建筑围护结构一体化发电系统的全生命周期能源-经济-环境协同优化研究

本研究针对光伏-热电-相变材料(PV-PCM-TEG)耦合系统在建筑围护结构中的应用，通过响应面法(RSM)结合NSGA II-MOPSO多目标优化算法，实现了能源节约(ES)、全生命周期成本(LCC)和二氧化碳减排(CR)的协同优化。实验表明，优化后墙体集成系统ES和CR分别提升3.92%和4.17%，LCC降低14.20%；屋顶集成系统性能提升更显著，为建筑可再生能源利用提供了创新解决方案。

　　

随着全球碳中和目标的推进，建筑领域如何高效利用可再生能源成为关键课题。传统光伏(PV)系统仅能将15～20%的太阳能转化为电能，其余能量以热能形式浪费，且温度升高会导致光电效率下降。更棘手的是，光伏电池需要低温运行，而热电发电机(TEG)依赖高温差发电，这种矛盾使得PV-TEG耦合系统难以协调。相变材料(PCM)的引入虽能缓解温度矛盾，但现有研究多聚焦单一能源指标，忽视经济成本和环境影响的协同优化。

针对这一难题，武汉某高校团队在《Renewable Energy》发表创新研究，提出双层层状PCM的PV-PCM-TEG建筑一体化系统。研究采用响应面法(RSM)建立数学模型，结合非支配排序遗传算法与多目标粒子群优化(NSGA II-MOPSO)进行多参数协同优化，首次实现能源节约(ES)、全生命周期成本(LCC)和二氧化碳减排(CR)的三重目标平衡。实验验证显示，优化后系统在墙体应用时ES和CR分别提升3.92%和4.17%，LCC降低14.20%；屋顶应用效果更显著，三项指标分别改善5.73%、5.94%和49.28%。

关键技术包括：1) 建立包含安装、运行、报废阶段的LCC和CR计算模型；2) 采用形状稳定的双熔点PCM板实现全年温控；3) 基于武汉实验平台对比PV、PV-TEG、PV-PCM-TEG三系统性能；4) 运用熵权-TOPSIS法进行多目标决策。

Mathematical model development
通过热-电耦合方程量化PV温度与TEG塞贝克效应的关系，引入PCM相变焓平衡热流，建立包含6个可控参数的系统模型。

Experimental platform description
实测数据验证模型误差<5%，双PCM层使夏季/冬季系统温差分别稳定在18°C和12°C，TEG输出功率提升2.85%。

Response factors
全生命周期分析显示，优化系统在25年周期内可减少CO₂排放4.2kg/(m²·a)，LCC中材料成本占比从67%降至52%。

Response surface methodology model
参数敏感性分析揭示PCM厚度与TEG模块数的交互作用最显著(t值>2.8)，非线性项贡献率达34%。

该研究突破传统单目标优化局限，提出的协同框架为建筑-能源系统设计提供新范式。双PCM层设计实现全年稳定发电，优化算法使LCC降低近半，对实现中国"双碳"目标具有重要实践价值。作者团队特别指出，未来可拓展至动态气候条件下的自适应优化研究。