综述：从设计路径到动态匹配与决策权衡：光伏驱动空调系统综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：From design pathways to dynamic matching and decision trade-offs: a review of photovoltaic-driven air conditioning systems

　　

摘要

光伏驱动空调（PVAC）系统为将现场太阳能电力与建筑制冷需求相耦合提供了一条潜在路径，尤其适用于建筑规模的蒸气压缩式空调应用。然而，现有研究在技术配置、控制策略和评估方法等方面存在碎片化问题，PVAC作为独立研究主题仍缺乏系统性综述。为弥补这一空白，本综述从权衡视角出发，综合了95项关于建筑规模光伏驱动或光伏辅助蒸气压缩式空调系统的合格研究，重点关注技术路径选择、动态光伏-冷负荷匹配以及系统综合评估。分析将系统架构、运行灵活性和评估边界与PVAC系统的性能表现联系起来。所审查的证据表明，PVAC系统可被理解为具有产消者（prosumer）特征的综合建筑能源系统，超越了简单的光伏-冷负荷耦合。所审查的文献涵盖了以可行性为导向的规模确定研究，以及关于路径选择、协调控制和系统级价值评估的差异化分析。在所审查的经济案例研究中，运营成本节约强度通常落在约20-100元/(m2·a)的范围内，而未贴现回收期一般介于约3.5至14年之间。这些定量结果强烈依赖于气候、电价、激励政策、系统规模和评估边界。关于路径特定的设计规则、多时间尺度与电网交互控制策略的现场验证，以及边界和偏好依赖型评估指标的统一化，仍存在关键局限性。这些发现表明，PVAC性能在能源匹配、可靠性、经济可行性、碳减排和舒适度方面具有强烈的上下文依赖性。总体而言，本综述为在相互竞争的技木、经济、环境和舒适度目标下解释PVAC的设计与运行提供了结构化基础。

引言

分布式光伏（PV）系统是建筑脱碳的核心，因为它们能在靠近终端需求的地方提供清洁、模块化的电力。然而，光伏出力受昼夜周期、天气和季节影响，在多云条件下5至10分钟内可变化超过额定容量的70%[1]，增加了实时利用的复杂性并导致与建筑需求的不匹配。空调是建筑的主要电力负荷，尤其在以制冷为主的气候区域。将光伏发电与空调耦合可以提高现场可再生能源的利用、降低对电网的依赖并减少运营排放。因此，光伏驱动空调（PVAC）系统为将分布式太阳能电力与建筑制冷需求联系起来提供了一条切实可行的路径。

在本综述中，PVAC系统主要指由现场光伏电力供电或辅助的建筑规模蒸气压缩式空调系统。与传统电网供电的暖通空调（HVAC）系统相比，PVAC系统涉及光伏发电、空调设备、储能、建筑热惯性和在许多情况下公共电网的协调运行。这种耦合产生了一种供需交互特征，表现为时间不匹配、受限的制冷灵活性和相互竞争的技术、经济、环境和舒适度目标。因此，PVAC系统可以被理解为具有产消者特征的综合建筑能源系统[2,3,4,5]。

尽管太阳能制冷和太阳能辅助空调已有综述，但这些研究通常涵盖宽泛的技术群组，包括太阳能热制冷[6]、带热储能的吸收式太阳能制冷[7]以及光伏/光热辅助制冷[8]。这些综述提供了有用的背景知识，但针对光伏特异性——即电力波动、蒸气压缩制冷动态、储能、电网交互和评估边界之间的耦合——仍缺乏充分的综合。现有的PVAC研究在系统边界、技术配置、储能处理、控制假设和性能指标方面也存在差异，这限制了跨研究比较，并使设计选择与运营和评估结果之间的联系变得困难。

在此边界内，本综述考察了三个相互关联的权衡：技术路径选择、动态光伏-冷负荷匹配和多目标评估。这些权衡源于可变的光伏供应、受舒适度约束的制冷需求、储能选项和电网交互[2,3,9,10,11,12]，并为系统配置、运行协调和性能评估之间的联系提供了基础。

本综述做出三个主要贡献。首先，它在建筑规模电力驱动蒸气压缩制冷的范畴内将PVAC定义为一个独立的综述对象，区别于更宽泛的太阳能制冷类别。其次，它围绕涉及路径选择、光伏-负荷匹配和多目标评估的三个相互关联的权衡来组织现有研究。第三，它比较了各研究中的系统边界、匹配指标、控制假设和价值指标，以明确当前证据在哪些地方支持路径特定的设计，以及哪些地方仍需进一步验证或统一。

PVAC研究可围绕三个相互关联但独立的权衡进行组织，对应本综述的主要结构：PVAC架构与路径选择、动态电力匹配以及系统综合评估。

（1）权衡一：PVAC架构与路径选择

PVAC系统可通过多种架构路径进行配置，包括不同的电网交互模式、储能形式、电力耦合架构和空调系统配置[13,14,15,16,17]。关键权衡在于，这些路径通常被作为孤立的技术选项进行比较，而其适用性取决于应用情境、资源条件、可靠性要求和运营约束[14]。因此，PVAC架构应被视为系统级的路径选择问题。例如，带蓄电池的并网PVAC系统和带热储能的离网PVAC系统对可靠性支持、储能时长和控制协调有不同的要求。

（2）权衡二：可变光伏供应与受限制冷灵活性下的动态电力匹配

光伏发电在秒到季节的时间尺度上波动，而制冷需求仅部分灵活，因为必须满足舒适度要求和设备约束[1,2,3,18]。可变供应与受限需求之间的这种不对称性是PVAC系统中电力匹配的核心挑战[4,19,20,21,22]。实际目标是在可接受的成本、舒适度和可靠性限制内，通过容量确定、储能调度和运行控制来提高光伏-冷负荷匹配。例如，短期云层变化可能需要快速的压缩机或电池响应，而日常和季节性的不匹配可能需要负荷转移、储能协调或容量优化。

（3）权衡三：系统综合评估与多目标评价

PVAC系统在多个价值维度上进行评估，包括自给率、可靠性、经济可行性、碳减排和舒适度[9,10,12]。由于这些维度不能直接比较，且对设计和运营选择的响应不同，PVAC评估和决策中必然存在权衡[11,12,23,24]。例如，提高自用电量比例可能需要更大的电池，从而削弱经济性能；而放宽可接受的舒适度范围可能改善光伏利用但降低舒适度。

图1总结了本综述所使用的分析框架。这些权衡为解释PVAC系统提供了设计-运行-评估的逻辑链条。通过将路径选择、动态匹配和多目标评估联系起来，这一视角为路径特定的系统设计、面向运营的控制开发和更透明的性能评估提供了基础。

为支持这一综合，文献检索遵循了图2所述的两阶段程序。第一阶段，在Web of Science核心合集的主题字段中进行搜索，不设发表年份下限。一个主要查询和五个补充查询涵盖了光伏驱动空调、PV-HVAC耦合、储能、容量确定、动态电力匹配、控制策略和系统评估。完整的布尔搜索字符串见附录A.2。合并检索记录并主要依据DOI、其次依据标准化标题去重后，确定了361条唯一记录。

根据预定义的综述范围对标题和摘要进行筛选。聚焦于建筑规模光伏驱动或光伏辅助蒸气压缩式空调系统的研究被纳入，而涉及其他太阳能制冷路径、光伏组件冷却或超出此范围主题的文献被排除。此筛选后留下145条记录进行全文评估。随后通过全文检查确认记录是否聚焦于建筑规模光伏驱动或光伏辅助蒸气压缩式空调系统。经此步骤后，保留了77条记录进行详细阅读。

第二阶段，基于全文检查后保留的记录进行补充引文追踪，以降低因使用不同术语而遗漏相关研究的风险。去重后获得2142条候选记录，经标题筛选后保留153条。后续的摘要和全文检查又识别出18项额外相关研究。

总体而言，共确定95项研究符合纳入标准。

最终纳入的95项研究通过研究级别的证据矩阵进行编码，涵盖气候/地点、PVAC配置、电网交互、储能、电气耦合、空调配置与容量调节、方法论、控制策略和报告的性能指标。详细的编码记录见附表S1和S2。

利用该矩阵，表1总结了95项纳入研究中研究焦点和证据方法论的分布情况。控制/运营是最常被编码的研究焦点（68/95，71.6%），其次是电网交互/服务（61/95，64.2%）、容量确定（53/95，55.8%）、经济评估（52/95，54.7%）、舒适度/灵活性（43/95，45.3%）和环境评估（14/95，14.7%）。76/95项研究（80.0%）涉及仿真，而17/95项（17.9%）在预定义的证据方法论分类下涉及现场测试。

本综述的其余部分组织如下。第2节综述PVAC技术路径和系统配置。第3节通过匹配指标、容量确定和控制策略考察动态电力匹配。第4节讨论经济、环境和多目标评估。第5节概述未来研究方向，第6节总结全篇。

各章节片段

PVAC架构与路径选择

本节考察现场光伏电力如何通过电网交互、储能、电力转换和空调配置与制冷需求耦合。如图3所示，这些路径选择塑造了PVAC系统的运营约束、灵活性极限和评估边界。

动态电力匹配

动态电力匹配是连接PVAC架构与系统级评估的运营环节。本节首先回顾光伏发电与制冷需求之间的时间不匹配，然后讨论匹配指标、容量确定和控制策略作为表征和改善光伏-冷负荷协调的主要手段。

系统综合评估

在技术路径和运行协调审查完毕后，必须在经济、环境和其他性能维度上评估系统价值。仅技术可行性不足以判断某路径或控制策略是否更优。因此，本节考察经济和环保评估，并讨论为何不同的指标可能导致PVAC决策中的不同结论。

未来方向

为支持超越概念验证研究的更广泛部署，未来研究需要解决本综述中确定的三个核心权衡。图19将这些权衡映射为PVAC系统的主要未来研究方向。

首先，路径特定的设计规则需要更清晰的表述。尽管现有研究已考察了并网/离网系统、交流/直流耦合架构和不同的储能选项，但其适用范围、储能需求、控制

结论

本综述表明，PVAC性能由技术路径、电力匹配、储能、电网交互和评估边界之间的相互作用所塑造。所审查的证据不支持存在某种普遍最优的PVAC配置。相反，系统性能取决于自给率、运营可靠性、经济可行性、碳减排和舒适度之间的特定上下文平衡。

所审查的文献既涵盖了基本PVAC系统可行性导向的研究，也包括……

CRediT作者贡献声明

Xiao Fu（傅潇）：概念化、方法论、调查、数据整理、正式分析、可视化、原始草稿撰写。
Sihui Li（李思辉）：概念化、综述与编辑撰写。
Jinqing Peng（彭金清）：监督、资金获取。
Houpei Li（李厚培）：概念化、方法论、监督、资金获取、综述与编辑撰写。

声明：使用生成式AI和AI辅助技术参与手稿准备过程

在本工作准备过程中，作者使用ChatGPT协助数据组织、一致性检查和描述性统计摘要的撰写。所有定量分析均在最终数据集上完成，并经作者审阅和验证。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的客观性。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFC3810103）和国家自然科学基金（项目编号52308091）的资助。谨致谢意。

Xiao Fu | Sihui Li | Jinqing Peng | Houpei Li
湖南大学 土木工程学院，长沙，410082，中国