面向偏远地区教育基础设施的经实证验证的能效提升与可再生能源微电网规划：以皮利岛为例

《Energy》：Verified Energy Efficiency and Renewable Microgrid Planning for Remote Educational Infrastructure: A Pelee Island Case Study

　　

## 摘要

本研究针对加拿大皮利岛上所拟建的一所中学，开发了一套整合建模与优化框架，为该受电网限制且依赖一条老化海底电缆供电的社区设计可再生能源微电网。研究人员利用场地专属气象数据、人员占用时间表和暖通空调配置，在 eQUEST 中构建了详细的建筑能耗模型，生成了总年用电需求为152.8 MWh的逐时电力需求曲线。空间供暖占终端能耗的40%，供暖需求在1月达到峰值，为16.82 MWh。技术经济性优化确定了最优混合配置方案，包括50 kW光伏阵列、两台20 kW风力涡轮机、一台160 kW生物质发电机组以及配套146 kW变换器的221 kWh蓄电池组。在基于成本的调度策略下，系统年发电量为247,658 kWh，零负荷未满足率，度电成本（COE）为0.269美元/kWh，项目全寿命净现成本（NPC）为604,702美元，投资回收期为8.7年。风电、光伏和生物质发电分别占总发电量的23.6%、27.5%和48.9%。系统性能验证采用基于IPMVP的、经气象归一化的基准模型，该模型以23°C为平衡点温度，分别耦合工作日和周末的回归模型，对应的R2值分别为0.76和0.71。本研究评估了两项节能措施（ECM）：一种焓回收转轮，每年可回收35,216 kWh的供暖能量；以及一种电预热器，每年可产生6,035 kWh的辅助节能。生物质发电机组年运行1,482小时，消耗21.5吨生物质燃料；风力涡轮机达到38.9%的容量因子，反映出全年充沛的能源资源可用性。

## 引言

可靠的能源获取仍然是偏远地区和离网社区面临的关键挑战。基础设施限制和高昂的燃料运输成本限制了能源的可用性并降低了系统可靠性[1]。供应不足会导致供暖、照明和烹饪设施不达标，并给教育、医疗和商业活动带来障碍[2]。随着气候行动紧迫性的加剧，能够在离网环境中可行部署的可持续能源解决方案日益重要[3]。

将传统能源基础设施运输和维护到偏远社区是电气化偏远社区的主要障碍之一。许多此类地点缺乏道路网络或根本没有道路，使得燃料配送和设备运输不可靠且成本高昂[4]、[5]。这些物流障碍导致频繁的能源短缺和成本上涨[6]、[7]、[8]、[9]。恶劣的环境条件，包括高纬度地区的极端寒冷和沿海地区的严重风暴，进一步扰乱了供应链，损害了能源供应的稳定性。部署本地可再生能源系统可以减少对进口燃料的依赖并加强能源独立性[10]。

偏远社区的长期可持续性取决于将可再生能源整合到其电力系统中[11]、[12]、[13]。在加拿大，由于距离遥远和环境条件恶劣，为分散的原住民事务和北部人群供电尤为困难。许多此类社区依赖柴油发电，其成本高、环境不可持续，且易受燃料价格波动和运输限制的影响[14]、[15]。向可再生能源转型可以提供更稳定、更具成本效益的能源，同时促进地方经济韧性和自力更生。清洁能源的整合还能改善教育、医疗等基本服务的可及性，并增强社区应对气候相关冲击的韧性[16]、[17]、[18]。

配备储能系统的微电网可以进一步增强偏远社区的能源可靠性和韧性，同时通过在系统设计、安装和维护方面创造就业机会来支持地方经济发展[19]、[20]。因此，离网地区的可再生能源应用既是环境投资，也是社会经济投资，有助于推进能源自主和原住民福祉。表1总结了加拿大偏远地区和原住民社区可再生能源整合的关键研究[21]。

图1展示了加拿大偏远社区所使用的能源来源的地理分布。柴油供电社区占主导地位，尤其是在北部地区、偏远安大略省以及不列颠哥伦比亚省的部分地区，而水电供电社区主要集中在魁北克和不列颠哥伦比亚省。天然气系统主要限于阿尔伯塔省和西北地区，东部加拿大有少量重燃料油使用。该图还标识了使用替代燃料的社区、并网区域以及偏远地区的工业柴油和天然气运营。

可再生能源系统在偏远社区的可持续部署和长期可持续性受到社会经济因素的强烈影响，包括社区参与、融资机制和区域能源政策[29]、[30]。然而，为关键教育基础设施供应可靠电力的具体挑战尚未得到充分探讨。与住宅建筑或一般社区负荷不同，学校需要在固定的占用期间获得不间断的电力供应，以支持照明、通风、供暖、制冷、信息技术、实验室设备和数字化学习活动。在许多偏远地区，不可靠或不足的电力供应直接限制了教育机会，并可能损害室内环境质量、学生安全、教学效果和学习成果[31]。在极端气候条件下，这些挑战尤为严峻，因为需要在有限且脆弱的能源基础设施下满足显著的季节性供暖或制冷需求。不完善的学校设施还可能促使家庭外迁，以寻求更好的教育机会，最终削弱偏远社区的长期生存能力[30]、[31]、[32]。因此，为偏远学校设计的可再生能源微电网必须同时满足可靠性、经济适用性、热舒适性和可持续性的要求。

偏远地区学校基础设施的电气化和开发应采用系统性方法，依赖全面的能源建模以确保可持续性和运营效率[34]、[35]。第一阶段是对学校基本运营需求（如气候控制、数字学习技术和其他功能性需求）的能耗进行彻底评估[36]。随后需要评估当地可用的可再生能源资源，如太阳能、风能和微型水力，以确定其满足这些需求的容量[37]、[38]。在确定合适的供应组合后，必须通过技术经济分析来建立所提议能源系统的可行性、成本效益和长期可靠性。通过在计划中嵌入可持续能源解决方案，偏远社区可以拓展教育获取途径、建立社会经济韧性并加强区域长期稳定性[39]、[40]。

皮利岛在维持可靠且充足的电力供应方面面临重大挑战，这不仅影响居民生活质量，也影响当地经济活动。该岛目前依赖一条26公里长的海底电缆，该电缆频繁出现可靠性问题，尤其在旅游旺季电力需求激增时尤为严重。这些中断影响居民和企业，导致运营效率低下并限制了经济发展潜力。此外，现有基础设施仅提供单相电力，不满足该岛商业和农业部门的三相电力需求；两者都需要三相供电以实现最佳运行。这一不足限制了经济扩展和农业产出，而这两者对当地经济至关重要。鉴于成本高昂、环境考量以及此类大规模基础设施改造的技术难度，将海底电缆升级为三相系统或延伸大陆电网均不切实际。该岛的偏远位置和人口稀少也使电网延伸在经济上不可行。鉴于这些限制，本研究调查了一种混合能源系统作为提高能源可靠性的可持续手段。所提议的去中心化、基于可再生能源的方法旨在解决持续存在的电力挑战并增强长期可持续性和韧性[41]。

一些研究已针对不同类型的建筑开发了建筑能耗模型，证明了经验证的模拟工具如 eQUEST 和 DesignBuilder 可以有效指导商业、机构和住宅建筑的设计与改造策略，经验证的基准模型确认了预期节能效果。例如，Nazir等[42]在eQUEST中对位于哈里亚纳邦古尔冈的一栋商业办公楼进行了建模，扩展了此前基于模拟的能源效率研究。此前的研究识别出暖通空调优化和被动设计策略的一般节能潜力，而本调查将模拟输出与计量电费账单进行验证，增强了结果的可靠性。通过变化基准参数，作者发现针对围护结构元素、材料和运行时间表的定向改进使年能耗减少了26.94%，从844,090 kWh降至616,620 kWh。与传统的变制冷剂流量（VRF）和变风量（VAV）系统相比，冷却系统的成本节省达到80-90%。与以往侧重于单一组件改进的工作不同，本研究证明了整合设计策略的累积效益。类似地，Mustufa等[43]使用满足ASHRAE指南14、MBE为4.55%且CV(RMSE)为9.3%的经过校准的eQUEST模型，评估了伊斯兰堡一栋机构建筑改造的节能潜力。共模拟了110种参数组合，涵盖墙体和屋顶保温、玻璃、窗户遮阳、窗墙比（WWR）、朝向和冷却设定值。同时应用所有选定参数使建筑能耗减少了24.28%，年能耗从1,209.6 MWh降至915.89 MWh，投资回收期为4.45年。仅实施ECBC-2023指南即可实现17.05%的能耗减少，投资回收期更短，仅为3年。最有效的单项措施是4英寸聚氨酯墙体保温，使能耗减少了6.55%；HD Gray低辐射双层玻璃贡献了6.3%的节能。深度为7英尺的窗户遮阳也有显著影响，实现5.65%的年节能，投资回收期仅0.85年。

在住宅应用中，O'Hegarty等[44]使用DesignBuilder模拟软件评估了伊拉克埃尔比勒地区保温材料对能耗的影响。在测试的保温材料（EPS、聚氨酯、玻璃棉和岩棉）中，EPS效果最好，使年能耗减少了11.64%，紧随其后的是聚氨酯，减少10.77%。岩棉和玻璃棉的节能幅度较小，分别减少9.74%和8.95%。值得注意的是，尽管所有保温材料均产生了可衡量的节能效果，但材料的选择及其热性能强烈影响了效率成果。在另一项研究中，Shrimali等[45]利用DesignBuilder模拟工具，分析了印度六个气候区域复合保温屋顶的能源效率和成本效益。研究发现，聚氨酯泡沫-混凝土复合材料（PUF+混凝土）始终实现最大的节能效果，在炎热干燥气候中节能可达15.56%，且投资回收期较为有利。相比之下，包含玻璃棉或膨胀聚苯乙烯的复合材料节能幅度适中，为8.5-12.8%，具体取决于当地气候。

总体而言，这些研究证明了经过校准的建筑能耗模拟是评估节能措施和降低建筑能耗的有效工具。然而，大多数调查仅停留在建筑层面，并未将所得需求曲线整合到可再生能源微电网的规模配置或技术经济优化中。因此，需求侧能效与供给侧可再生能源系统设计之间的相互作用仍探索不足，尤其针对偏远教育设施而言。

与此同时，一些研究已考察了不同地区可再生能源系统的可行性和最优配置。Ya?ci和Longo[46]分析了加拿大家庭的24种混合配置，发现在渥太华最具成本效益的离网方案是风电-电池-柴油系统，度电成本为0.35美元/kWh，可再生能源占比99.8%，投资回收期为6.85年。基于氢的系统成本更高（0.50-0.78美元/kWh）。最佳的并网配置度电成本为0.09加元/kWh，可再生能源占比80.3%，负荷未满足率仅为0.8%。成本和最优设计在各城市间差异显著，凸显了基于气候的规划需求。对于加拿大偏远北部地区的应用，Hosseini等[47]利用遗传算法与HOMER建模的耦合方法，为四个社区优化了混合可再生能源系统。全可再生能源系统实现了100%的柴油替代，但平准化度电成本（LCOE）较高，从Arviat的0.77美元/kWh到Baker Lake的1.43美元/kWh不等。相比之下，集成光伏、风电和柴油的混合系统提供了更具成本效益的解决方案，LCOE在Rankin Inlet为0.29美元/kWh，Arviat为0.30美元/kWh，Baker Lake为0.35美元/kWh，Sanikiluaq为0.37美元/kWh。这些系统还减少了54-63%的温室气体（GHG）排放，在20年内节省9,825万至4.8757亿加元的碳税。最优配置包括最多17台风力涡轮机和超过1,000块光伏面板，并在设计中考虑了尾流效应。尽管仍依赖柴油备份，但混合系统在大多数地点满足了超过60%的年能源需求，同时确保了稳定供应。类似地，Qiu和Entchev[48]为加拿大北部一个日需求为2,030 kWh的偏远社区建模并优化了五种可再生能源配置。配置A最为经济，NPC为417万美元，LCOE为0.339美元/kWh。该配置年产电量824,152 kWh，其中生物质占58.8%，风电占32.3%，太阳能占8.85%。

相比之下，配置B排除了柴油和生物质，由于组件尺寸过大，其平准化度电成本（LCOE）达到0.693美元/千瓦时。敏感性分析表明，生物质发电机成本增加20%将使净现值（NPC）最多上升5.68%，而贴现率增加20%则使NPC降低6.95%，但LCOE上升7.6%。对于岛屿微电网应用，Babaei等人[49]为加拿大的三个岛屿——皮利岛、沃尔夫岛和圣皮埃尔岛——设计并优化了产氢混合能源系统。各系统按服务50户家庭并为25辆燃料电池电动汽车（FCEV）加注燃料进行容量配置，氢气需求量为125千克氢气/天。每个配置包括光伏、风力涡轮机、电解槽、燃料电池、储氢罐、电池和变换器。圣皮埃尔岛的方案最具成本效益，NPC为299万美元，LCOE为0.374美元/千瓦时，氢气平准化成本（LCOH）为21.9美元/千克氢气，而皮利岛和沃尔夫岛的LCOH分别为29.4美元/千克氢气和37.7美元/千克氢气。在圣皮埃尔岛，风能贡献了89%的能源输出，光伏仅占11%，凸显了资源依赖的地点特异性。将项目寿命从5年延长至28年，可使皮利岛的LCOE降低最多63%。敏感性分析确定燃料电池资本成本是影响LCOE的最重要参数，短期项目对市场和资源波动的敏感性高于长期项目。同样，以往的混合能源系统研究主要侧重于组件最优容量配置、可再生能源评估或经济性能。尽管若干研究比较了不同的可再生配置和优化算法，但将详细的建筑能源建模、经验证的节能效果和混合系统优化整合在统一框架中的研究相对较少。此外，尽管学校运营对可靠性有严格要求，但专门针对偏远教育基础设施的应用仍很稀少。这些研究空白为本研究提出的集成方法提供了动机。前述综述揭示了几项制约混合能源系统设计的局限，尤其是需求侧能效与供给侧优化的整合问题。解决这些缺口对于提高所提能源方案的技术稳健性和经济可靠性至关重要。本研究的主要贡献总结如下：i.以往的研究所通常将能源建模与技术经济优化视为独立任务，本研究开发了一个集成的决策支持工作流程，将建筑能源模拟、节能措施（ECM）评估、气象归一化基线开发和混合微电网容量配置整合在单一框架中。ii.现有的容量配置方法通常针对特定案例且缺乏方法学一致性。本研究提出了一种结构化、可适应的容量配置方法，可跨地理位置和气候条件迁移应用。iii.鲜有研究将经验证的节能效果纳入系统设计。本研究提出了一种基于国际性能测量与验证协议（IPMVP）的基线建模方法，量化ECM影响并明确将需求削减纳入微电网优化。iv.传统的基线开发方法往往忽视占用和运行方面的时间变化。本研究明确区分工作日和周末负荷曲线，提高了模型保真度和后续性能评估与优化的可靠性。章节片段——方法与材料——结构化的框架对于指导混合能源系统（HES）的规划与设计至关重要，为识别技术上可行且经济上可行的配置提供系统基础，并评估其在不同运行和环境条件下的性能。本研究评估了一个由光伏阵列、风力涡轮机、生物质燃料发电机和电池储能组成的混合系统，用于满足拟议中的电力需求——数学建模框架——本节介绍了用于评估和优化混合可再生能源系统的分析和经济公式化方法。该框架将组件级模型与经济指标相结合，以量化系统性能和成本效益。主要子系统包括生物发电机、光伏模块、风力涡轮机、储能、功率变换器，以及项目层面的财务指标，如净现值（NPC）和度电成本（COE）。——结果与讨论——本节报告了皮利岛拟建中学的建筑能源建模、混合能源系统优化、基于IPMVP的验证以及能源平衡评估。分析首先使用eQUEST模型考察学校的能源需求、暖通空调运行、室内热条件和围护结构性能。随后评估候选混合系统配置的技术经济性能，重点关注光伏面板、风力涡轮机和生物发电机的整合——比较分析——与既往研究的比较显示，COE和NPC在不同偏远和离网地区存在显著差异，反映了可再生能源可利用性、基础设施、系统配置和并网接入的差异。表12汇总了本研究与偏远地区混合能源系统既往研究的比较。在并网或资源丰富的地区，如印度勒克瑙，报告的COE值明显较低（低至0.04美元/千瓦时），原因在于太阳能条件有利——结论——本研究开发、优化并验证了一个混合能源系统，以提升加拿大皮利岛一所中学的能源自主性。通过将详细的建筑能源建模、组件级技术经济优化和基于IPMVP的测量与验证相结合，本研究为偏远地区关键教育基础设施的可持续电气化建立了一个可迁移的框架。主要发现总结如下：i. eQUEST——未来展望——未来的工作应扩展该框架，纳入涵盖燃料成本、生物质可获得性、贴现率、CO2减排量、避免的化石燃料消耗和生命周期环境表现的敏感性、不确定性和环境分析。还需要针对实测运行数据进行现场验证，以确认长期性能和服役条件下的可靠性。CRediT作者贡献声明——Reza Babaei：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，软件，方法论，调研，正式分析，数据整理，概念化。David S-K Ting：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，监督，资源，项目管理，方法论，概念化。Rupp Carriveau：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，监督，资源，项目管理，调研，概念化。未引用参考文献[33]、[70]、[71]、[72]。利益冲突声明——作者声明不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本论文报告工作的个人关系。伦理批准与参与同意——不适用。出版同意——不适用。资助——作者未获得针对本工作的专项资助。利益冲突声明——?作者声明不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本论文报告工作的个人关系。Reza Babaei | David S-K Ting | Rupp Carriveau，温莎大学湍流与能源实验室，加拿大