天津大学"光储直柔"小屋R-CELLS大放异彩

继8月8日获得第三届中国国际太阳能十项全能竞赛“最受媒体欢迎”子竞赛第一名后，8月10日，由直流建筑联盟、深圳市建筑科学研究院股份有限公司、南京国臣直流配电科技有限公司等赞助支持的，天津大学、奥斯陆建筑与设计学院‍、天津城建大学联队设计的参赛作品R-CELLS又斩获该赛事“能源能效”子竞赛第一名！

R-CELLS采用“光储直柔”的能源结构形式，旨在创造一生的健康生态住居：实现正能源、全循环、零排放目标。小屋在可持续性建筑设计概念和方法上，R-CELLS住宅强调“被动优先，主动优化”的设计原则，采用太阳能为主要电能来源，辅以蓄电池组，在满足日常生活所需电能的基础上，可将多余电能传输至电网，实现建筑的 “零能耗” ；光伏、风机、蓄电池均为直流输入输出，住宅内的多个系统间实现了良好的交互和协调联动，使住宅整体的能源效率得到提升，实现了建筑舒适性和环保性的双赢效果，助力建筑的可持续发展。

那么究竟R-CELLS在能源能效方面又有什么特别之处呢，小盟带你一起来探秘~

建筑能耗目前已占全球能耗的30%-40%，一个优秀的建筑必须要负起对世界和环境的责任，R-CELLS也不例外，在如何实现正能源，全循环、零能耗等方面同样做了大量思考。

R-CELLS采用“光储直柔”的能源结构形式，即采用：

光伏+风机的发电系统，

实际+虚拟的储能系统，

直流+交流的供电系统，

刚性+柔性的能源管理系统；

图2  R-CELLS产消者模式示意图

-张家口地区风力和太阳能资源丰富，如仅依靠太阳能，能源来源太单一，从发电侧同样也需要实现多能互补；

-R-CELLS在铺设了分布式光伏发电系统总容量35.14kWp以及风力发电系统最大功率2kW；

-远超实际用电量4倍的R-CELLS使建筑的角色由consumer（消费者）变成了可向电网售电的producer（生产者），RCELLS成为了prosumer（产消者），用户从中可以获取收益。

R-CELLS致力于实现建筑零能耗以及离网运行。可再生能源的出力是间歇和不稳定的，储能的设置是合理且非常必要的。

-从实际储能的角度，又可以进一步分为主动和被动储能。R-CELLS装有容量为99.84kWh的蓄电池以及120L电热水箱，包含了蓄电和蓄热两种主动储能形式。在阳光间地板下安放了相变蓄热材料，延缓阳光间阳光直射导致的升温速率。并且通过双向大功率直流充电桩，实现了V2B（Vehicle to building）；

-从虚拟储能的角度，R-CELLS拥有保温性能极佳的围护结构（U=0.113W/m2K），当我们把室内空气和家具等视为介质时，RCELLS房屋也可以成为“储能设备”,通过HVAC系统预热和预冷，同样可以实现一定意义上的储能，这部分储能是“虚拟储能”。

采用直流系统可以减少能源转换的损耗。光伏、风机、蓄电池均为直流输入输出，如果选择光伏-DC/AC逆变器-AC/DC逆变器-蓄电池，即使逆变器采用效率最高（98%），那么从光伏到电池的能量就衰减到96.04%。

大部分家用电器需要直流电。诸如电视、电脑、照明、冰箱等均需用直流电，市售型在内部均装有AC/DC逆变器以匹配市电AC220V。

对R-CELLS而言，实现能量平衡需要用可变的家庭能源需求去匹配预测的能源供给，同时用多能互补的方式满足不确定的家庭能源需求。能量平衡等式如下：

光伏+风机+蓄电池+市电（离网情况下无）=刚性负荷+柔性负荷

该等式在任何时刻点均需满足，为此我们设计了一套基于终身学习自适应的多时间尺度模型预测控制能量管理系统，实现从需用户求侧主动参与电力调节，在R-CELLS建筑层面实现能源最大化利用。