引言能源可持续发展、安全等问题成为全球焦点。我国一次能源消费增速放缓至1.3%，消费总量仍占全球净增长的3/4，建筑领域能耗占全球能源总量的30%，且建筑年均能耗增长率达1.5%，相比工业和交通领域的能耗增长更强劲。在全球气候变暖、能源危机以及环境污染大背景下，传统化石能源正向可再生、清洁型新能源转型，风能、电能、太阳能、氢能等可再生能源发展将全面提速，“新能源+储能”模式将为可再生能源大规模发展和并网提供有力支撑，氢能在解决能源危机方面受到高度关注。1970年，约翰•鲍克里斯初次提出“氢经济”概念。2016年，在《能源技术革命创新行动计划（2016~2030年）》中提出能源技术革命重点创新行动路线，“氢能与燃料电池技术创新”位列15项任务中，标志着氢能产业已被纳入国家能源战略[1-2]。氢燃料是一种环保、高效的二次能源，是多种来源、理想能源的互联媒介，具有应用广泛等特点。文中梳理了国内外氢能的发展规划及应用现状，对未来上游、中游、下游氢能关键技术发展的趋势进行了分析，为实现建筑领域的节能减排提供参考。1氢能国内外发展现状1.1国内氢能发展概况“十二五”期间，我国科技部牵头发布氢燃料电池相关政策规划。2016年10月，《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》提出氢燃料产业基础设施的发展路线，如图1所示。截至2050年，氢能将在产业结构中占主体地位，形成分布式供能系统。我国标准体系框架已初步建立，已编制相关国家标准26项。随着技术进步，标准的建设过程有待进一步完善。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.001.F001图1我国氢能产业发展路线为了提高我国氢能产业的发展，2005年政府从国家层面做出宏观调控，2016~2020年政策文件数量明显上升，2018~2019年文件发布数量增加尤为显著。各省市陆续提出本地的氢燃料产业发展规划纲要，覆盖全国的氢燃料发展格局，截至2020年4月，推出相关政策文件累计30项，以江苏省、广东省、山东省出台政策数量相对最多。为更好地实现氢燃料产业均衡发展，国家重点把控氢燃料电池产业及产业园区发展，推进产业集群建设。1.2国外氢能发展概况随着各国对氢燃料关注的程度加大，不同国家和地区相继制定发展战略，规划发展路线。2011年，欧盟《2050能源技术路线图》提出，将氢能源系统与燃料电池共同作为未来能源系统结构转型的主要因素。2019年，欧盟组委会发布《欧洲氢能战略》，主要依靠风能、太阳能产氢，制定阶段性目标，将绿氢作为发展重点；同年，欧洲燃料电池和氢能联合组织提出面向中长期持久的发展路线图，政策层面持续落地的同时，示范项目逐渐建成。2014年，美国颁布《全面能源战略》，生产氢燃料电池发电系统主要应用于商业用户，截至2019年销售量达1 194套。20世纪末，日本探索燃料电池的应用，2004年生产出燃料电池的示范产品。2009年后，日本为加大产品购买补贴方式，推动燃料电池的商业化，成为全球商业燃料电池利用系统规模化最大国家。同年，推广全球规模化家用燃料电池热电联供系统，一套装置大约可提供日本普通家庭平均能耗的40%~60%。2017年，日本经济产业制定《氢能基本战略》，规划在创新领域重点发展氢，推动制氢、储氢、氢发电技术向更成熟的方向发展，扩大应用范围，构建清洁无污染的“氢能社会”[3]。已有部分发达国家展现一条完善的氢燃料电池产业链。2上中游氢能技术概况2019年，我国制氢量约2 000 万t，为氢燃料的生产利用提供基础。制氢阶段：化石燃料制氢、工业副产氢、可再生能源电解制氢以及生物制氢为主要的制氢方式，我国氢能供给结构预测如图2所示。由图2可知，我国仍以化石燃料制氢应用为主，消耗化石燃料的同时产生大量二氧化碳，造成环境污染。另外，随着时间的推移，化石燃料制氢及工业副产氢所占比重明显降低，可再生能源制氢比例显著升高。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.001.F002图2我国氢能供给结构预测拟采用的氢来源为可再生能源制氢。各种制氢方式中，电解水制氢是公认的碳排放最低且最为环保的方式，太阳能产生多余的电量用以制备氢气（或进一步将氢气与二氧化碳反应产生甲烷气）进行储存。在减少碳排放的同时，能够起到分布式储能、平衡电网电压的作用。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》以“碳中和愿景下的低碳清洁供氢体系”为主线，提出脱碳是本轮氢能产业发展的第一驱动力，2060年可再生能源制氢规模有望达到1 亿t，并在终端能源消费占比中达到20%，完善低碳清洁氢政策体系是氢能助力碳中和的关键。为使可再生能源发电与需求最大化重合，可利用弃电电解水，将风能、太阳能等可再生能源转化为氢，提高其利用效率。通过测算未来的可再生能源发电装机模型，截至2030年，风电能、太阳能发电总装机容量达到12亿~20 亿kW；2060年，风电能、太阳能发电总装机容量达到66 亿kW。依据可再生能源电解水制氢5%~10%配置，完全可以支撑我国清洁氢供给结构需求[4]。储氢阶段，氢气密度低且易爆，存储、运输等安全问题成为实现氢能规模化应用的关键。目前，我国采用20 MPa气态高压储氢与罐车运输方式，氢气主要储运方式如表1所示。由表1可知，压缩气态储氢成熟度相对较高，具有一定的安全性与便利性，可应用于车用氢能领域。大规模商业化应用中，氢燃料电池的安全问题、存储运输方式仍处于瓶颈。我国在高压储氢、液化储氢方面取得较大进步，但安全隐患、高成本等问题仍未得到有效解决。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.001.T001表1氢储运方式对比对比项压缩气态储氢低温液态储氢液氮/甲醇储氢氢化物/LOHC吸附储氢优点技术成熟、充放氢速率可调。体积储氢密度高、液态氢纯度高。密度高、安全性好、储运方便。安全性高、储存压力低、运输方便。缺点体积储氢密度低、容器耐压要求高。液化过程能耗高、容器绝热性能要求高、成本高。技术操作复杂、含杂质气体、往返效率相对较低。普遍存在价格高、寿命短或储存、释放条件苛刻等问题。技术成熟度发展成熟，应用于车用氢能领域。国外约70%采用液氢运输，安全问题已充分验证。距大规模商业化应用较远多数处于研发试验阶段运氢阶段的运输方式包括道路车辆、铁路、轮船、管道运输。道路运输在高压气氢拖车应用中较为广泛，具有技术相对成熟的优点，但规模小，运输距离较短。国内长管拖车储氢罐压力达到20 MPa，国外储氢压力达50 MPa。液氢槽车适合长距离运输，但液化成本高，应用存在局限，仅应用于航天及军工领域。铁路运输应用较少，一般与液氨储氢技术结合。液氨储氢与液氢储运技术结合，应用于轮船运输的方案已实践应用。管道运输能够实现大规模输送，可在未来应用中快速发展，但前期投资较多，存在氢脆等技术难点。3下游氢能技术概况3.1交通领域氢燃料电池汽车的发展得到关注。2008~2010年，氢燃料电池汽车项目已开展示范性项目。2016~2020年，氢燃料电池的产业呈聚集状态，形成以珠三角、长三角等地区为首的氢燃料电池汽车产业链。北京、江苏、广东等省份相继示范性运营国产氢燃料电池汽车。2016年《燃料电池汽车技术发展路线图》明确指出：我国燃料电池车销量约3 896辆；截至2030年，数量将累计超过100 万辆。各地相继提出氢燃料电池汽车发展规划。现有资料统计，我国已超11个省级地区对氢燃料电池汽车产业做出相应规划，形成“东西南北中”五大发展区域[5]。各省市、地方下发政策文件，通过燃料电池汽车政府补贴、推进加氢站建设补贴等具体措施对我国氢燃料的发展起到关键的促进作用。3.2建筑领域氢燃料固定式电池应用较为广泛，其中热电联供常为大型民用建筑等所使用。目前，欧洲、美国、日本等氢燃料电池分布式发电已初步实现商业化，可解决居民供暖、供热水等问题。日本是氢能固定式应用相对成功的国家。2009年开始建设全球规模化家用燃料电池热电联供发动机系统；至2018年7月，家用燃料电池热电联供发动机系统已在日本销量累计23 万套，单个发动机装置的成本相较推广初期减少60%以上[5]。目前，我国已有300多台新型燃料动力电池在应急火灾预防和维护备用动力电源系统中投入使用。2016年，辽宁省成功投入2 MW高质子热电交换器薄膜新型燃料动力电池光伏发电联供系统，总效率最高可达75%。天津市、广州市、上海市等多地规划推广燃料电池热电联供的试点项目。微型热电联供用于家庭和小型商业建筑，可提供热量和电力，同时避免因远距离输送产生的能量损失，从而达到节能目的。2018年，国家能源局在广州开发氢能源利用示范区积极打造“中国氢谷”。各地政府利用本地区优势，抢占技术制高点，发展氢能，相关的“氢能产业园”“氢能小镇”“氢谷”逐步兴起，涉及总投资多达数千亿元。随着国家政策对氢能产业的扶持以及投资金额的加投，氢能小镇的数量不断增加，能源体系中氢能生产、转换和终端利用如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.001.F003图3能源体系中氢能生产、转换和终端利用氢燃料电池因其能量转换率高、燃料选择范围宽、功率和密度大、安静且不受环境污染等特征备受重视，为建筑热电联供提供重要支撑。沈阳建筑大学绿色能源与建筑研究中心与国家能源集团联合，以沈阳建筑大学铜铟镓硒（CIGS）光伏建筑一体化示范性项目为研究对象，提出氢-光互补建筑一体化研究方案，建筑概况如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.001.F004图4沈阳建筑大学铜铟镓硒（CIGS）光伏建筑一体化示范性建筑由图4可知，建筑西立面垂直铺设CIGS光伏组件12片，南立面垂直铺设CIGS光伏组件20片，建筑立面光伏组件功率为100 W/片，建筑屋面铺设CIGS柔性光伏组件17片，屋面光伏组件功率130 W/片。采用Energy Plus对示范性建筑全年逐时负荷，进行数值仿真模拟，设置建筑围护结构、室内灯光、照明等参数。通过计算可知，建筑全年供暖总能耗达到15 594.5 kWh；全年制冷总能耗达到3 288.6 kWh，其中建筑瞬时冷负荷最高值95.9 kWh，出现在夏季7月24日；瞬时热负荷最高值140.7 kWh，出现在冬季1月13日，供暖季平均热负荷为93.7 kWh，制冷季平均冷负荷为132.1 kWh。示范性建筑采用太阳能为能源供给，因受太阳辐射及周围环境等因素影响，光伏组件产能存在差异。太阳能光伏组件全年产能量达5 803.7 kWh。9月太阳能光伏产能量最高，可达611.5 kWh；12月份太阳能光伏产能量最低，仅达383.7 kWh。原因在于：一方面冬季受太阳辐射时长及积雪覆盖光伏板等因素影响，产能减少；另一方面受阴天或雾霾等天气因素影响，产能受限。通过数值仿真模拟计算可知，该建筑全年仍有1 3079.4 kWh能源短缺，如图5所示。太阳能光伏系统产能量与建筑能耗量不匹配。经计算，全年有4个月光伏产能量大于建筑用能量；8个月光伏产能量小于建筑用能量。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.001.F005图5示范性建筑总能耗量与光伏发电产能量综上所述，太阳能光伏系统在寒冷地区全年日常运行中，因季节性、环境、气候等限制条件与不确定因素共同作用下，不能够完全满足建筑用能需求。结合该示范性建筑，提出在能源系统中加入氢燃料电池和储氢系统方案，将多出建筑用能量的光伏产能量直接用于电解水制氢，与太阳能光伏系统耦合，采用氢-光互补建筑一体化系统实现建筑能源自给自足。4结语通过对各地发展政策、概况、补贴发展机制等综合调研，剖析国内外氢燃料发展，以CIGS光伏建筑一体化示范性项目为研究对象，提出氢光建筑一体化方案，得到以下结论：（1）2016~2020年，我国政策文件数量逐步上升。截至2020年10月，出台政策累计30项。（2）我国技术上游阶段，制氢领域能源化仍需进一步提高，未来电解水制氢技术视为最有潜力的制氢技术，可利用弃光、弃电与电网结合，实现能源互补，解决制氢经济性难题及能源浪费。技术中游阶段，普遍采用气态高压储氢与罐车运输方式。技术下游阶段，交通领域氢燃料电池车辆方面投入力度较大，形成“东西南北中”5大发展区域；建筑领域氢与建筑结合，与电复合形成的氢储能系统实现家庭分布式供电。（3）太阳能光伏建筑一体化在寒冷地区，因多种因素影响，不能单独作为能源供给满足建筑用能需求。结合示范性建筑仿真模拟，在原有能源系统中加入储氢系统和氢燃料电池，提出氢-光互补建筑一体化系统作为氢能与建筑结合设计初探，为实现零能耗建筑及2060碳中和提供参考。