基于光伏建筑一體化的電池-熱泵儲能系統(tǒng)性能及運行策略優(yōu)化研究

中圖分類號：TK9

文獻標志碼：A

根據(jù)國際能源機構(gòu)（InternationalEnergyAgency，IEA）發(fā)布的《世界能源展望》報告[顯示：建筑部門在最終能源消耗總量中占近1/3的比例，約占終端使用部門直接二氧化碳排放量的 15% 。因此，促進建筑行業(yè)節(jié)能發(fā)展，有利于盡快實現(xiàn)雙碳目標，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展[2]。而光伏建筑一體化（BuildingIntegratedPhotovoltaics，BIPV）隨著技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

Gholami等研究發(fā)現(xiàn)，BIPV系統(tǒng)作為建筑表皮的圍護結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟上是可行的，能夠在無貼現(xiàn)率條件下回收投資，并在一定條件下為社會和環(huán)境帶來顯著效益。相比傳統(tǒng)光伏（Photovoltaic，PV），BIPV更需要儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)削峰填谷。Zhang等4開發(fā)了一種儲能系統(tǒng)，分析了不同光伏和電池容量的影響，結(jié)果表明，當配置合理光伏和電池容量的系統(tǒng)時，可以實現(xiàn)顯著的熱負荷和電負荷轉(zhuǎn)移，從而使峰值電價用電量保持在 10% 以下。Forrousso 等[5]針對摩洛哥的6個不同氣候的凈零能耗住宅小區(qū)，采用粒子群優(yōu)化算法設(shè)計了一個包含光伏、建筑集成光伏和電池儲能的離網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以年化總成本最低為目標，通過優(yōu)化BIPV和蓄電池容量，實現(xiàn)負荷覆蓋系數(shù)提高了 0.68%～2.58% ，平準化能源成本降低了 8.7%～20.72% 。在建筑圍護結(jié)構(gòu)改進和可再生能源系統(tǒng)集成方面，Bingham等采用非支配排序遺傳算法（Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II，NSGA-II，找到建筑圍護結(jié)構(gòu)和可再生能源集成的最佳設(shè)計方案。將最佳設(shè)計方案與標準建筑模型進行比較，凈現(xiàn)值降低了 40% ，并且每年的建筑能耗降低了 30% 。Xin等研究了晴天條件下，不同建筑負荷的BIPV-蓄電池混合系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題，建立了一個多約束條件非線性優(yōu)化模型，并通過MATLAB的fmincon函數(shù)求解。研究發(fā)現(xiàn)，在辦公建筑中，高負荷時系統(tǒng)更依賴電網(wǎng)，而在低負荷和住宅滿負荷情況下，系統(tǒng)依賴度降低，可以實現(xiàn)自給自足。Curpek等8評估了集成潛熱儲能技術(shù)的通風(fēng)系統(tǒng)對氣候的響應(yīng)性，通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，在太陽能板背面安裝相變材料有效降低了太陽能板的工作溫度，尤其在正午太陽輻射強烈時最為顯著。何緒權(quán)等研發(fā)了一種石蠟基核殼結(jié)構(gòu)相變儲能復(fù)合材料，其簡單的制備工藝和優(yōu)異的綜合性能使得此相變復(fù)合材料在熱能儲存和熱管理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

以經(jīng)濟實惠的方式在BIPV建筑供暖系統(tǒng)中安裝可再生能源正成為一個日益增長的熱點。Huang等[0]研究發(fā)現(xiàn)，使用太陽能驅(qū)動空氣源熱泵（AirSourceHeatPump，ASHP），并將熱量儲存在相變材料中進行地暖的優(yōu)化組合時，可以通過調(diào)節(jié)溫度提高光伏的利用效率。田錄林等提出了基于實時電價的儲能系統(tǒng)變功率優(yōu)化策略，以商業(yè)園區(qū)作為研究對象，以優(yōu)化電池儲能系統(tǒng)削峰填谷效果為目標，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后商業(yè)園區(qū)具有良好的削峰填谷效果，且投資主體收益每天提升了 1534.8CNY 。 Xu 等[12]將太陽能光伏冷庫與冷熱能存儲技術(shù)相結(jié)合，研究表明，當冷熱儲能與PV相結(jié)合時，每年節(jié)省了 30.20% 的電力成本。

考慮到電網(wǎng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，BIPV系統(tǒng)的可再生能源并網(wǎng)面臨挑戰(zhàn)，導(dǎo)致其潛力未充分利用。Bravo等[13]提出通過關(guān)閉供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Heating，VentilationandAirConditioning，HVAC）來應(yīng)對BIPV輸出減少的有效性，通過控制HVAC，可以在保持舒適的同時，減少制冷季節(jié)電網(wǎng)能量需求高達 60% 。Wang等[14采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，ANN）控制建筑中的太陽能光伏光熱建筑一體化（Building-Integrated Photovoltaic-Thermal，BIPV/T）混合空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果表明，該方法能夠準確預(yù)測室內(nèi)溫度（誤差小于 1% ），有效解決過冷/過熱問題，并顯著降低高原地區(qū)空調(diào)負荷及總能耗。Zhao等[15]分析了英國一座主動式建筑的經(jīng)濟性能，結(jié)合了BIPV和鋰電池，并考慮了建筑的實際運行和能源負荷情況，研究包括了BIPV和電池的資本成本、電網(wǎng)電費以及潛在的碳成本，并設(shè)計了4種電池運行策略。結(jié)果顯示，在不使用鋰電池的情況下，BIPV投資可以盈利，但鋰電池存儲的成本無法通過當前電力市場條件下的經(jīng)濟價值來補償。

上述研究雖然通過儲存設(shè)備的合理配置，提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟性，但是，傳統(tǒng)的儲能設(shè)備存在單位體積或質(zhì)量儲能密度低、運行維護成本高等問題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向基于建筑蓄熱特性的圍護結(jié)構(gòu)儲能[16]，通過主動調(diào)節(jié)建筑冷/熱負荷，改善太陽能發(fā)電與負荷的匹配程度，有效減少光伏建筑一體化儲能系統(tǒng)的運行成本。電能和熱能可以相互轉(zhuǎn)化，當光伏或其他可再生能源產(chǎn)生的電能超出負荷時，可利用電儲能和冷/熱儲能的協(xié)同效應(yīng)將多余的電能轉(zhuǎn)化為熱能進行儲存。這種轉(zhuǎn)換和協(xié)同應(yīng)用進一步提高了能源利用效率[17]。將建筑蓄熱蓄冷應(yīng)用于調(diào)度策略，與電儲能協(xié)同優(yōu)化運行，能夠更有效地實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用，提高建筑能源系統(tǒng)的能效與經(jīng)濟性。

目前關(guān)注的主要是單個技術(shù)的應(yīng)用，如光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)的集成，但如何將這些技術(shù)與建筑能耗需求和熱泵技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)更高效的能源利用和成本節(jié)約，還需深入研究和實踐。因此，本文設(shè)計了一套基于光伏建筑一體化的電池-熱泵儲能系統(tǒng)，通過蓄電池和熱泵系統(tǒng)對房間進行預(yù)熱、預(yù)冷，從而實現(xiàn)電儲能和冷/熱儲能。本系統(tǒng)在光伏建筑一體化的基礎(chǔ)上，結(jié)合空氣源熱泵和蓄電池，考慮建筑蓄熱蓄冷特性，充分利用熱泵提前預(yù)熱（預(yù)冷）建筑的方式提高系統(tǒng)現(xiàn)場光伏發(fā)電量的消納能力，在光伏發(fā)電不足時，熱泵消耗的電為蓄電池中的存儲的谷價電；同時將建筑蓄熱蓄冷應(yīng)用于調(diào)度策略、系統(tǒng)規(guī)劃和新能源消納等方面，對系統(tǒng)優(yōu)化配置和提高系統(tǒng)整體經(jīng)濟性和充分挖掘能源系統(tǒng)節(jié)能潛力起著重要作用。電儲能與冷/熱儲能協(xié)同優(yōu)化運行，配以合理的控制策略，可以更有效地實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用和提高建筑能源系統(tǒng)的能效與經(jīng)濟性。本文根據(jù)儲能方式不同，模擬了無儲能、單獨電儲能、單獨冷/熱儲能和同時配置電儲能和冷/熱儲能4種系統(tǒng)的全年運行性能，并結(jié)合分時電價，在同時配置電儲能和冷/熱儲能的系統(tǒng)中增加谷價買電策略。最后，以年運行費用最小為目標函數(shù)，同時優(yōu)化預(yù)熱、預(yù)冷時間等參數(shù)，進一步降低系統(tǒng)的運行成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1綜合能源系統(tǒng)供能框架

綜合能源系統(tǒng)（IntegratedEnergySystem，IES）主要由綜合能源系統(tǒng)設(shè)備與冷、熱、電負荷構(gòu)成，并且設(shè)備類型和容量的規(guī)劃決定了IES的實際運行效果是否具有更高的綜合效益。本文所確定的基于光伏建筑一體化的電池-熱儲能系統(tǒng)的IES規(guī)劃的基本思路是以建筑的多種負荷需求、I正S供能設(shè)備種類和能源形勢等元素為基礎(chǔ)，確定IES的基本架構(gòu)和設(shè)備工作方式，然后將建筑儲能系統(tǒng)納入到IES供能框架中，最后針對設(shè)計目標進行運行模擬計算，通過反復(fù)迭代尋優(yōu)，選出使目標函數(shù)最優(yōu)的控制策略[18]?；诠夥ㄖ惑w化的電池-熱泵儲能系統(tǒng)供能框架如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)原理

基于光伏建筑一體化的電池-熱泵儲能系統(tǒng)結(jié)合了光伏發(fā)電、熱泵冷暖調(diào)節(jié)和電池儲能技術(shù)，用于優(yōu)化可再生能源利用和降低建筑能耗。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能供建筑使用，并在發(fā)電不足時由蓄電池補充，如需更多電量則從電網(wǎng)獲取。多余電能存儲于蓄電池中，或在谷價電時段由電網(wǎng)給電池充電。此系統(tǒng)考慮了光伏發(fā)電和建筑負荷的峰值時間，通過電能和冷/熱能的儲存，高效利用能源，減少浪費，提高建筑能效，并在分時電價政策下通過策略優(yōu)化，提升建筑運行的經(jīng)濟性。基于光伏建筑一體化的電池-熱泵儲能系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2基于光伏建筑一體化的電池-熱泵儲能系統(tǒng)模擬仿真

2.1 系統(tǒng)建模

本文基于瞬時系統(tǒng)模擬程序（Trnnsient SystemSimulationProgram，TRNSYS）仿真平臺建立仿真模型，使用了METEONORM氣象數(shù)據(jù)庫中法蘭克福區(qū)域的典型氣象年數(shù)據(jù)作為模擬的氣象輸入文件。法蘭克福地區(qū)室外全年的溫度變化及太陽輻射量分別如圖3和圖4所示。對于法蘭克福地區(qū)，制熱季時間為10月至12月以及次年1月至4月，分別對應(yīng)6500～8760h 以及 0～2880h ；制冷季時間為6月至8月，即 4000～5760h 。本文的建筑類型為BIPV住宅建筑，工作日制熱（冷）時間為0：00＼～8：00及17：00＼～24：00，假期時間則全天制冷或制熱。制熱制冷設(shè)計溫度分別為 18^°C 和 26°C 。冬天預(yù)熱 2h ，將房間預(yù)熱至 18^°C ，夏天預(yù)冷2h，將房間預(yù)冷至 26^°C 。2.1.1建筑模型及負荷本文針對法蘭克福地區(qū)的某獨棟建筑進行建模和模擬仿真，為了簡化模型并減少計算復(fù)雜度，將功能相同且無戶間傳熱的房間進行合并，使用了SketchUP軟件內(nèi)的OpenStudio插件來搭建建筑模型。通過TRNBuild進行建筑模擬和負荷分析。建筑模型如圖5所示，建筑分為兩層，3個房間，房間高度分別為3、 4m 和 4m ，總建筑面積為 144m² ，總?cè)莘e為 480m³ 。建筑全年逐時冷/熱負荷如圖6所示，最大冷負荷出現(xiàn)在 4939h ，為 3674W 最大熱負荷出現(xiàn)在 ^91h ，為 6450W ?？諝庠礋岜眯枰峁┹^大的供暖能力來維持室內(nèi)溫度。相比冷負荷，熱負荷需求量大，峰值也較大，空氣源熱泵機組的選型根據(jù)熱負荷峰值選擇。

2.2.2仿真模型TRNSYS軟件統(tǒng)仿真模型如圖7所示，仿真計算時長為 8760h ，仿真時間步長為 0.125h 。系統(tǒng)關(guān)鍵部件數(shù)學(xué)模型見TRNSYS操作手冊。

2.3模擬仿真

為充分說明電儲能與冷/熱儲能協(xié)同應(yīng)用的潛力，本文首先針對無儲能、單獨冷/熱儲能、單獨電儲能、同時配置冷/熱儲能和電儲能4種情況進行模擬，下文簡稱為工況1、工況2、工況3和工況4，通過能耗以及費用年值的對比，分析基于光伏建筑一體化的電池-熱泵儲能系統(tǒng)的性能。

年費用計算公式為：

C_j=S_bipvC_pv+E_bC_b+R_hpC_hp

其中， C_t 為系統(tǒng)的年費用，EUR; C_j 為系統(tǒng)設(shè)備的初投資費用，可由式（6）確定，EUR； j^′ 為利率或部門內(nèi)部的標準收益率系數(shù)，取0.08； Y 為供暖系統(tǒng)的使用壽命，本文取10; C₀ 為系統(tǒng)年運行費用，EUR; S_bipv 為 BIPV組件面積， m² E_b 為蓄電池容量， kW?h R_hp 為熱泵機組額定制熱量， kW C_pv 為BIPV組件單位面積價格， EUR/m² ： C_? 為蓄電池單位容量價格，EUR/（kW?h） ： C_hp 為熱泵單位制熱量價格，EUR/kW;主要設(shè)備單位容量價格及補貼前后初投資費用如表3所示。

本文所選建筑為家用BIPV建筑，因PV組件發(fā)電量采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)的方式，使得建筑全年市政補電量較少，低于 6000kW?h ，按當?shù)卣呤褂没A(chǔ)電價 0.3055EUR/（kW?h） 。根據(jù)4種工況下系統(tǒng)全年能耗的仿真模擬，獲得系統(tǒng)在4種工況下運行的全年能耗，經(jīng)過分析確定各工況的年買電量、上網(wǎng)電量及運行成本，如表4所示。通過對比工況1與工況3的情況，由于工況3配置電儲能后，蓄電池可以用來存儲光伏發(fā)電量，并在負荷有電量需求且光伏發(fā)電不足時由蓄電池補充，因此年運行費用大幅降低，降低了EUR375。然而，由于電儲能設(shè)備的高成本，費用年值下降率并不明顯，僅降低了EUR77。對比工況1與工況2的情況，配置冷/熱儲能后，更多的光伏發(fā)電量被消納，因此年運行費用略有下降。同時，由于本系統(tǒng)利用建筑本身的儲能能力來實現(xiàn)冷/熱儲能，建筑物自身具有一定的熱容量，可以作為儲能介質(zhì)。通過提前開啟熱泵制熱或制冷將能量存儲在建筑中，無需額外投資增設(shè)儲能設(shè)備，所以本系統(tǒng)冷/熱儲能并未增加初投資，因此，年費用值也略有下降，均下降了EUR6。通過對比工況2、工況3和工況4，在同時配置冷、熱、電儲能的情況下，由于冷、熱、電儲能的結(jié)合使用，更多的光伏發(fā)電量可以及時消納，這使得運行成本比單一儲能方式更低。因此，在建筑能源系統(tǒng)中同時配置冷、熱、電混合儲能方式比單獨電儲能或冷/熱儲能可以更好地提高建筑的能效和能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

3 優(yōu)化計算

3.1控制策略優(yōu)化

3.4優(yōu)化參數(shù)的選取

本文針對系統(tǒng)的6個參數(shù)進行優(yōu)化，包括預(yù)熱時間、預(yù)熱溫度、預(yù)冷時間、預(yù)冷溫度、制熱季電池谷價充電剩余電量和制冷季電池谷價充電剩余電量，分別選用擇Hook-Jeeves算法、CoordinateSearch算法和HybridGlobal算法對其進行尋優(yōu)。各個參數(shù)之間相互耦合，因此，僅優(yōu)化單一參數(shù)無法保證系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，只有各種參數(shù)相互匹配協(xié)調(diào)才能達到最具經(jīng)濟性的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

3.5 約束條件

3.5.1預(yù)熱（冷）溫度的設(shè)定為平衡系統(tǒng)經(jīng)濟性和室內(nèi)舒適度，預(yù)熱最高溫度設(shè)為 24^°C ，預(yù)冷最低溫度設(shè)為 20% 。過低的預(yù)熱溫度和過高的預(yù)冷溫度都會影響經(jīng)濟性，因此最低預(yù)熱溫度定為 16°C ，最高預(yù)冷溫度定為 28‰ 。

3.5.2預(yù)熱（冷）時間的設(shè)定為提高光伏利用率和降低費用，預(yù)熱（冷）時間應(yīng)選在光伏發(fā)電高峰期，本文設(shè)定最早預(yù)熱（冷）時間為12：00，且不晚17：00開始的正式制熱（冷）時間。

3.5.3電池谷價充電剩余電量的設(shè)定合理地設(shè)置電池谷價充電剩余電量可以提高購買谷價電的比例，谷價充電剩余電量最高為0.9，最低為0.1。

3.6尋優(yōu)結(jié)果及分析

預(yù)熱（冷）時間和溫度以及電池容量的優(yōu)化結(jié)果如表6所示，Hook-Jeeves算法、CoordinateSearch算法的計算結(jié)果十分相近，當預(yù)熱時間為17：00，預(yù)冷時間為14：30，預(yù)熱溫度為 17.06°C 和 18.00^qC ，預(yù)冷溫度為 20% ，制熱季谷價充電SOC為0.1，制冷季谷價充電SOC為0.3左右時，運行費用達到最低值為333.5EUR，對比優(yōu)化前，運行費用降低了 14.7% 。而使用HybridGlobal算法，運行費用降低可達到 27.6% 。為了進一步分析優(yōu)化前后儲能系統(tǒng)的性能，選取Hook-Jeeves算法下冬季和夏季典型日進行對比分析。3.6.1冬季典型日優(yōu)化前后系統(tǒng)性能分析圖8給出了優(yōu)化前后冬季典型日負荷耗電量與買電量隨時間的變化規(guī)律。從圖8（a）可以看出，因為優(yōu)化前熱泵會提前1h開機將房間預(yù)熱至 20% ，而優(yōu)化后熱泵不再預(yù)熱，所以在16：00-17：00時段，優(yōu)化前負荷側(cè)耗電比優(yōu)化后的負荷側(cè)耗電低，17：00后開始正式制熱，房間需加熱至 18^qC ，由于優(yōu)化前此時刻熱泵已將房間加熱至 20% ，而優(yōu)化后此時刻熱泵才剛開始制熱，所以17：00之后，優(yōu)化前負荷側(cè)耗電迅速降低，優(yōu)化后負荷側(cè)耗電迅速升高，優(yōu)化前負荷側(cè)耗電剛開始低于優(yōu)化后負荷側(cè)耗電，1h之后（19：00開始），隨著預(yù)熱存儲在建筑中的熱能耗盡，優(yōu)化前后負荷側(cè)耗電量差距減小。結(jié)合優(yōu)化前后買電量隨時間的變化（圖8（b））可知，由于0：00＼～6：00以及21：00＼～24：00處于谷價電時段，優(yōu)化后電網(wǎng)不僅要給負荷側(cè)供電還需給蓄電池存儲電量，使蓄電池SOC維持在0.31875左右，所以優(yōu)化后此時段買電量大于優(yōu)化前買電量。圖9示出了優(yōu)化前后電池狀態(tài)隨時間的變化，結(jié)合圖9可知，在6：00＼～8：00時段，因為優(yōu)化后蓄電池在夜間（0：00＼～5：00）電價處于谷電時進行了電量存儲，所以無需再向電網(wǎng)購買峰值的高價電量，而優(yōu)化前此時刻蓄電池未存儲電量，系統(tǒng)只能向電網(wǎng)購買峰價電。在16：00＼～17：00時段，優(yōu)化前系統(tǒng)因預(yù)熱耗電增多，所以優(yōu)化前買電量大于優(yōu)化后買電量；在 17.00～ 21：00時段，由于優(yōu)化前預(yù)熱使得正式制熱時負荷側(cè)所需熱量減少，因此，此時段優(yōu)化前買電量低于優(yōu)化后買電量。

為了對儲能系統(tǒng)優(yōu)化前后的整體性能進行對比分析，表7給出了冬季典型日優(yōu)化前后系統(tǒng)各輸出參數(shù)對比結(jié)果。從表7可知，由于優(yōu)化后的系統(tǒng)增加了谷價買量，降低了峰價買電量，使得系統(tǒng)整體運行費用降低了 6% 。

綜上所述，預(yù)熱溫度提高，瞬時熱負荷升高，且建筑自身具有熱慣性，使得房間內(nèi)溫度維持在較高水平，下一時刻的熱負荷會持續(xù)降低。然而，冬季光伏發(fā)電較少，預(yù)熱會增加峰價買電量，導(dǎo)致運行費用增加，此外谷價充電SOC的升高會增加谷價買電量占總買電量的比重，減少運行費用。因此優(yōu)化后，冬季系統(tǒng)通過利用谷價低電費充電代替提前預(yù)熱房間，實現(xiàn)更經(jīng)濟的運行。

3.6.2夏季典型日優(yōu)化前后系統(tǒng)性能分析法蘭克福地區(qū)夏季太陽輻射量較大，使得夏季PV發(fā)電量增多，儲能系統(tǒng)表現(xiàn)出與冬季不同的性能。圖10示出了優(yōu)化前后夏季典型日負荷耗電量與上網(wǎng)電量隨時間的變化規(guī)律。從圖10（a）可以看出，因為優(yōu)化后熱泵提前 2.5h 開機，將房間預(yù)冷至 20°C ，而優(yōu)化前熱泵僅提前 1.0h 開機將房間預(yù)冷至 24^°C ，所以在14：30＼～16：00時段，優(yōu)化后負荷側(cè)耗電高于優(yōu)化前的負荷側(cè)耗電；17：00后開始正式制熱，房間需制冷至26^°C ，由于優(yōu)化前此時刻熱泵僅將房間制冷至 24^°C 高于優(yōu)化后的 20°C ，所以17：00之后，優(yōu)化前后負荷側(cè)耗電都開始降低，優(yōu)化后降低得更多，19：00之后優(yōu)化后負荷側(cè)耗電低于優(yōu)化前負荷側(cè)耗電。

結(jié)合優(yōu)化前后上網(wǎng)電量隨時間變化（圖10（b）），由于夏季光伏發(fā)電較多，因此有大量電量上網(wǎng)，在14：00＼～17：00時段，由于優(yōu)化后負荷耗電增加，因此消納了更多的光伏發(fā)電，導(dǎo)致上網(wǎng)電量減少。再結(jié)合優(yōu)化前后電池充放電狀態(tài)隨時間變化（圖11），由于夏季光伏發(fā)電較多，白天優(yōu)化前后電池一直處于高SOC狀態(tài)，優(yōu)化后預(yù)冷溫度的上升和預(yù)冷時間的提前，夜間所需負荷耗電量減少，所以優(yōu)化后夜間電池SOC狀態(tài)高于優(yōu)化前夜間電池SOC狀態(tài)。

優(yōu)化前后夏季典型日各輸出參數(shù)對比如表8所示。與冬季典型日的系統(tǒng)性能不同，由于夏季法蘭克福的太陽輻射量較大，使得光伏發(fā)電量增多，優(yōu)化后系統(tǒng)無須從電網(wǎng)買電即可滿足系統(tǒng)運行，且上網(wǎng)賣電收益高于優(yōu)化前，系統(tǒng)整體收益提高 17.5% 。

綜上所述，優(yōu)化后預(yù)冷時間的提前和預(yù)冷溫度的降低，光伏發(fā)電不僅能夠滿足較低的冷負荷需求，還可以將更多的電量輸送到電網(wǎng)，使得系統(tǒng)從電網(wǎng)買電費用降低，上網(wǎng)收益增加，因此運行費用獲得大幅降低；而且由于夏季光照充足，發(fā)電量多，蓄電池也無需在谷價電時期主動存儲電量。

4結(jié)論

（1）建立了基于光伏建筑一體化的電池-熱泵儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)通過蓄電池和預(yù)熱預(yù)冷來實現(xiàn)電儲能和熱儲能，模擬仿真無儲能、單獨電儲能、單獨冷/熱儲能以及同時冷/熱儲能和電儲能4種全年運行情況，并計算其費用年值，發(fā)現(xiàn)冷、熱、電儲能系統(tǒng)最具經(jīng)濟性，證明了系統(tǒng)的可行性。

（2）對系統(tǒng)的控制策略進行優(yōu)化，增加谷價買電策略，充分利用峰谷電價差，在滿足建筑負荷的條件下，有效地降低了電力成本。

（3）選取3種算法，對6個參數(shù)進行優(yōu)化，包括預(yù)熱時間、預(yù)熱溫度、預(yù)冷時間、預(yù)冷溫度、制熱季電池谷價充電SOC，制冷季電池谷價充電SOC，以最小的年運行費用為自標函數(shù)進行優(yōu)化計算，優(yōu)化后年運行費用可降低 14.6%-27.6% 。

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Performance and Operation Strategy Optimization of Battery-Heat Pump Energy Storage System Based on Building Integrated Photovoltaic

DAI Lanhual2， LI Zhenwei1， DONG Ming2， HUO Jiajing1， GU Siwen1，3， JIANG Xiaoyan1， YANG He3 （1.School of Photoelectric Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou 213032，Jiangsu， China;

2. School ofEnergy and Power Enginering，Dalian University ofTechnology，Dalian 116024，Liaoning， China;

3.School of Chemical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024，Liaoning， China）

Abstract： A batery-heat pump energy storage system based on Building Integrated Photovoltaic（BIPV） is designed in this paper.A heat pump system is used to preheat or precool the room to achieve cool/heat energy storage andbatteries are used to achieve electrical energy storage.The BIPV，batteries，and air source heat pumpare combined in this system to achieve comprehensive energy utilization. Based on the conversion of electrical and thermal energy， the operating cost of the system can be reduced by improving the matching between solar power generation and load utilization.The annual operation performances of four systems are simulated.The results show that the system with both electricand cool/heat energy storage is the most economical， with saving EUR 379 inoperating costs per year. In ordertoobtaintheoptimalcontrolparametersofthesystem，thecontrolstrategybasedontime-sharingtariffsiscaried out using a variety of optimization algorithms.Six parameters are selected for optimization，including preheating time， preheating temperature， precooling time， precooling temperature，battery vally charging SOC in the heating season， and the battery valey charging SOC in the cooling season.The minimum annual operating cost is used as theobjective function. The results show that the annual operating cost after optimization can be reduced by 14.6%-27.6% compared with the pre-optimization. The energy storage system comprehensively utilizes various clean energy sources and can achieve coordinatedoperation between photovoltaic power generation，battries，and air soure heat pumps， which has broad application prospects in the field of building energy conservation.

Key words： BIPV; electrical energy storage; cold/heat energy storage; TRNSYS; optimization

（責(zé)任編輯：李娟）