沿海地区酒店太阳能-风能-波浪能耦合与氢储能的近零能耗系统优化研究

《Energy Strategy Reviews》：Integration of solar, wind, and wave energy for sustainable hotel operation in coastal regions: optimization of a building with hydrogen-supported hybrid renewable energy system

本研究针对沿海酒店高能耗与高碳排放问题，设计并优化了一种集成光伏（PV）、垂直轴风力机（VAWT）、振荡水柱（OWC）波浪能转换器及氢储能（HESS）的混合可再生能源系统（HRES）。通过TRNSYS动态仿真与NSGA-III多目标优化，实现了总成本率、电力供应短缺概率（LPSP）和CO2排放的协同最小化。优化配置使年碳排放降低81%，证明了多能互补与氢储能在沿海近零能耗建筑（nZEB）中的可行性与显著效益。

　　

随着全球能源需求持续增长，建筑部门占全球能源消耗的25%以上，并贡献了约17%的CO₂排放。酒店作为高能耗建筑类型，其空调、照明和热水供应等系统在热带沿海地区尤其耗能。传统化石燃料依赖导致严重的温室气体排放，而可再生能源的间歇性又制约其实际应用。在岛屿和沿海地区，电网稳定性差、能源成本高的问题更为突出。因此，开发能够整合多种本地可再生能源并实现长期储能的高效、低碳能源系统，成为实现酒店建筑近零能耗（nZEB）目标的关键路径。

为应对上述挑战，伊朗科技大学的研究团队在《Energy Strategy Reviews》上发表了一项研究，提出了一种面向沿海酒店的多能互补混合可再生能源系统（HRES）。该系统创新性地将太阳能光伏（PV）、垂直轴风力发电机（VAWT）、振荡水柱（OWC）波浪能转换器与氢基储能系统（HESS）集成于同一建筑尺度能源系统中，旨在实现能源自给、降低碳足迹并提升运行经济性。

研究团队采用多阶段研究方法。首先，基于美国能源部（DOE）标准酒店原型，利用EnergyPlus软件模拟了伊朗基什岛上一座大型酒店的全年动态负荷，包括制冷、供暖、热水及电力需求。随后，在TRNSYS平台中构建了包含PV、VAWT、OWC、电解槽、储氢罐和燃料电池的HRES模型，并设定了基于电力供需平衡和氢储能状态的能量管理策略。为优化系统配置，研究引入非支配排序遗传算法（NSGA-III）进行多目标优化，以总成本率、供电损失概率（LPSP）和CO₂排放量为目标函数，决策变量为PV板数量、VAWT数量和OWC装置数量。最后，结合TOPSIS方法从Pareto最优解中筛选出综合性能最佳的方案。

5.1. 建筑能源模拟

模拟结果显示，酒店年总电力需求为693,255 kWh，其中制冷负荷占主导，夏季月份（如7月、8月）的冷负荷超过190 MWh，而供暖需求仅在冬季较低。这表明在热带沿海气候下，制冷能耗是能源系统设计的主要考虑因素。

5.2. 可再生能源贡献分析

在最优配置下（500块PV、13台VAWT、35套OWC），三种可再生能源呈现明显的季节互补特性。夏季PV贡献最高（58%），冬季风能和波浪能占比提升（VAWT达24%，OWC达40%），有效平衡了太阳能季节性波动。

5.3. 优化结果与性能指标

NSGA-III优化后，系统可实现年CO₂排放84.45吨，LPSP为0.179，成本率为472欧元/小时。与纯电网供电相比，碳排放降低81.34%，系统自主供电能力超过82%。敏感性分析表明，太阳能辐射变化对系统性能影响最大（±10%辐射引起±5%指标波动），而组件效率变化影响相对较小。

5.4. 氢储能的作用

对比有无氢储能的运行场景发现，引入HESS后，可再生能源利用率提升约77%，氢储能可满足全年38%的电力需求，显著减少对电网的依赖，并提高能源供应的可靠性。

5.5. 系统可靠性与环境效益

优化系统在保证较低LPSP（即较高供电可靠性）的同时，实现了显著的碳减排。其中，波浪能的引入不仅提供清洁电力，还可作为防波堤增强海岸防护，具有多重效益。

本研究通过动态仿真与多目标优化，证实了太阳能、风能、波浪能与氢储能系统在沿海酒店建筑中协同应用的可行性。系统优化配置后，在保持较低运行成本的同时，可实现碳排放量降低81%以上，供电自主率超过82%。氢储能的引入有效解决了可再生能源间歇性问题，提升了系统韧性和季节调节能力。该研究为沿海及岛屿地区的近零能耗建筑提供了可扩展的技术框架和决策支持方法，对推动酒店业低碳转型、增强区域能源安全具有重要参考价值。未来研究可进一步考虑设备老化、长期资源波动及更复杂的能源调度策略，以提升系统的实际应用潜力。