针对中国近零能耗社区，结合电力、氢能和热能储存的能源系统的优化设计及性能分析

《Journal of Energy Storage》：Optimization design and performance analysis of the energy system combining electricity, hydrogen and heat storage for near-zero energy communities in China

整合电、氢及热储的近零能耗社区能源系统，提出多目标优化方法，分析五个气候区案例的年、月、时性能，碳减排23.6%-87.7%，电网交互降低23.6%-76.3%。

　　

范光耀|龚迪新|郭家成|刘志坚|吴迪

山东大学控制科学与工程学院，中国济南，250061

摘要

在接近零能耗社区（NZEC）的能源供应系统中整合多种储能方式，有助于实现建筑领域的碳减排。首先，提出了一种结合电力、氢能和热能储存的能源系统。考虑到环境经济独立性，提出了一种同时考虑配置和运行的多目标优化方法。其次，以中国不同气候区的五个典型城市（哈尔滨、北京、南京、广州和昆明）为例，对接近零能耗的办公社区、学校社区和住宅社区进行了系统优化研究。最后，从年度到月度再到小时级不同时间尺度分析了系统的性能指标。研究结果表明，在15个案例中，系统的年单位面积碳排放量为2.5 kg/m2–73.4 kg/m2，年单位面积总成本为9.7美元/m2–23.7美元/m2，单位面积的总电网交互量为6.2 kWh/m2–75.9 kWh/m2。与参考系统相比，年碳排放减少率和电网交互量减少率分别为23.6%–87.7%和23.6%–76.3%。该研究为不同气候区的NZEC能源系统设计及相关标准的建立提供了宝贵的参考。

术语表

命名法

AC	吸收式制冷机	MGI	月度电网交互量（MWh）
ACE	年碳排放量（t）	NSGA-II	非支配排序遗传算法-II
ATC	年总成本（$）	NZEB	接近零能耗建筑
EB	电锅炉	NZEC	接近零能耗社区
EC	电制冷机	NZEOC	接近零能耗办公社区
EES	电能储存	NZERC	接近零能耗住宅社区
EL	电解槽	NZESC	接近零能耗学校社区
FC	燃料电池	PV	光伏
GSHP	地源热泵	PVT	光热

系统配置

图1展示了集成电力、氢能和热能储存的NZEC系统。该系统主要由可再生能源单元、供暖和制冷单元以及多种储能单元组成。可再生能源单元包括光伏（PV）面板、光伏热（PVT）模块和太阳能热（ST）集热器（PVT-ST）等组件。供暖和制冷单元包括地源热泵（GSHP）、电锅炉（EB）和吸收式制冷机（AC）等。

案例研究

图3显示了中国建筑热设计所对应的气候区，包括严寒地区、寒冷地区、夏季炎热冬季寒冷地区、夏季炎热冬季温暖地区以及温和地区[42]。分别选择哈尔滨、北京、南京、广州和昆明作为这五个气候区的代表。图4展示了这五个城市全年的小时辐射强度和温度情况。哈尔滨和北京分别位于...

结论

本文构建了一个集成电力储存、氢能储存和热能储存的NZEC能源供应系统。以哈尔滨、北京、南京、广州和昆明的NZEOC、NZESC和NZERC为例，进行了多目标优化分析，重点关注经济、环境和独立性方面。系统在年度、月度和小时级别的性能得到了分析和评估。结论如下：

(1) 每单位面积的年碳排放量（ACE）...

CRediT作者贡献声明

范光耀：撰写——原始稿件、软件开发、方法论、数据分析、概念构建。龚迪新：撰写——原始稿件、数据分析。郭家成：撰写——审稿与编辑、软件开发。刘志坚：撰写——审稿与编辑、项目管理。吴迪：撰写——审稿与编辑、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52206247）和河北省自然科学基金（编号：E2023502040）的支持。