或影响程度确定了三级负荷的分类方法，GB/T 50293—2014《城市电力规划规范》、《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇·电气》等标准规范中给出了常见功能建筑的电负荷设计指标、需用系数等参考值。基于这些设计负荷可以确定建筑配电系统的容量、变压器配置等关键指标；也可以利用建筑能耗模拟分析方法，通过模拟分析软件计算获取建筑全年运行能耗、逐时能耗等，作为建筑能源系统设计时的参考数据。
风光电有显著的波动性，这就使得建筑等用户侧的用能需求变化特征也成为影响未来能源系统供需关系的重要因素，需要对实际建筑能耗的逐时变化规律等更细颗粒度的特征进行深入挖掘：建筑用能不仅要看总量（单位：kW·h），还要看逐时用能功率（单位：kW）。当前可通过多种渠道、多种方法来获取建筑用能的变化特征，除了建筑能耗模拟计算之外，很多建筑中的能源计量管理系统越来越智能，可获得的建筑逐时能耗数据等也越来越丰富，为进一步认识建筑能耗的变化特征提供了重要的数据基础。
1.2 建筑用能曲线的影响因素
对建筑等用户侧“荷”的特征刻画，需要在关注用能总量的基础上进一步关注其实时功率特征、关注建筑用电负载的逐时功率需求。建筑用电需求受到建筑功能、气候、使用作息等因素影响，例如不同功能建筑具有不同末端用能负载，其建筑用能特征和变化规律自然不同；同类功能建筑在不同气候区也呈现出不同的能耗变化情况。对于一座具有明确功能的建筑，其运行能耗的波动特征，一方面主要受到建筑使用作息、人员行为的影响，如照明能耗、办公设备能耗；另一方面主要受到气候的影响，如暖通空调系统能耗。这样，建筑用能规律可以用基础能耗+变动能耗的方式进行刻画（如图4所示），其中基础能耗由建筑功能、基本用能需求、使用作息等决定，变动能耗则通常受室外气候影响，通过基础能耗、变动能耗叠加即可对建筑逐时用能规律进行刻画、描述。
建筑逐时用电特征的描述或刻画，有助于认识其逐时用电功率需求，更好地响应未来风光电这类可再生电源的波动特点。以影响建筑逐时用能规律的关键因素为基础，结合实际建筑的逐时用能数据，可以对其用电负荷特征进行描述。结合当前人工智能等计算机、数学方法的飞速进步，可以基于实际建筑的大量逐时用能数据、逐时能耗关键影响因素等进行建筑用电负荷特征的挖掘，对建筑用能“荷”的特征进行很好的预测，掌握建筑逐时用能的特征。
建筑用电需求“荷”Qi的特征可以用下式描述：
这样，对单体建筑的用能规律即可进行有效描述、刻画，揭示其具有的“荷”的特征曲线。随着电动汽车的推广应用，电动汽车充电桩在很多情况下也会接入到建筑配电系统中，成为建筑整体用电曲线的一部分。由单体建筑到建筑加上周围的电动汽车等负载，又是一种用电特征曲线；由单体建筑到不同功能建筑叠加后的区域建筑，规律进一步发生变化。这些单体建筑、建筑与周围电动汽车、建筑群等具有的“荷”变化曲线，反映了需求侧的基本特征，可为零碳能源系统的构建提供重要基础。
从实现柔性用能目标来看，建筑各部分能源需求如何有效与柔性用能目标相结合，也即建筑用能需求可以如何变化、如何更好地响应供给侧，是实现能源系统供需匹配协同需要回答的重要问题。“荷”侧的特征有何变化规律、建筑各部分的负荷需求能否更好地适应未来供给侧的变化特点等，仍是需要进一步深入研究的问题。
2 “源”——建筑产能：充分利用光伏等可再生能源
2.1 建筑产能曲线刻画：受太阳辐射等影响
可再生能源是构建未来零碳能源系统的重要基础，建筑场景下充分利用建筑自身或建筑周围可供利用的可再生能源条件，有助于扩大可再生能源利用场景；建筑自身是重要的能源用户，建筑充分利用自身可再生能源有助于实现可再生能源的自我消纳、提高就地利用效果。建筑中可利用的可再生能源除了生物质能（如生物质炉具方式）、地热能（如中深层热泵方式）外，最常见、最适宜推广的仍是以光伏为代表的太阳能利用技术。随着光伏发电效率不断提高、组件成本快速下降，建筑领域应用分布式光伏已具有较好的经济性。而光伏单位面积发电能力有限、需要较大敷设面积的特点，也使得充分利用建筑表面作为光伏利用场景、发展建筑光伏一体化成为实现建筑可再生能源利用、降低建筑碳排放的重要抓手。
光伏利用的相关基础研究、技术产品等已较为成熟，如何与建筑更好地结合、促进建筑光伏一体化等方面仍需要不断探索适宜的技术方案。建筑光伏发电效果与所在地的外部太阳辐射条件、敷设的建筑表面、光伏板敷设方式等因素相关（如图5所示）。国家气象局发布的《2021年中国风能太阳能资源年景公报》表明，我国西部大部分地区、东部部分地区的年最佳斜面总辐照量超过1 400 kW·h/m2，为光伏利用提供了很好的条件。对于一座建筑来说，应当根据所在地的气候条件确定光伏板的合理敷设方式，通常情况下顶面敷设可比立面敷设获得更大的全年发电量。结合建筑所在地区、建筑结构形式、建筑可利用的表面情况等，应尽可能地发挥建筑作为能源生产者的重要作用，光伏与建筑结合应做到“应装尽装、应铺尽铺”。
建筑中光伏安装敷设倾角的选择，既要考虑光伏发电量的影响，也应当考虑光伏发电与建筑用电之间的关系，促进光伏发电与建筑用电间的匹配、更好地消纳光伏。例如以达到光伏最大发电量选取安装倾角时，尽管可达到最大光伏发电量，但可能由于其冬夏光伏发电量差异大而导致建筑对光伏发电的自身消纳不理想；反而在以平铺或较小的倾角安装时，冬夏光伏发电量差异相对较小，可实现更好的光伏发电消纳效果。
这样，建筑作为“源”Gi的特征即其产能曲线可以用建筑光伏利用的特征来表征：
2.2 建筑产能的利用：输出型与自消纳型
建筑侧有望成为重要的分布式光伏资源，建筑光伏利用有望成为未来整个低碳电力系统中的重要组成部分。建筑光伏能够发挥多大的作用、建筑产能“源”的特征与建筑用能“荷”的特征之间的关系如何，是需要进一步思考的问题。
当前建筑光伏推广利用中的一大困难是如何实现光伏发电的有效上网，由于光伏发电的实时波动性显著，建筑光伏发电上网很多情况下会对电网调控、稳定性等带来冲击；特别是未来建筑光伏得到广泛利用后，数量众多的建筑各自成为一个独立变化的发电节点，对于电网的调控带来不可估量的难度。建筑光伏“源”的特征具有显著波动性，而建筑作为用户，其“荷”的特征也具有显著波动特点，建筑产能能否得到更好地利用、能否依靠建筑发挥其充分利用自身可再生能源的效果，是值得关注的问题。这就不仅需要关注建筑光伏可提供的总电量，还应当关注其逐时变化特征、关注建筑光伏产能与建筑自身用能之间的逐时匹配关系。为了减少建筑光伏发电对电网调控的影响、提高建筑对自身可再生能源的充分利用，在很多情景下可从消纳效果上对建筑光伏利用方式进行有效区分，从而可以减少对建筑自身能源系统与外部电网间双向能量交互的要求，既能实现建筑自身可再生能源利用，又不需要对电网提出更高的调控要求，也有助于构建电网友好型建筑。
以典型建筑的用电特征和建筑光伏发电能力为例，建筑自身光伏发电和用电之间的逐时不匹配关系如图6所示，初步结果表明：对于办公、商场等常见商业建筑，6层以上的办公建筑、3层以上的商场建筑，自身可利用的光伏发电通常显著小于建筑用电需求，这些建筑均应以实现光伏发电自我消纳、尽可能不上网为原则，在充分利用自身光伏资源并实现较高光伏自我消纳率（如90%以上）的基础上，避免与电网间的双向交互。这就可将其划分为“自消纳型”建筑，这也涵盖了大多数的商业建筑场景。对于光伏“自消纳型”建筑，从总量上看，建筑光伏发电量通常仅能满足建筑总用电量的20%左右；从功率关系来看，建筑光伏发电功率在某些时刻可能超过建筑用电功率，此时存在一定比例的弃光；从全年逐时功率的匹配关系来看，“自消纳型”建筑的光伏发电绝大多数时段可被建筑自我消纳，一年中很小比例的时间段存在弃光。这样就可以实现比较好的建筑自身光伏利用、自我消纳，建筑用电不足部分再由外网供给，从而避免建筑光伏发电向外电网输电，降低整个电力系统中的发电节点数量和调控难度。
对于2层以下建筑，当充分利用建筑自身面积资源安装光伏时，从总量上看光伏发电量可显著高于建筑用电需求（前者可达后者2倍以上甚至更高）；从功率上看光伏发电在很多情况下也远高于建筑用电功率，但由于光伏发电与建筑用电时间上的不匹配，使得部分建筑用电时段无法利用光伏满足。对于这类建筑，应当以作为重要电力生产者、向电网单向输电为目标，成为光伏“输出型”建筑。光伏“输出型”建筑还应当通过有效的电力蓄存方式来解决自身光伏发电与用电在时间上的不匹配问题，通过一定的储电方式来应对无光伏发电时的自身用电需求；光伏发电时间段内，这类建筑可作为有效的分布式可再生电源，使得电网可以充分利用建筑作为光伏电力的生产者。例如3层以下的乡村建筑，用电需求通常较小，而可利用的建筑表面资源相对较大、有利于光伏充分利用，这就使得其可在有效解决自身能源需求的基础上将多余电力上网，成为未来重要的分布式光伏电力生产者。
因而，在充分利用建筑表面等敷设光伏的基础上，建筑“源”与“荷”之间的关系是决定建筑在能源系统中角色的重要因素。建筑划分为“自消纳型”“输出型”，可以有效区分其作为“源”、能源生产者的定位和作用，前者自消纳光伏、自产自用，不足部分仍从外网取电，整体上仍是电网的用电负载；后者在满足自身需求后外输电力，成为电网中的能源生产节点。这样，既能使得建筑充分利用自身可再生能源，又使得建筑与电网间的互动关系变得简单、单向，2类建筑分别从电网取电、输电，有助于降低未来电力系统的调控复杂度。
3 “储”——建筑等效储能：充分利用柔性可调手段
3.1 建筑中可利用的储能调蓄资源
储能是解决未来能源系统供需不匹配、不平衡问题的重要途径，从时间尺度上看分长周期、短周期储能，对应有不同的技术解决方式。建筑侧作为能源用户终端、分布式可再生能源生产端，自身需解决短周期时间尺度上的储能和能量平衡问题。目前建筑侧自身可利用的储能方式主要有化学储能电池、压缩空气、储氢、各类蓄冷蓄热等；这类储能技术一直是热门的研究领域，降低储能成本、提高储能容量等方面的技术也在不断进展，但短期内电池储能等方式难以实现巨大突破。单纯依靠储能电池通常需要投入较高成本，这就需要进一步挖掘建筑中可利用的储能资源，也就需要重新认识、刻画建筑中可利用的储能方式和其可发挥的作用。
建筑中可利用的储能/蓄能手段或方式如图7所示。从建筑侧来看，建筑内可利用的各类具有储能/蓄能能力的设备设施都可以作为储能资源，储能/蓄能可不再局限于传统的化学电池、压缩空气、储氢等方式，而是从建筑整体和建筑内部可利用、可调度的资源来重新认识建筑领域的蓄能手段和相应具有的储蓄能力。
1） 建筑中的蓄冷蓄热方式包括水蓄冷蓄热、冰蓄冷及相变材料蓄能等，已经在很多建筑中得到应用。水蓄冷、冰蓄冷等技术的发展已日臻成熟，在国内外很多商业建筑、航站楼等交通枢纽建筑中得到应用，对降低系统容量、充分利用峰谷电价降低系统运行电费等起到了较好的推动作用。我国多座枢纽型航站楼在能源系统中均设计应用了蓄冷型空调系统，对其实际运行效果开展的测试研究也表明蓄冷系统起到了很好的用电削峰效果。面向未来建筑“储”的需求，蓄冷蓄热方式仍是建筑中可利用的重要手段。
2） 建筑围护结构自身也可以起到一定的蓄能作用。围护结构能发挥的作用多体现在蓄冷蓄热的性能上，围护结构与空调系统结合能够发挥更好的储能效果。例如欧洲兴起的TABS（thermal active building system）方式，通过混凝土重型围护结构发挥蓄冷蓄热作用，可实现建筑的蓄能并应对实现建筑柔性用能的需求。实际建筑环境控制中温度控制参数可在一定范围内变化，这种可调节特征也会带来一定的等效蓄能效果，例如对航站楼的案例分析表明，供冷时的室内温度调节控制能够为空调系统用能提供20%左右的峰值负荷调节能力，可实现小时级的能量迁移，相当于获得了很大的蓄能能力。这是建筑、空调系统自身具有的重要储能特征，也为在各类建筑中结合围护结构与空调系统来实现储能提供了一种可利用途径。
3） 除了上述暖通空调领域常见的蓄能可利用资源外，建筑中可发挥蓄能作用的至少还包括电动汽车和各类电器设备。电动汽车既是一种用电负载，具有“荷”的特征；又可作为重要的化学电池储能资源，发挥“储”的作用。电动汽车也有望成为实现交通-建筑-电力协同互动（如V2G/V2B）的重要载体。目前已开展的建筑周边汽车使用行为研究表明，汽车与建筑之间具有密切联系和高度同步使用性，电动汽车可视为一种移动的建筑、移动的蓄电池，将其作为一种重要的蓄电池资源可对建筑能源系统发挥有效调蓄的重要作用。目前交通、电力领域研究者已认识到电动汽车作为重要储能资源的潜力；当从建筑角度认识电动汽车时，以典型建筑为功能场景，需要进一步刻画其周边可利用的电动汽车电池资源，这些电池可发挥多大的能量调蓄作用，需要开展进一步深入研究。
4） 建筑中的电器设备也有望成为未来可利用的储能资源。一些电器（如电热水器）、自带蓄电池的电器设备（如消费电子设备）等，除了满足自身的使用功能外，也可以视为具有一定储能功能的资源，利用自身具有的蓄电池等资源蓄存一定电量，成为一种建筑的蓄能手段。例如笔记本电脑、扫地机器人等是自带蓄电池的电器设备，这类设备电器通常单个容量较小，如何进一步整合建筑中的各类电器设备具有的储能能力、如何有效发挥这些电器设备的储能蓄能作用来实现柔性用电，是需要进一步研究的问题。
因而，建筑中围护结构、电器设备、空调系统、建筑周围电动汽车等可作为建筑中可利用的等效储能资源，这些资源本身是保障建筑功能的重要环节，是重要的用能终端设备，由于其自身用能特征、用能属性等特点，使得其具有可作为等效储能资源的潜力。充分利用这些建筑中等效的储能资源，使其在具备自身基本功能的基础上再具备辅助实现建筑内储能需求的复合功能，有助于实现对独立设置储能电池的有效替代，有效降低对化学电池等储能容量的需求，通过建筑自身具有的用能蓄能可调节终端实现等效的储能调节，从而有助于降低所需的储能投入成本。
3.2 建筑等效储能：建筑整体可调度的调蓄能力
面向未来能源系统中建筑自身承担的“储”的任务，为了更好地满足自身能量调节需求，应当充分挖掘建筑中可利用的等效储能方式。对于建筑中可利用的储能方式，除了各类储能技术自身的发展外，在建筑层面需要更加关注建筑自身可利用的各类储能手段，需要建立进一步认识建筑内部各类储能资源的评价指标和方法，以便对建筑整体作为一种调蓄复合体形成统一认识。
建筑侧有望成为重要的能量调蓄资源，建筑中可利用的各种储能资源，需要从其具有的调节能力、储能容量、功率等方面进行刻画。受储能中等效电池的刻画方法启发，建筑侧各种可利用的储能资源也可以作为某种等效电池来进行统一刻画。针对前述涉及的建筑中可利用的储能资源，均可以对其具有的调节能力进行刻画，定义出等效功率（包含等效充电功率和等效放电功率）、储能容量来刻画建筑储能资源所具有的“源”“荷”特征，如图8所示。
1） 建筑中的空调系统，其等效的充电功率、放电功率、储能容量与空调系统规模、是否设置蓄冷蓄热方式密切相关。以设置蓄冷的一些航站楼空调系统为例，其等效充电功率可达MW级别，蓄冷空调对应的等效储能容量亦可达MW·h级别，蓄冷空调系统可实现数小时尺度上的电力削峰。在未来建筑侧储能的发展情景中，需要仔细核算蓄冷空调方式与蓄电池之间在成本投入、可利用时间等方面的差异。对于无蓄冷的常规空调系统，仍可利用建筑自身的热惯性、建筑中环境控制参数的波动特点等来实现一定的储能效果，例如分体机对应的场景，其可调节功率通常仅在数百W至kW级别，可利用的调节响应时长也仅在数分钟级至半小时级别；大型建筑例如航站楼中的分析结果表明，集中空调供冷可实现1~2 h时间尺度上的能量转移调节。因而空调系统可实现的储能能力能够覆盖图8中较大的能量、功率范围，对应的时间尺度也可在数分钟至数天级别。
2） 建筑周围的电动汽车，可利用其具有的蓄电池资源来作为建筑可调度的储能资源。一辆电动汽车的等效充电功率可在数kW到数十kW级别，达到的储能容量可在数十kW·h级别，可实现的调节时间也在数分钟至小时级别。当建筑周围存在多辆电动汽车时，这些电动汽车可发挥的调节能力既与车辆自身具有的电池资源有关，还与电动汽车的使用行为、转移规律等相关，需要结合电动汽车的使用行为来确定其可发挥的储能调蓄能力，以便更好地满足建筑自身能量调度需求。
3） 建筑中的各类电器设备，其等效的充放电功率、储能容量与电器设备自身具有的电池容量、输入输出功率特点相关，也与电器设备可实现的功率可调节能力、时间尺度上的能量迁移程度相关。目前各类建筑中的电器设备具有的储能能力、响应功率等存在较大差异，例如有的个人电子设备仅能实现W级别的功率响应，有的楼宇机电设备可实现数kW至数十kW的功率响应。
如何将建筑整体从等效电池的角度进行刻画、建筑整体具有多大的储能/蓄能能力、不同类型的建筑等效成的电池或具有的储能能力有何差异，仍是需要进一步回答的问题。从等效电池的角度出发，将建筑中可利用的各类资源等效为某种具有蓄放能力的电池，根据建筑中各类设备具有的蓄放能力、可供调度的潜力等即可进一步获得建筑整体的储能能力。这样，建筑整体可视为某种具有能量蓄存和释放能力的等效电池，可以作为整个电力系统中的可调蓄资源来统一考虑。建筑整体具有的储能/能量调蓄能力Si可用下式表示：
进一步地，在充分挖掘建筑自身具有的储能潜力基础上，需要进一步结合建筑柔性用能目标考虑建筑所需的储能容量，进一步合理设计配置建筑中所需的化学电池储能容量，既要保证发挥有效的调蓄能力、满足建筑需求，又要保证适量、避免过多的蓄电池容量增加系统成本。从可利用的储能资源重新认识建筑中的各类用电负载、电器设备，对其资源深入挖掘、充分认识其潜力后，有望大幅降低对建筑单独配置蓄能电池容量的需求，更好地发挥建筑自身具有的能量调蓄功能，促进建筑由单纯负载向具有调蓄功能的能量复合体转变。
4 “网”的特征及未来电力系统中建筑可发挥的作用
4.1 建筑配电系统：“网”的特征
除了具有上述“源、储、荷”环节的特征，建筑内还存在连接上述环节的重要纽带——建筑配电系统，这一系统具有“网”的特征。
当前电力系统中，建筑中的配电系统通常是最低一级的电压等级用户（10 kV以下），负责将外部电力经由变压器调至380 V或220 V常见电压水平来满足建筑中的负载用电要求。传统建筑内的配电系统连接了多类用电设备，并与外部电网连接，建筑配电系统自身就具有“网”的特征，只是这一“网”连接的供给端由外部输入电力，内部连接各类负载。从整个电力系统视角来看，建筑配电系统连接了建筑内的“荷”与外部电力供给“源”，“源、网、荷”之间是简单的供需关系。这时，建筑配电系统承担的是电力输送任务，其功能主要包括实现电力有效供给、满足各类用电终端负载的电力保障需求，保证电能质量、稳压、保护等基本功能。建筑配电系统的设计也多依照所需保障终端负载的用电等级、保障级别来划分负荷等级，根据各类负荷指标、预期同时使用系数等来确定配电系统容量。
在建筑利用光伏等可再生能源趋势下，光伏接入后为建筑配电网增加了一个电源点，使得建筑配电系统“网”的特征需要重新刻画；进一步地，当建筑中设置储能电池等能量存储部件后，例如储能电池具有充放电双向交互能力，某种程度上兼具“源”“荷”的特征，也深刻影响了建筑中配电系统“网”的特征。建筑自身利用分布式光伏发电、设置储能后，建筑配电系统更加具有微电网的特征。建筑微电网的特征表现为其可能包含不止一个电源点（光伏、外部电网输入、储能放电等单一或组合形式都可作为建筑微电网中不同阶段的电源），建筑配电系统需能够在这些不同源供给组合中实现更优的控制效果。
除了保障用电安全可靠等基本功能外，在零碳能源系统发展要求下，需要进一步关注建筑配电网络可以起到的对能量供给端、用能终端和储能环节的协同作用。建筑配电网作为连接建筑“源、储、荷”三部分的桥梁（如图9所示），应成为实现建筑能量有效调节的重要载体，上述三部分的特征曲线在“网”的协助下实现能量平衡，在“网”的作用下实现暂态、稳态的调节响应。“源、储、荷”各部分也应在建筑配电系统的调动参与下来实现柔性用能，响应电力系统调节要求。
无论是建筑传统交流配电系统，还是目前逐步发展的建筑直流配电系统，均需要在各类负载用户与供给源之间实现有效的平衡。建筑直流配电系统的发展带来了与交流配电系统不同的特征，包含多种电力电子器件的建筑直流微电网可以在控制调节中采取完全不同的方式，例如现在仍处于探索中的根据建筑直流母线电压变化来作为控制信号的直流配电系统控制方式，低压直流系统的单元级优化控制、微网级优化控制等。因而在未来新型电力系统的调节目标或调节要求驱动下，需要进一步利用建筑配电系统“网”的特征、探索出适应未来调节目标的建筑配电系统调节方法策略，充分利用建筑配电“网”连接“源、储、荷”来发挥积极的调动作用，在满足负载需求基础上追求更高的低碳化目标。
4.2 建筑在未来新型电力系统中的角色
上述建筑具有的“源、储、网、荷”特征，需要根据各类建筑的实际用能需求、建筑自身光伏利用方案、可利用的建筑储能资源等进一步刻画，获得真正可用的定量描述结果。这种建筑自身层面的“源、储、荷”特征实质上是反映了建筑电力系统的柔性调节能力，并可将这种自身具有的柔性调节能力充分利用到其与外部电网之间的交互中。例如当前方兴未艾的“光储直柔”建筑也是旨在充分发挥建筑自身的“源、储、荷”特征来促使建筑转变为未来新型电力系统中的柔性节点，某种程度上“光储直柔”是对“源、储、网、荷”在建筑层面、建筑情景下特征的深入刻画与实施路径指导。
在对上述建筑的“源、储、网、荷”基本特征进行刻画后，可进一步认识建筑在整个能源系统中的角色。未来整个能源系统在“源”侧将大致包括集中式的可再生电源和调峰电源，“源”侧通过一定的储能方式来调节电力供给；同时建筑等传统负载侧将具有大量分散的分布式光伏等可再生电源，建筑将成为具有“源、储、网、荷”特征的复合体；电网在集中电源与末端复合用户之间实现有效的电力供应、协调供需关系。因而，未来新型电力系统的“源、储、网、荷”之间将成为一种分层结构的系统模式，如图10所示。
建筑成为未来新型电力系统中的一个节点，需要更深入地研究、分析其特征，而建筑具有的上述“源、储、荷”层面的特征，能够使得在整个分层电力系统架构中认识建筑具有的需求特点及可调节能力。这样，在整个能源系统的分层结构中，建筑可视作一个同时具有发电、用电和储电能力的节点，其特征曲线为上一级电力系统的调节提供了重要边界条件。进一步地，基于单个建筑具有的“源、储、荷”特征，与周围建筑或用电负载的特征相结合，可以获得多个建筑、某一区域所具有的“源、储、荷”特征，再进一步地由多个区域级建筑联合，可得到更大范围内的用户侧“源、储、荷”特征，由此可以根据建筑自身的特征曲线与电力系统中集中电源侧的供给曲线来建立整个新型电力系统下的供需关系刻画模型。
建筑在未来能源系统中的定位从单纯负载变为灵活性可调节负载，对整个电力系统实现供需匹配提供了有力条件。建筑将成为电力系统中实现需求侧响应的重要载体，通过自身具有的“源、储、网、荷”特征来实现自身电力的灵活性/柔性调节，从而为电力系统提供可利用的末端调节节点，更好地适应外电网的电力供给特点、促进需求侧用电响应。在未来新型电力系统中，可根据上述建筑“源、储、荷”基本特征曲线、电力系统的分层结构刻画模型来实现系统的有效调节和优化调度。此时所追求的任务目标需由系统中各个组成部分、多个方面充分发挥自己的作用来有效参与，例如对于系统中的建筑、建筑群、区域级建筑、电网等均可根据自己具有的特征来进行适当调节，共同服务于整个新型电力系统的构建目标。
1） 建筑层级的基本任务包括：充分利用自身可再生能源，尽可能利用建筑分布式光伏发电为自身或外部电网提供光伏电力；结合建筑功能要求，满足自身用电需求，可利用自身光伏产电，不足部分仍由外部电网供给；根据满足自身用电调节需求、与外部电网交互等目标来确定是否调用及如何控制储能能力。在未来用户侧主动参与电力系统调节的情景下，建筑可根据自身“源、储、荷”的特征，也即柔性调节能力，来实时响应电力系统供给侧的指令，以便从供需两端协同发力促进整个新型电力系统的构建。由单个建筑用电负载、调蓄能力的变化，组成不同的建筑群、区域级建筑（达到负荷聚集商或虚拟电厂规模），其具有的“源、储、荷”特征可作为更上一级电网调度、电力系统调节的有效输入边界，建筑群、区域级建筑可实现更大的调节响应能力，从而为区域级、城市级的电力系统调度提供更多可利用的用户侧资源。
2） 电源侧的目标可包括：期望能够充分利用风光电等可再生电力降低对火电等化石调峰电力的需求，电源侧的电源结构、供给曲线特征可通过电力动态碳排放等指标反映，作为电力系统中的有效参照目标，引导电力系统中的用户响应电源侧的电力富余或匮乏情况及碳排放变化来促进电源侧与用户侧供需匹配，减少对系统中储能的需求，更好地实现源侧结构优化。
3） 电网在电力系统中起到重要的桥梁作用：承担了在集中电源（可再生电力供给）与分布式多末端用户之间的调节任务，需要根据系统中总的“源、荷、储”实时能力和响应、变化特征来确定连接在电网中的各环节如何运行，并将整个电力系统的供需关系反映到实时动态电价、电力动态碳排放等的变化情况，同时能够将这些指令传达到末端用户，促使用户能够根据自身“源、储、荷”特征或柔性调节能力来响应电源侧的调节需求，从而实现有效地调节，引导电力系统更好地实现供需平衡。
5 结语
碳中和目标推动整个能源系统的低碳发展，在未来低碳能源系统发展要求下，建筑将不再仅是传统意义上的用电负载，而将兼具发电、储能、调节、用电等功能。本文对建筑具有的“源、储、网、荷”基本特征进行了探讨，提出了将建筑作为未来新型电力系统中一个节点时如何对其“源、储、网、荷”特性进行描述刻画的方法，为进一步深入认识建筑在未来整个新型电力系统中的角色、所能发挥的作用、建筑电力系统的合理构建等提供参考。
目前相关研究与实践尚处于探索阶段，仍需在多方面开展持续深入研究：需要对建筑自身的“源、储、荷”特征进行深入挖掘，对具体的建筑建立其特征曲线的描述方法，需要对建筑由单纯负载变为灵活可调负载后的特征、其在整个新型电力系统中的作用进行重新认识，需要在未来分层电力系统架构下认识建筑可发挥的调节能力，在建筑作为可调灵活负载后需要建立由建筑到区域再到更大电网多层级结构的优化调控方法，以便更好地发挥建筑在未来电力系统中具有的复合功能，助力碳中和目标的实现。
