高力強，費若雯，劉 敏，鄧冠中

(石家莊鐵道大學 建筑與藝術學院，河北 石家莊 050043)

在社會用能體系中，建筑能耗在最終能源消耗中占據(jù)了極大比例[1].對于現(xiàn)有建筑而言，常規(guī)住宅建筑和辦公建筑的一次能源年均消耗量分別達到150～400 kW·h/m2和250～500 kW·h/m2，遠高于低能耗建筑標準的60～80 kW·h/m2.就中國而言，2018年的建筑能耗達社會總能耗的37%[2]，歐盟的建筑和交通能耗則占據(jù)社會總能耗的近60%[3].為了早日實現(xiàn)“碳中和”發(fā)展目標，有必要大力發(fā)展低碳建筑技術.中國于2015年公布了最新建筑節(jié)能發(fā)展目標，要求新建筑的能耗在2005年節(jié)能規(guī)范標準基礎上降低30%，由此逐步過渡到低碳建筑[2].

為了降低建筑系統(tǒng)碳排放，一般選擇從建筑設計層面入手，通過對建筑選址、最佳朝向、建筑采光、窗墻比等因素進行優(yōu)化，提高建筑的被動性節(jié)能性能，進而降低系統(tǒng)能耗[4-6].然而，建筑系統(tǒng)內(nèi)部能源負荷種類眾多，甚至存在波動的外部負荷(如電動汽車充電負荷等)[7]，單純通過被動式設計難以從根本上降低系統(tǒng)碳排放.因此，為了從源頭上實現(xiàn)建筑系統(tǒng)的低碳化甚至零碳化，有必要在建筑系統(tǒng)內(nèi)引入可再生能源(如風能和光伏)，大力發(fā)展近零能耗建筑(nearly zero-energy building, nZEB)，使建筑在一段時間內(nèi)與外界能源網(wǎng)絡交換的凈能源量接近或等于零.目前，世界上一些主要經(jīng)濟體已經(jīng)將建筑的近零能耗要求納入立法，例如歐盟早在2010年便規(guī)定，2021年之后的建筑必須滿足凈零能耗要求[8].

然而，光伏和風能天生具有間歇性和不穩(wěn)定性，無法自動匹配建筑負荷波動.因此，有必要對可再生電力進行儲存，以便在非高峰期消納可再生電力，并在負荷高峰期釋放，保證建筑具有可靠的能源供應，同時降低系統(tǒng)碳排放和運行成本.

由于儲能技術的發(fā)展和建筑負荷種類的多樣，學者對低碳建筑內(nèi)的各種儲能方式(儲電、儲熱、儲氫)均做了大量研究.Gupta等[9]對牛津大學某社區(qū)內(nèi)82所住宅的光伏-電池儲能系統(tǒng)進行了在線控制研究，結果表明，蓄電池可以有效提高系統(tǒng)的用能效率并降低高峰時期的負荷壓力.為了降低建筑用電成本和儲能設備投資成本，并提高光伏消納能力，Sharma等[10]針對凈零能耗建筑提出了最優(yōu)系統(tǒng)規(guī)劃模型.Niu等[11]則針對建筑蓄熱與電池儲能的靈活性展開研究，提出一種基于外部輸入的自回歸模型以預測建筑熱負荷需求，并建立以運行費用最小為目標的調(diào)度模型，算例表明，使用建筑蓄熱和電池儲能可以有效降低系統(tǒng)運行成本.Silverman等[12]則提出利用可再生能源和電解儲氫系統(tǒng)為加利福尼亞1萬戶居民提供清潔電力和燃料，并分析了此方案的經(jīng)濟可行性.結果表明，可再生能源可以滿足社區(qū)80%的電力負荷，且隨著固體氧化物電池技術的發(fā)展，電解產(chǎn)氫的經(jīng)濟性將逐漸接近天然氣.

另一方面，隨著電動汽車(Electrical Vehicles, EVs)的迅速推廣，眾多學者選擇將EVs看作建筑系統(tǒng)潛在的重要分布式儲能設備，并對此進行了廣泛研究[13-15].一般地，EVs的?？康攸c通常位于車主的工作地點或住宅附近，常接入建筑能源系統(tǒng)進行充電，而在負荷高峰時，EVs的蓄電池亦可放電為建筑供能(Vehicle to Building，V2B)[14].然而，車載蓄電池的充電過程通常耗費數(shù)小時，遠遠高于傳統(tǒng)燃油汽車.另外，EVs電池容量有限，V2B過程受到較大限制，在負荷高峰期無法持續(xù)為建筑供能，只能作為應急電源使用.相較于EVs，氫能汽車(Hydrogen Vehicles, HVs)以氫氣為燃料，充能速度快，續(xù)航里程高、全程零排放，是更加綠色便捷的出行方式.并且，只要連接外界氫源，HVs便可源源不斷產(chǎn)生電能和熱量，而不受電池容量的限制.目前，HVs由于上述眾多優(yōu)點正受到廣泛關注和研究.2020年12月，中國國務院發(fā)布《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書[16]，其中便提到，要加速發(fā)展綠氫制取、儲運和應用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術裝備，促進氫能燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展.當前，日本和韓國的相關企業(yè)已經(jīng)推出了數(shù)款商用HVs，但由于當前商業(yè)加氫站數(shù)量遠遠低于商業(yè)充電站，限制了HVs的進一步發(fā)展，更重要的是，若氫氣是由化石能源產(chǎn)生，則無法說明HVs的零排放特性.

基于上述背景，有學者提出，利用與建筑集成的可再生能源電解制氫供HVs使用，同時將HVs作為分布式儲能設備，在負荷高峰時段為建筑供能.早在1997年，Ulleberg等[17]就開始研究在挪威一個低能耗建筑中利用太陽能生產(chǎn)氫氣的技術可能性.Bose等[18]建立了一個電-氫能源系統(tǒng)，利用可再生電能產(chǎn)生氫氣，并結合季節(jié)性儲氫技術為某建筑物供能.結果表明，利用儲存的氫氣，燃料電池可以長期為建筑物提供電能與熱能需求.Cao[19]提出并驗證了一種建筑能源系統(tǒng)設計策略，該系統(tǒng)由分布式可再生能源系統(tǒng)與電解儲氫系統(tǒng)集合而成，可以利用建筑能源系統(tǒng)內(nèi)富余的可再生能源產(chǎn)生氫氣，供給HVs使用.雖然上述研究僅僅停留于理論層面，但從側面進一步說明了新能源汽車的接入將對建筑能源系統(tǒng)的設計與優(yōu)化產(chǎn)生重要影響.Robledo等[20]提出，HVs在停放時能夠為所有安裝集中光伏的電氣化住宅提供電力，并達到凈零能耗的目標.在此基礎上，建立了一個由10戶家庭和5臺HVs組成的微電網(wǎng)模型，并對其進行了年度性能評估.在V2B過程中HVs設置了兩種不同操作模式：負載跟蹤和恒定功率輸出.仿真結果表明，與無V2B運行的系統(tǒng)相比，HVs的兩種運行方式均能提高住宅用電需求的實時匹配能力.

總的來說，目前，國內(nèi)外的研究大多集中在建筑能源系統(tǒng)與蓄電池或EVs的集成，對HVs-儲氫系統(tǒng)與低碳建筑結合的相關研究依舊較少，且已有研究僅涉及可再生電力與產(chǎn)/儲氫系統(tǒng)，未考慮建筑系統(tǒng)內(nèi)其他異質能源需求(如冷熱負荷等)，使系統(tǒng)缺少一定靈活性.另外，已有研究中，HVs一般只作為分布式發(fā)電設備，未考慮其最基本的交通屬性，使模型僅停留于理論層面，與實際應用之間仍存在差距.本文將HVs-電解儲氫技術、儲熱設備、分布式光伏與辦公建筑相結合，建立了新型近零能耗建筑能源系統(tǒng)設計與優(yōu)化模型.該系統(tǒng)利用建筑剩余可再生電能電解產(chǎn)生氫氣并存儲，供給HVs使用，保證了所用氫氣的零碳性，且不會增加建筑系統(tǒng)與外部電網(wǎng)的額外負荷壓力.在建筑的能源短缺時期，儲氫系統(tǒng)釋放氫氣，利用HVs內(nèi)的燃料電池進行發(fā)電產(chǎn)熱，以彌補建筑的能源缺額，降低外網(wǎng)的購電成本，使建筑達到近零能耗狀態(tài).另外，利用蒙特卡洛方法對HVs的出行特性進行建模，使模型更具實際意義.最后，以中國北方某一辦公建筑為案例，驗證了所建模型的可靠性與準確性.

1 新型低碳光伏建筑系統(tǒng)框架

新型零能耗建筑能源系統(tǒng)模型由集成建筑光伏、電解設備、儲氫系統(tǒng)、熱泵、吸收式制冷機、儲熱/冷系統(tǒng)組成，具體模型框架由圖 1所示.建筑系統(tǒng)中安裝有集中式光伏，用于為建筑提供日常電力需求，當光伏發(fā)電量充沛時，剩余電力既可以用于電解水產(chǎn)生氫氣儲存于儲氫罐中，為HVs提供日常能源，也可向外部電網(wǎng)出售以掙取利潤.HVs的首要任務是提供出行服務，當HVs?？坑诮ㄖ浇鼤r，可以利用車內(nèi)燃料電池和儲氣罐中的氫氣發(fā)電，供給建筑使用，減少從外部電網(wǎng)的購電量.同時，燃料電池發(fā)電時將放出熱量，通過熱交換設備，這些熱量可以供給建筑內(nèi)的熱負荷使用，也可通過吸收式制冷機產(chǎn)生冷量，供給建筑冷負荷使用.當系統(tǒng)內(nèi)光伏發(fā)電量充沛時，多余的電力也可以通過熱泵轉化為熱能或冷能，滿足建筑熱/冷負荷.當系統(tǒng)內(nèi)電/熱/冷量充沛時，多余的能量可以通過儲熱/儲冷設備儲存，在熱/冷負荷缺額時釋放.

圖1 含有氫能汽車和儲能系統(tǒng)的新型低碳光伏建筑能源系統(tǒng)框架示意圖

總的來說，建筑系統(tǒng)為HVs提供了可再生氫氣，降低了交通系統(tǒng)的碳排放量，對于HVs的普及具有重要意義.此外，儲能系統(tǒng)的存在使得建筑系統(tǒng)內(nèi)的可再生電力可以轉化為多種能源形式(氫氣、熱能、冷能)進行儲存，有助于進一步開發(fā)可再生能源的發(fā)電潛力，減少棄光量.最后，HVs在閑置時可以作為分布式發(fā)電設備為建筑提供能源，提高了系統(tǒng)的運行靈活性.且由于HVs所用的氫氣為可再生電力產(chǎn)生，因此，HVs所產(chǎn)生能量(電能和熱能)與光伏發(fā)電本質相同，均是零碳能源，有助于大大降低建筑系統(tǒng)內(nèi)部的整體碳排放.當建筑系統(tǒng)內(nèi)不含有HVs，電力缺額時期則需要向外部電網(wǎng)購電或者進行需求側調(diào)控，在可再生能源發(fā)電量較低甚至沒有可再生能源時，則必須向外部電網(wǎng)購電，此時，建筑用能將產(chǎn)生較大碳排放.

2 新型低碳光伏建筑系統(tǒng)數(shù)學模型

2.1 目標函數(shù)

模型的優(yōu)化目標是最小化系統(tǒng)的運行成本，包括在整個調(diào)度時間段內(nèi)的棄光成本、購電成本與售電收入的差值.模型的目標函數(shù)如式(1)所示.

(1)

2.2 設備建模

2.2.1 光伏模型

建筑系統(tǒng)中的光伏安裝于建筑外墻和樓頂，通過光伏逆變器供給建筑電負荷使用或者進行轉換為其他形式能源進行儲存.光伏發(fā)電模型由下式給出.

(2)

2.2.2 熱泵模型

熱泵可以從自然界獲取低位熱能，經(jīng)過電能做功為系統(tǒng)提供高位熱能.常見的地源熱泵便可以利用地源熱能產(chǎn)生熱能和冷能，供給建筑樓宇系統(tǒng)使用，提高能源利用率的同時降低系統(tǒng)能耗.以地源熱泵為例，其產(chǎn)能過程如式(3)、(4)、(5)表示.

(3)

(4)

(5)

2.2.3 電解池模型

目前，利用可再生電力電解水產(chǎn)生氫氣的技術已經(jīng)較為成熟，常見的電解設備包括堿性電解池，固體氧化物電解池，質子交換膜電解池等，其中質子交換膜電解池由于電解效率高，體積小、質量輕、結構緊湊，且電解溫度較低，適用于小規(guī)模電解場景.電解過程的能量轉化過程由下式表示.

(6)

(7)

2.2.4 HVs調(diào)度模型

下面將基于汽車行駛特行，利用蒙特卡洛方法構建HVs模型.根據(jù)新加坡某項出行信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)[21]，汽車每日出行距離近乎符合正態(tài)分布，日出行平均距離為55 km，標準差為10 km.另一篇文獻中，作者對某充電站一天內(nèi)約三萬輛電動汽車出行時間進行統(tǒng)計[22]，發(fā)現(xiàn)汽車每日出發(fā)時間和返程時間近似符合正態(tài)分布，出行時間平均值為上午9∶00，返程時間為下午18∶00，標準差為1.5 h.

綜合以上信息，本文假定每輛汽車每日外出行駛兩次，外出時間和外出距離均符合正態(tài)分布，二者概率密度分布參數(shù)如表 1所示.

表1 出行時間與出行里程概率分布參數(shù)

基于以上參數(shù)，可通過蒙特卡洛方法得到汽車的外出時間和距離數(shù)據(jù).汽車出行距離和出行時間概率分布分別由式(8)和(9)給出.

(8)

(9)

式中：σD和σT分別為汽車外出距離和外出時間標準差，μD和μT分別為汽車外出距離和外出時間的均值.

汽車到達時的含氫量由出發(fā)時初始含氫量與行程耗氫量作差得到，下一次行程開始時的汽車含氫量需要上滿足下一次行程的耗能需求，并在行程中不低于汽車最小含氫量，若無法滿足，則汽車需要提前加氫.在行程時間之外，假定HVs停放于建筑附屬停車場內(nèi)，并通過智能設備與儲氫罐和樓宇電力系統(tǒng)相連接，能量管理系統(tǒng)可以通過智能設備對HVs的充放能行為進行調(diào)控.另外，為了保證第二天的正常出行，要求當天結束時的汽車含氫量等于汽車初始含氫量.具體約束見式(10)～(14).

(10)

(11)

(12)

(13)

SOCi,d,tfinal=SOCi,d,tini

(14)

(15)

(16)

(17)

式(15)～(17)對電動汽車充放電功率進行約束.

HV放電同時會產(chǎn)生熱量，本文假設釋放的熱量與放電功率之間呈線性關系，則由HV提供的熱能與冷能由下式表示.

(18)

(19)

2.2.5 儲能系統(tǒng)模型

本模型中含有三類儲能系統(tǒng)，分別是儲氫系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)和儲冷系統(tǒng)，其中，儲氫系統(tǒng)任何時間都處于運行狀態(tài)，儲熱系統(tǒng)和儲冷系統(tǒng)在無熱負荷和冷負荷時分別處于關閉狀態(tài).下面將給出三類儲能系統(tǒng)的運行模型.

儲氫罐內(nèi)t時刻的氫氣含量由前一時刻氫氣含量、當前時刻的產(chǎn)氫量和汽車加氫量決定，且氫氣含量限制在特定區(qū)間，為了保證儲氫罐的正常使用，每日開始時刻和結束時刻的氫氣含量相同.具體約束條件由式(20)～(22)給出.

(20)

TKmin≤TKd,t≤TKmax

(21)

TKd,tini=TKd,tfinal

(22)

式中：TKd,t表示t時刻儲氫量；TKmax和TKmin分別表示儲氫量的上下限.

儲熱系統(tǒng)與儲冷系統(tǒng)的建模思路相同，此處僅以儲熱系統(tǒng)為例進行說明，儲冷系統(tǒng)同理.與儲氫系統(tǒng)相似，t時刻的儲熱量與前一時刻儲熱量、當前時刻耗熱量與進熱量相關，且每日開始與結束時刻的儲熱量相同.系統(tǒng)每個時刻的進熱量與出熱量均限制在一定范圍內(nèi).儲熱系統(tǒng)與儲冷系統(tǒng)的數(shù)學模型由式(23)～(28)表示.

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

2.2.6 能量平衡約束

建筑能源系統(tǒng)中，每個時刻各類能源的產(chǎn)生與消耗應處于平衡狀態(tài).式(29)-(31)所示分別為電能、熱能和冷能平衡約束.

(29)

(30)

(31)

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)參數(shù)

以中國北方某一公共辦公建筑為例，說明所建立模型的可靠性與準確性.利用該建筑一年內(nèi)的能源負荷數(shù)據(jù)，通過聚類方法得到該建筑過渡季典型日、夏季典型日和冬季典型日的電、熱、冷負荷信息及光伏出力情況，如圖2所示.

圖2 各季節(jié)光伏出力及各類負荷大小

算例中系統(tǒng)購電成本采取分時電價，分為峰期、平期和谷期三類.另一方面，建筑向外網(wǎng)輸送的電能具有較大的隨機性和波動性，且長時間大功率的電能輸出會對外網(wǎng)的穩(wěn)定性造成不利影響，因此本算例中設置建筑的外售電力價格低于購電價格，以限制建筑向外的售電量.具體價格信息由表2所示.

表2 分時電價與售電價格

本算例中假設該建筑附屬有20輛氫能汽車，汽車?？吭诮ㄖ浇＼噲鰰r，通過智能設備連接加氫站、建筑電力母線和熱交換器，供建筑系統(tǒng)控制中心調(diào)控.氫能汽車使用質子交換膜燃料電池提供動力，車載儲氫罐容量為5 kg，連接電力母線時，最高輸出功率為20 kW.假設汽車的出行模式分為“夜間出行”和“白天出行”兩種，前者白天停靠于建筑附近，后者夜間?？坑诮ㄖ浇?，本算例中設置兩種出行模式的汽車各有10輛，行程時刻與行程距離均呈正態(tài)分布，利用蒙特卡洛方法得出兩種模式的出行時間與出行距離的頻率分布信息如圖3所示.

3.2 算例結果分析

3.2.1 能量調(diào)度結果

如圖3所示為不同典型日內(nèi)，建筑系統(tǒng)電-氫調(diào)度結果.由圖可知，在夜間，由于光伏無法發(fā)電，除了利用HVs貢獻較少電能，系統(tǒng)主要通過從外網(wǎng)購買電力滿足建筑電負荷.當凌晨出現(xiàn)太陽輻射，光伏系統(tǒng)逐漸并網(wǎng)發(fā)電，發(fā)電功率隨太陽輻射增加而增加，在午間達到頂峰.隨著光伏發(fā)電量的增加，富余的可再生電力將通過電解池和HP轉化為其他形式的能源并儲存，無法消納的光伏電力則向外網(wǎng)輸送.傍晚，太陽輻射逐漸降低，?？坑诮ㄖ浇腍Vs開始并網(wǎng)發(fā)電，并貢獻了較為可觀的電能.隨后，系統(tǒng)繼續(xù)從外網(wǎng)購電，以滿足各用能負荷.對比三個典型日的調(diào)度結果，可以發(fā)現(xiàn)，夏季由于太陽輻射強烈，在日間產(chǎn)生較多剩余可再生發(fā)電量，通過儲能設備儲存后可以滿足夜間負荷使用，因此，夏季的購電量基本為0，且向外網(wǎng)輸送電量較高.

圖3 不同典型日系統(tǒng)電-氫調(diào)度結果

圖4所示為夏季和冬季典型日，冷能和熱能的調(diào)度結果示意圖.由圖可知，夏冬兩季的冷/熱能調(diào)度結果具有相似特征.以夏季為例，在夜間由于電能缺乏，夜間的冷負荷主要由儲冷罐中日前儲存的冷能提供，直至出現(xiàn)太陽輻射，光伏開始并網(wǎng)發(fā)電，此時儲冷罐的儲冷量已達到較低水平，系統(tǒng)開始利用HP產(chǎn)冷，并迅速以額定功率運行，在滿足當前時刻冷負荷的基礎上，將剩余光伏發(fā)電量轉化為冷能輸送至儲冷系統(tǒng)存儲，對應的系統(tǒng)儲冷量迅速上升.傍晚時分，太陽輻射逐漸降低，午間儲存的冷量開始釋放，同時，HVs并網(wǎng)發(fā)電所產(chǎn)生的廢熱，通過熱交換器和吸收式制冷機后轉化為冷能提供給冷負荷.到了夜間，儲冷系統(tǒng)的儲量已經(jīng)達到較低水平，為了滿足第二日正常使用，HP啟動制冷，為儲冷系統(tǒng)補充冷能.

圖4 夏季冬季典型日冷熱調(diào)度結果

3.2.2 V2B對于系統(tǒng)交換功率的影響

對于電網(wǎng)而言，分布式能源系統(tǒng)不屬于電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度的一部分，其向電網(wǎng)輸送的電能具有隨機性和波動性的特點，會對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響.另外，為了保證建筑的近零能耗特性，應減少從電網(wǎng)外購的電力.因此，對于低碳建筑能源系統(tǒng)而言，應盡力減小與電網(wǎng)之間的交換功率，或將交換功率保持在一定的范圍內(nèi)，避免較大波動性.圖5對比了V2B的存在與否對于系統(tǒng)交換功率的影響.由圖可知，當HVs不參與建筑系統(tǒng)供能過程，午間充沛的光伏發(fā)電量將無法通過電解-儲氫系統(tǒng)消納，只能向外網(wǎng)輸送，且夜間無法利用HVs發(fā)電，只能從外網(wǎng)購電滿足系統(tǒng)負荷，進而產(chǎn)生較大幅值的交換功率，甚至達到輸出功率上限，且波動性較強.當HVs參與V2B，系統(tǒng)內(nèi)交換功率幅值和波動性明顯降低，只在夏季少數(shù)時刻會出現(xiàn)較高的輸出功率，但仍未達到上限值.由此可見，將HVs與低碳建筑系統(tǒng)進行集成，不僅有助于降低建筑自身的購電量，也有利于外部電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性.

圖5 三個典型日內(nèi)的系統(tǒng)交換功率

3.2.3 光伏安裝容量對于建筑能耗的影響

可再生能源的裝機容量對于系統(tǒng)的能耗具有重要影響，表3所示為不同光伏裝機容量情景下，系統(tǒng)的電能調(diào)度結果.

表3 不同光伏裝機容量下，系統(tǒng)電能調(diào)度結果

如表可知，隨著光伏裝機容量的升高，年總購電量逐漸下降，而年總售電量逐漸提升，且向外輸送功率的最大值將逐漸達到系統(tǒng)交換功率限定值300 kW.另外，當光伏裝機量達到1 000 kW時，系統(tǒng)年凈購電量開始變?yōu)樨撝?，即建筑真正達到零能耗狀態(tài).也即，對于一個近零能耗建筑而言，在一定范圍內(nèi)，可再生能源裝機容量越高，系統(tǒng)的凈能耗越低.當然，本文未考慮光伏的裝機成本，實際上，隨著光伏裝機容量的提升，系統(tǒng)邊際成本也逐漸增加，當投資邊際成本等于系統(tǒng)購電邊際成本時，系統(tǒng)的總成本將達到最低.隨著光伏技術的逐漸發(fā)展，光伏的單位投資成本正逐漸下降，通過集成光伏+儲能技術使得建筑系統(tǒng)達到零能耗狀態(tài)已經(jīng)成為可能.

3.2.4 儲能設備對運行結果的影響

在800 kW光伏裝機容量情景下，存在不同的儲能設備時，系統(tǒng)年運行成本與年碳排放量的變化由表4所示，二者均與建筑系統(tǒng)年購電量與售電量有關.計算碳排放量時，本文考慮輸電系統(tǒng)中的損耗為0.135，當?shù)靥寂欧艔姸葹?.66 kg/kW·h[23].由圖8可知，當系統(tǒng)內(nèi)缺少儲熱或儲冷系統(tǒng)，均會造成碳排放量和運行成本的增加，且相比于缺少儲熱設備，系統(tǒng)中缺少儲冷設備時將產(chǎn)生更多碳排放.

表4 不同儲能情景下，系統(tǒng)年運行成本與年碳排放量

由表5可知，當缺少儲冷設備，夏季日間充沛的光伏發(fā)電量無法被系統(tǒng)充分消納，雖然可以向外網(wǎng)輸送，但是由于系統(tǒng)與外網(wǎng)之間存在交換功率限制，導致夏季將產(chǎn)生更多棄光量，并且，當太陽輻射降低甚至為0，缺少儲冷設備使得系統(tǒng)需要向外網(wǎng)購買電力，利用HP產(chǎn)生冷能，因此缺少儲冷設備將產(chǎn)生更大的碳排放量.另一方面，當缺少儲熱設備時，冬季輻射高峰期的電能無法儲存，同樣導致輻射不足時購電量的增加.而不同于夏季，冬季太陽輻射時間短、輻射強度低，因此在電價非谷期將產(chǎn)生較大購電量，導致冬季缺少儲熱設備時，運行成本的增加.由此可知，儲熱儲冷系統(tǒng)的存在可以更大程度消納可再生能源，進而提高系統(tǒng)低碳性能，且有助于降低系統(tǒng)運行成本.

表5 不同儲能情景下，系統(tǒng)對外交換功率最值

5 結論

為了實現(xiàn)“碳中和”目標，必須大力發(fā)展近零能耗建筑與新能源汽車技術.其中，HVs由于續(xù)航里程長、全程零排放而受到廣泛關注，且HVs停靠于建筑附近時，可以作為分布式發(fā)電設備為建筑系統(tǒng)供能.本文針對HVs與零能耗建筑的集成，構建了一個考慮光伏發(fā)電和儲能設備的新型建筑能源系統(tǒng)模型，當HVs?？坑诮ㄖ浇鼤r可被系統(tǒng)調(diào)度用于發(fā)電供熱.考慮到汽車運行特性，本文構建了基于蒙特卡洛方法的HV調(diào)度模型.算例分析中，通過聚類算法得到一年內(nèi)過渡季、夏季和冬季三個典型日的電-熱-冷負荷數(shù)據(jù)，并利用GAMS/CPLEX平臺進行求解，得到以下結論：

(1)當系統(tǒng)內(nèi)存在剩余光伏發(fā)電量時，利用電解設備和HP，將剩余可再生電力轉化為氫氣和熱能/冷能進行儲存，可以達到削峰填谷的目的，并有助于降低外部電網(wǎng)壓力；

(2)利用停靠在建筑附近的HVs為系統(tǒng)供電供熱，可以緩解系統(tǒng)供能壓力.另外，HVs向建筑供能的同時有助于及時釋放儲氫罐內(nèi)的氫氣，使午間充沛的可再生電力可以通過電解-儲氫設備進行消納存儲，有助于降低建筑系統(tǒng)與外網(wǎng)的交換功率；

(3)建筑系統(tǒng)的年凈購電量隨著光伏裝機容量的提升而逐漸下降，并在某一裝機容量情境下達到0，實現(xiàn)真正的零能耗狀態(tài).在均衡成本與能耗的前提下，應盡量提高系統(tǒng)的可再生電力裝機水平，以實現(xiàn)系統(tǒng)的凈零能耗；

(4)在建筑中含有集中光伏時，配備儲熱儲冷設備有利于消納光伏發(fā)電量，減少系統(tǒng)與外網(wǎng)的交換功率，同時降低運行成本與碳排放量.

總而言之，隨著HVs技術的逐漸發(fā)展與普及，HVs與近零能耗建筑之間耦合將有助于進一步降低建筑能耗與交通能耗，對于早日實現(xiàn)“碳中和”發(fā)展目標具有重要意義.