住宅建筑混合光伏辅助供热系统储能方案的确定

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Determination of energy storage scheme for hybrid photovoltaic-assisted heating system in residential buildings

　　

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  提出了一种设计阶段框架，用于在蓄热与锂离子电池储能之间进行选择。
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  将太阳能资源可用性与电-热负荷结构整合到储能选择中。
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  确定了蓄热方案与锂离子电池方案之间的适用性边界。
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  展示了蓄热与电池储能适用性随负荷变化的转移规律。
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  考察了五种气候条件下一致的适用性规律。

引言

建筑是能耗最大的终端之一，提高建筑能效是实现可持续建筑环境的关键[1]。在全球范围内，建筑运行约占终端能耗的30%，占终端电力需求的一半以上，占能源相关温室气体排放的约26%[2]。住宅综合能源系统的优化调度对于提高能效、降低成本和促进本地可再生能源并网具有重要意义。

相关研究已从单目标优化发展到多目标优化，进而发展到配置-运行耦合优化[3]。系统容量配置优化通常涉及结合各种能源设备的运行特性，以实现不同能源之间的协调供给与互补[4]。可再生能源技术为减少建筑能源使用的环境影响提供了重要途径[5]。因此，将可再生能源和节能技术整合到建筑能源系统中至关重要[6]。然而，太阳能光伏（PV）发电具有固有的波动性和间歇性，这可能导致现场发电与建筑能源需求之间的时间错配[7]。作为一种常见方法，在屋顶安装光伏板并辅以电能储能系统可以增强能源使用灵活性并延长太阳能的可用性[8]，[9]。随着屋顶光伏系统的大规模部署，应根据建筑的电气和热需求选择合适的能量转换和储能方案[10]。提高建筑能源灵活性需要通过缓解可再生能源供给与建筑需求之间的差异来借助能源存储实现[11]。

储能系统已成为优化能源管理的重要技术，有助于在低需求时段储存多余能量并在高需求时段释放[12]。目前，锂离子电池（LBs）因具有高能量密度和功率密度，被广泛应用于建筑光伏系统的电能存储。锂离子电池储能系统可通过优化能源使用帮助住宅用户降低成本并减少二氧化碳排放[13]。Zhi等[14]优化了农村地区的PV和LB容量，证明通过适当的容量配置和运行策略，系统与电网的互动平滑度可提高87%。在光伏储能系统的背景下，PV安装面积和储能容量的确定对建筑光伏系统的运行性能至关重要[15]，[16]。Chen等[17]针对混合用途建筑探索了考虑分时电价（TOU）的共享储能系统，强调了PV阵列面积、电价差异和电网功率限制在优化电池容量和系统性能方面的重要性。尽管锂离子电池具有优势，但也面临挑战，例如钴和锂等稀有材料的耗竭以及与电池处置相关的环境问题[18]，[19]。因此，有必要开发环保型储能技术。

目前电-热耦合分析研究主要集中于设备级建模。对于热泵（HP），关键在于建立输入电功率与输出热功率之间的能量转换关系。热泵通过将电能高效转化为热能，可大幅减少碳排放和能耗[20]。通过将热泵与蓄热（HS）水箱耦合，可将多余的光伏电力转化为显热储存供后续使用，有效实现热能生产与需求的时间解耦[21]，[22]。随着热泵和蓄热水箱越来越多地与太阳能等可再生能源集成，其系统效率和可靠性不断提高，使其在建筑中的应用更具实用性[23]。除设备建模外，建筑热特性的描述是电-热耦合系统建模过程的核心部分。然而，当前方法通常将建筑热负荷简化为外生给定的时间序列曲线，并将其直接作为热需求输入纳入优化模型，未能充分捕捉建筑蓄热效应对系统调度决策的实际影响[24]。总之，LB和HS系统具有各自独特的优势和局限。LB因其技术成熟、充放电速度快以及直接电-电调节能力而受到青睐[25]。相反，HS方案的核心优势在于以远低于锂电池的初始成本将大量能量以热的形式储存[26]。然而，两种方案的经济竞争力均受太阳能资源、运行条件和建筑特定参数的显著影响[27]。鉴于两种技术在建筑领域均有应用前景，在选择储能形式时须综合考虑负荷需求、设备成本和资源环境等多种因素[28]。

既往研究已广泛探讨了PV-HP建筑能源系统中电气储能与蓄热的容量配置、运行和协同优化。Baniasadi等[29]研究了住宅PV建筑能源系统中电池和蓄热的最优容量配置与运行。Pinamonti和Baggio[30]从能源和经济角度分析了结合电气和蓄热的太阳能辅助热泵配置。最近，Zhang等[31]开发了一种PV-HP系统的设计与优化框架，同时集成了蓄热和电池储能。与此同时，一系列负荷匹配指标已被开发出来，用于表征现场可再生能源发电与建筑电力需求之间的关系。Salom等[32]系统分析了净零能建筑的负荷覆盖率和供给覆盖率因子，后续研究则采用自消费率、自给率、净负荷变化等相关负荷匹配指标，在不同建筑和气候条件下评估PV-负荷交互和系统容量配置[33]，[34]。这些指标主要表征现场电力发电、建筑电气需求和电网互动之间的运行关系。尽管这些指标对于评估系统运行具有重要价值，但它们未能直接建立蓄热与电池储能之间的选择适用性边界，也未同时考虑屋顶太阳能资源可用性和建筑需求的电-热构成。这凸显了需要一种互补的设计阶段框架，将这两个因素与备选储能方案的经济和环保性能关联起来。

本研究通过整合可用辐照度-电力负荷比（AIPL）和电力-热负荷比（E2H），开发了一种储能选择框架。AIPL表征相对于建筑电力等效能源需求（包括由热泵供应的热需求）的总体太阳能资源可用性，而E2H描述建筑需求的电-热构成。通过将蓄热（HS）和锂离子电池（LB）方案的经济和环保性能映射到AIPL-E2H空间，所提出的框架确定了在所研究条件下区分两种方案各自适用区域的关键AIPL值（AIPL_c）。本研究的主要贡献在于将特定案例的优化结果转化为可解释的适用性边界，以支持在不同负荷结构和气候条件下的储能方案初步选择。

章节摘要

系统概述

为评估混合光伏辅助供热系统的能源调节性能，本研究开发了一套综合决策框架，如图1所示。该框架系统地映射了从能源供需特征到最优储能方案选择的全过程，具体如下。

• (1)
  在图1(a)和(b)所示的"供给侧"和"需求侧"层中，系统通过光伏组件将太阳辐照转化为电力以满足建筑能源需求。

不同AIPL情景下的性能对比

为评估HS和LB方案在不同供需条件下的适用性，本文考虑了两个代表性情景，即AIPL=0.39和AIPL=0.69。这些值位于性能边界两侧，分别代表有利于HS和LB的条件。这些AIPL值是通过在固定屋顶PV安装面积为2000 m²的情况下调节建筑负荷缩放因子获得的。电气和热负荷按比例缩放

结论

本研究开发了一种面向设计的框架，用于在住宅光伏辅助供热系统中选择蓄热（HS）或锂离子电池（LB）储能，该框架整合了可用辐照度-电力负荷比（AIPL）和电力-热负荷比（E2H）。采用多目标优化模型评估两种储能方案的经济和环保性能并确定其适用性边界。主要结论总结如下：

CRediT作者贡献声明

Rao Zhenghua：撰写——审阅与编辑，资源获取，方法论，资金支持获取，概念化。Gong Ruiqi：撰写——初稿，调查研究，数据整理。Wang Hui：软件，方法论，形式化分析。Zhao Yao：验证，资源获取，调查研究。Chen Rui：撰写——审阅与编辑，可视化，监督指导。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢煤炭重大专项项目（2026ZD1702400）以及中南大学长沙建筑工程设计研究院工程技术研发中心（KJ2025-09）为本研究提供的资金支持。

Zhenghua Rao | Ruiqi Gong | Hui Wang | Yao Zhao | Rui Chen