离网乡村诊所混合可再生能源多联供系统的技术-经济-环境综合评估

《Next Energy》：Techno-economic-environmental assessment of a hybrid renewable polygeneration system for an off-grid rural health clinic

　　

乡村诊所往往因缺乏电网接入和燃料供应受限，在确保可靠且可持续的能源供应方面面临严峻挑战。研究人员提出并评估了一套完全自给自足的混合可再生能源多联供系统，用于离网乡村诊所。该系统集成建筑一体化光伏/热集热器（BIPVT）、氢储能（HES）和生物质炉，以满足设施的电力、空间供暖/制冷及生活热水需求。研究人员在TRNSYS中对系统进行动态模拟，并开展全面的技术-经济-环境分析以评估其性能。结果表明，该系统满足诊所每年37 MWh的能源需求，失负荷概率（LOLP）仅为0.37%，且全年维持室内热舒适。全生命周期成本约为141,670美元，平准化能源成本（LCOE）为0.3美元/kWh。与柴油替代方案相比，该系统全生命周期碳排放降至原来的约1/12。此外，系统通过水电解每年产生3755 m³氧气，为该设施提供潜在宝贵的医疗资源。总体而言，研究证明全可再生、高可靠性的能源系统在干旱气候下的离网医疗应用中具有经济与环境可行性，并可作为更广泛部署的规模化模型。

该研究由Zahra Piryaei、Maryam Karami、Mohammad Mahdi Asghari和Fontina Petrakopoulou共同完成，围绕离网乡村诊所的能源供应问题展开。

**研究背景与存在问题**：全球仍有超过7亿人无法获得电力，主要集中在撒哈拉以南非洲和亚洲发展中地区。可靠电力是乡村诊所（RHC）运行医疗设备、疫苗冷藏、照明及暖通空调（HVAC）系统的基础。现有离网诊所多依赖柴油发电机，成本高、污染重且可靠性差。已有含氢储能的混合可再生能源系统（HRES-HES）用于医疗设施的研究，大多只考虑电力负荷，忽略空间供暖/制冷和生活热水（DHW）等热需求；许多系统仍依赖柴油或电网支撑，也未充分利用建筑一体化光伏/热（BIPVT）与生物质热能；针对炎热干旱气候下乡村诊所的研究尤其缺乏。因此，研究人员提出一种完全可再生、自给自足的多联供系统，服务于伊朗亚兹德炎热干燥气候下的离网乡村诊所，并对其技术、经济和环境性能进行综合评估。

**研究内容与总体结论**：研究人员设计并动态模拟了一套集成BIPVT、生物质热风炉、蒸发冷却器、碱性电解槽（AEL）、储氢罐、质子交换膜燃料电池（PEMFC）和DHW水箱的系统。BIPVT同时发电和产热，盈余电力驱动AEL制氢，PEMFC在电力不足时供电并回收废热供给DHW；生物质炉补充供暖，蒸发冷却器提供制冷；电解副产氧气经压缩储存用于医疗。全年TRNSYS模拟表明，系统满足诊所年总能源需求37 MWh，LOLP为0.37%，室内温度全年维持在20–24°C；LCOE为0.3美元/kWh，全生命周期成本（TLCC）为141,670美元；能源碳足迹（CFOE）为0.0437 kg CO₂eq/kWh，比柴油方案降低约92%，并年产3755 m³医用氧气。

**关键研究方法**：研究人员使用TRNSYS 18建立系统逐时动态模型，气象数据取自Metonorm 8中伊朗亚兹德站（2000–2019年）；BIPVT、AEL和PEMFC子模型分别与文献实验数据验证，相对偏差为4.4%、8.0%、3.8%和13.4%；评估采用LOLP、LCOE、TLCC和CFOE等指标，并对折现率、AEL资本成本和寿命进行敏感性分析；研究未涉及患者队列样本。

**3.1 技术性能评估**：模拟显示系统全年LOLP仅为0.37%，室内温度在寒冷期高于20°C、其余时段低于24°C，热舒适全年达标。BIPVT年发电56.75 MWh，其中76.4%为盈余电力送入电解槽；电解槽年耗电34.6 MWh，约80%的可用盈余能量被有效储存。BIPVT直接满足53.7%的年电力需求，PEMFC提供其余电力（年发电12.97 MWh）。供暖方面，BIPVT热输出占年空间供暖需求的22.29%，生物质炉补充其余部分；PEMFC废热满足52%的年DHW需求。全年消耗1117 kg羊粪生物质，1月用量最高（393 kg）。从总能量供应看，BIPVT占50%，氢能链占40.3%，生物质占9.8%。电解过程年产氧气3755 m³，峰值产氧速率达2087 L/h（9月23日）；按每床7 L/min、两张氧床连续运行6个月估算需氧3679 m³，系统产氧量可完全满足。与文献中同类离网可再生氢系统相比，容量因子和制氢能耗强度等技术指标具有一致性。

**3.2 经济性能评估**：在5%折现率下，系统TLCC为141,670美元，LCOE为0.3美元/kWh，同时LOLP接近零。TLCC中AEL占比最高（26.2%），其次为BIPVT（20.8%）。每年购买羊粪约花费112美元，20年共2240美元，可为当地社区提供补充收入。敏感性分析显示，折现率在基值40%–160%变化时，LCOE相对变化为?16.1%至+17.8%；AEL资本成本设为基值的50%和200%时，LCOE分别变化?15.0%和+29.9%；AEL寿命设为基值的50%和200%时，LCOE分别变化+20.6%和?10.0%。

**3.3 环境性能评估**：系统每年可减少约10,000升柴油消耗。年CFOE为0.0437 kg CO₂eq/kWh，而柴油参考情景为0.5354 kg CO₂eq/kWh，降低约92%，即约为柴油方案的1/12.25。年全生命周期排放为1.6 t CO₂eq，柴油基线为19.8 t CO₂eq；基线排放中77%来自电器和空间制冷的电力需求，其余来自空间供暖和DHW。

**讨论部分总结**：研究人员将系统技术指标与文献中两个可比离网可再生氢系统进行基准比较，确认结果具有一致性；同时指出，TRNSYS中电解产氧按化学计量计算，实际碱性水电解氧气纯度约为99.0–99.5 vol%，在低电流密度或部分负荷下可能下降，若用于医疗需根据医疗气体标准进行催化氢复合和分子筛干燥等后处理。研究局限性包括CFOE采用文献排放因子而非伊朗本地数据，未计入运输、老化和效率衰减影响；未与电池或电池-氢混合储能方案进行比较；未来应引入本地数据、替代储能方案和控制策略优化。

**研究结论翻译**：本研究提出了一种集成光伏-热集热器、氢储能和生物质炉的多联供系统，为伊朗亚兹德一所离网乡村诊所供能。通过BIPVT-生物质-氢配置同时满足电力和热力需求，将乡村医疗电气化研究拓展至适合干旱气候的全可再生、高可靠性多联供方案。全年TRNSYS模拟表明，系统可靠满足诊所总年能源需求，LOLP仅为0.37%，全年室内热舒适维持在20–24°C；PEMFC废热部分满足DHW需求，电解副产氧气可支撑两张氧床运行六个月。系统LCOE为0.3美元/kWh，对缺乏电网接入的偏远医疗机构具有竞争力；约141,670美元的TLCC可通过系统持续提供电力、供暖、制冷和热水且无需重复柴油成本而得到合理解释。以太阳能-生物质-氢能组合替代柴油发电机后，诊所碳足迹从0.535 kg CO₂eq/kWh降至0.0437 kg CO₂eq/kWh，温室气体排放减少92%。总体而言，混合可再生多联供系统为偏远医疗机构提供了有韧性、经济且低碳的能源方案，并可改善医疗能力、带动当地经济、促进更广泛的可持续发展目标。