干旱气候下混合太阳能光伏-电网地热系统的技术与经济评估

《Energy Storage and Saving》：Technical and economic assessment of a hybrid solar PV-grid geothermal system in arid climates

　　

本研究探索了在干旱气候下，针对空间调节（space conditioning）量身定制的联合地热与太阳能系统的实施，以科威特为主要案例。所提出的解决方案包含一个水源地热热泵系统（water-source geothermal heat pump system），耦合垂直钻孔地埋管换热器（vertical borehole ground heat exchanger，VBGHE），并由混合光伏系统（hybrid photovoltaic system）与电网（electrical grid）集成提供支持。该设计旨在服务一栋六层住宅楼，包含两居室公寓，每个单元配备两台与VBGHE协同运行的地热热泵，以维持冬季22°C和夏季26°C的室内温度。研究人员通过检查光伏-电网混合配置（包括和不含电池储能组件）对系统性能进行了数值评估。为了优化热能利用和成本效益，本研究使用TRNSYS 18进行详细的热模拟，并利用多能源资源混合优化（hybrid optimization of multiple energy resources，HOMER）PRO进行全面技术经济分析。分析显示，公寓综合体的年制冷需求显著高于供暖需求。在评估的配置中，无储能混合光伏（photovoltaic，PV）-电网系统成为最可行的方案，通过太阳能光伏供应55.7%的电力负荷，剩余44.3%来自电网。该配置将年总能源成本降低了80%，实现了具有竞争力的平准化能源成本（levelized cost of energy，COE）0.077 USD·kWh^-1和净现值成本（net present cost，NPC）22,280 USD，投资回报率（return on investment，ROI）为4.1%，回收期为12年。此外，混合系统每年减少了2,100 kg的CO₂排放。敏感性分析证实，在所有情景下（包括最不利条件），所提出的系统COE均显著低于电网供电的电力。除了这些经济优势，该系统还通过可测量的CO₂减排提供了显著的环境效益。

**研究背景、问题与意义**
科威特地处干旱气候区，夏季极端高温（可达50°C），空调能耗占全国总电耗的70%–75%。现有节能规范（如科威特电力与水利部（MEW）建筑节能法规及工业管理局（PAI）的能效标准）主要聚焦于被动节能措施（如建筑围护结构优化、高效直膨式空调系统），但未涉及主动利用可再生能源。尽管国际研究已展示混合可再生能源系统的潜力，但针对科威特这类极端干旱气候下的综合技术经济评估仍存在明显空白。为此，Yousef Gharbia与Javad Farrokhi Derakhshandeh开展本研究，旨在提出并评估一种混合光伏（PV）-电网-地源热泵系统，用于空间供暖与制冷，以减少化石燃料依赖和碳排放，同时充分利用科威特丰富的太阳能资源（年太阳能辐照量1985 kWh·m^-2）。该论文发表在《Energy Storage and Saving》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用TRNSYS 18软件对建筑热负荷、地源热泵系统（GHP）性能及PV出力进行瞬态模拟；利用SketchUp 17构建三维建筑模型并通过TRNBuild定义材料属性；使用Meteonorm数据库提供科威特气象数据。随后将TRNSYS输出的电力需求导入HOMER Pro 3.14.2，进行多能源资源混合优化与敏感性分析，评估不同配置（纯电网、PV-电网、PV-电池-电网等）的净现值成本（NPC）、平准化能源成本（COE）、投资回报率（ROI）及回收期。无具体样本队列来源，但建筑参数基于科威特标准住宅设定。

**研究结果**
**7. 电能评估及光伏太阳能系统潜在供应**
TRNSYS模拟显示，顶层公寓年制冷需求7305 kWh，供暖需求228 kWh；整个六层建筑年总电力需求为9229 kWh。单串PV（2块330 W面板）年发电量约3936 kWh，无法满足夏季高峰需求，需电网补充。

**9.3. 能源混合优化结果**
HOMER优化识别出最佳配置为14块加拿大太阳能CS6U-330P面板（总容量4.62 kW）与电网混合（无电池储能）。该方案可再生能源占比55.7%，NPC为22,280 USD，COE为0.077 USD·kWh^-1，ROI为4.1%，简单回收期11.9年。与纯电网相比，年能源成本从1290 USD降至253 USD（降幅80%），CO₂年减排量2100 kg（折合每公寓350 kg）。添加电池虽引入储能但未带来额外经济收益。

**9.4. 敏感性分析**
研究考察了卖回电价、PV资本成本和实际贴现率变化的影响：卖回电价从0.10升至0.16 USD·kWh^-1时，COE从0.088降至0.070 USD·kWh^-1；在最不利条件（卖回电价0.10 USD·kWh^-1、PV资本成本3000 USD·kW^-1）下，COE仍为0.097 USD·kWh^-1，显著低于科威特当前电网电价0.14 USD·kWh^-1。实际贴现率从0%增至2.4%时，NPC下降约12.5%，但COE略有上升。卖回电价对回收期和ROI的影响大于PV资本成本。

**总结讨论与结论**
论文讨论部分指出，该系统除显著降低COE外，还能大幅减少CO₂和NO_x排放；若在科威特50%住宅（约78万套）中推广，年CO₂减排可达1.63亿千克。但实际推广面临政策障碍（缺乏上网电价政策、净计量限制）、许可与分区限制以及地源热泵钻孔可能引发的局部热羽流及土壤水分影响。结论部分翻译如下：本研究首次深入评估了混合PV-电网水源热泵系统在科威特干旱气候下用于空间供暖与制冷的可行性。通过TRNSYS和HOMER模拟，发现无电池的PV-电网配置为最优方案，供应55.7%电力来自太阳能，年能源成本降低80%，COE为0.077 USD·kWh^-1，NPC为22,280 USD，ROI为4.1%，回收期11.9年，年CO₂减排2100 kg。敏感性分析表明即使在最不利条件下COE仍低于电网电价。因此，该混合系统在科威特及类似干旱气候区具有经济和环境实用性。