开发一种智能能源系统，通过可持续利用内部废弃物资源，实现医院内的电力和供暖供应的连续性，并具备能源管理功能

《Energy Conversion and Management》：Development of a smart energy system with energy management for continuous power and heating supply in a hospital through sustainable utilization of internal waste resources

针对医院能源需求，本研究设计了一种基于医院废物（市政垃圾、塑料、食品混合物）的智能能源系统，整合蒸汽气化器、固态氧化物燃料电池、压缩空气储能、燃气轮机等组件，通过优化塑料比例、蒸汽与燃料比、电流密度等参数，实现日均8719kWh电力和1870L热水的稳定供应，系统效率超42%，显著降低碳排放，为资源有限地区医院提供可持续能源解决方案。

　　

作者：Parisa Mojaver 和 Tahereh Izadi

伊朗克尔曼沙赫理工大学机械工程系，克尔曼沙赫

摘要

在医院等关键设施中，对可持续能源的需求不断增长，这需要创新的解决方案来确保可靠的电力和热力供应，同时将环境影响降到最低。本研究介绍了一种专为Boukan医院设计的智能能源系统，该系统独特地利用医院自身的废弃物（包括城市垃圾、塑料垃圾和食物垃圾混合物）作为燃料。该系统集成了蒸汽气化炉、固体氧化物燃料电池（SOFC）、燃烧室、压缩空气储能装置和燃气轮机，形成一个协调工作的整体，能够持续满足电力和部分热力需求。创新之处在于这些组件的智能耦合，实现了废物转化为能源的过程，并根据医院的实际需求进行动态负荷管理。研究方法结合了详细的热力学建模、基于回归的参数分析以及多标准决策制定。研究了三个关键变量：原料中的塑料比例、蒸汽与原料的比例以及电流密度。回归分析确定了九种最佳方案，通过TOPSIS方法和权重因素的敏感性分析对这些方案进行了优化，最终选出了最稳健的方案。最佳配置（方案5）表现出色，每天可产生8719千瓦时的电力（而医院的需求为8352千瓦时），同时还能回收1870升热水。系统效率超过42%，与传统能源供应方式相比，二氧化碳排放量显著减少。该系统展示了将医院废弃物转化为可靠电力和热源的实际且可扩展的途径。除了提高能源自给率和韧性外，这种智能集成策略还有助于环境可持续性，为资源受限地区的医疗设施提供了可行的模型。

引言

当前全球能源格局面临严峻挑战，包括能源需求增加、化石燃料资源枯竭以及对气候变化和环境退化的日益关注[1]。这些问题加速了对可持续、清洁和智能能源系统的需求，这些系统能够在提供可靠电力的同时将生态足迹降到最低[2]。当可再生能源系统得到智能设计和集成时，对于确保关键基础设施的韧性、高效性和低碳能源供应至关重要，因为它们能够实现资源的最优利用、实时需求匹配以及长期可持续性[3][4][5][6]。

医院是能源消耗最大的行业之一，不间断的电力和热力供应对于维持基本医疗服务和保护人类生命至关重要。在这种背景下，废物转化为能源的技术应运而生，它同时解决了废物管理问题，并为关键设施提供了可再生能源[7]。

在各种技术方法中，气化技术被广泛用于将固体废弃物转化为合成气[8]；固体氧化物燃料电池（SOFC）在电化学发电方面表现出高效率[9]；压缩空气储能（CAES）通过大规模储能有效平衡供需[10]。尽管这些技术在单独应用时显示出良好的效果，但它们的局限性包括输出波动、对外部燃料的依赖性以及对动态负荷变化的适应性较差。因此，迫切需要集成和智能的能源系统，这些系统能够同时利用本地废弃物、确保稳定的电力生产、部分满足热能需求，并对每小时的消费变化做出灵活响应[11]。先前的研究分别探讨了基于气化的系统[12]、SOFC驱动的配置[13]和CAES技术[14]（将在后续部分进行综述）。

最近的研究强调了先进转化和储能技术在可持续能源系统中的重要作用。Wondra等人（2025年）[15]表明，生物质气化可以显著减少环境影响并提高燃料质量。类似地，Nanadegani和Sunden（2023年）[16]强调了进行熵分析对于优化燃料电池热力学和能量性能的重要性。在此基础上，Yin等人（2025年）[17]提出了一种结合生物质共气化、SOFC和布雷顿循环的新型冷却、加热和发电系统，发电效率达到了69.33%，能量效率提高了20.93%，熵效率提高了1.06%。这些例子展示了基于气化和SOFC的系统在推进清洁发电方面的潜力。同时，储能的集成对于提高系统效率和灵活性至关重要。正如Huang等人（2025年）[18]所评论的，储能解决方案对于频率调节和有效管理可再生能源的不确定性至关重要。

CAES作为一种可靠的平衡波动能源供应的手段，受到了越来越多的关注。尽管CAES的往返效率低于电池，但其长使用寿命、低降解率以及在大规模和长时间储能方面的成本效益使其更适合医院能源系统。Zhong等人（2025年）[19]提出了一种结合人工智能优化的混合SOFC-CAES配置，净功率和效率分别提高了171.8兆瓦时和12.9%。Guo等人（2024年）[20]开发了一种由生物质气化驱动的改进型SOFC-燃气轮机系统。他们结合了参数敏感性分析和多目标优化及决策技术，能够在充放电阶段评估系统的热力学、经济和环境性能。Li等人（2023年）[21]提出了一种结合CAES和固体氧化物电解质的混合SOFC-燃气轮机发电系统，实现了电力、热能和氢气的联产。该系统通过全面的能量、熵和经济评估进行了分析，并进一步研究了子系统的贡献和储能集成对灵活调节峰值负荷的作用。还探索了更复杂的多联产框架。Hou等人（2023年）[22]提出了一种生物质-SOFC-地热三联产装置，优化了能量和环境影响性能，熵效率达到了64.49%，热水产量为6549.77千瓦。Liu等人（2024年）[23]将热解生物质气化与太阳能结合，每年节省了1.05×10^6兆焦耳的能量，并减少了550.59吨二氧化碳排放。Ghasemi等人（2024年）[24]评估了一种生物质-太阳能驱动的多联产系统，每天可产生154.1兆瓦时的电力、280公斤氢气和265.4立方米淡水，能量效率为38.8%，熵效率为32.2%。

同时，基于生物质的CAES和混合SOFC-CAES框架通过先进的建模和人工智能得到了进一步优化。Tian等人（2025年）[25]提出了一种生物质燃料驱动的涡轮循环与CAES相结合的系统，熵往返效率达到了38.24%。Zhang等人（2021年）[26]提出了一种结合SOFC-燃气轮机和CAES的联产系统，用于回收废热。该系统在Aspen Plus软件中进行了建模，并通过能量、熵和参数敏感性分析对其性能进行了评估，显示出比传统SOFC-燃气轮机-有机朗肯循环配置更高的效率。Laleh等人（2025年）[27]开发了一种基于生物质的混合系统，结合了太阳能辅助的气化、SOFC和质子交换膜电解器，并通过朗肯循环进行了集成。系统建模包括能量、熵和能量经济分析以及多目标优化，展示了合成气质量的提升、效率的提高和环境污染的减少。最近，Dong和Gunina（2025年）[28]应用人工神经网络和多目标优化对混合SOFC-CAES系统进行了优化，熵效率达到了79.9%，二氧化碳排放量减少了210.9公斤/兆瓦时，从而增强了对季节性变化的适应性。尽管这些研究清楚地展示了基于气化、SOFC驱动和CAES集成配置的进步，但大多数框架仍受限于单一或双重技术耦合，且往往忽略了与实际废弃物原料的结合。这一差距凸显了需要智能的、针对特定地点的解决方案，这些解决方案不仅结合了这些先进组件，还利用了本地废弃物资源来提供连续和可持续的电力和热力供应。

基于此背景，本研究提出了一种专为医院设计的新型智能能源系统，以Boukan医院作为案例研究。与以往主要关注气化、SOFC或CAES单独技术的研究不同，所提出的系统将这些组件集成在一个智能管理框架中，能够动态匹配每小时的能量需求。本研究的一个独特创新在于使用医院可用的废弃物（包括一般垃圾、塑料垃圾和食物垃圾混合物）作为唯一的燃料来源，从而将可持续的废物管理与连续的电力和热力供应相结合。这种方法不仅满足了医疗设施对可靠能源的关键需求，还通过减少对外部燃料的依赖促进了碳减排和成本降低。本研究的目标有三个：（i）系统评估塑料比例、气化炉中蒸汽与原料的比例以及SOFC电流密度对系统性能的影响；（ii）应用回归分析和多标准决策（结合敏感性分析的TOPSIS）来确定最佳运行方案；（iii）分析优化系统的实时和24小时性能，包括发电、热能回收和整体效率。通过将先进的转化技术与智能能源管理和循环废物利用相结合，本研究旨在建立一个可扩展的模型，以实现韧性、低碳和自给自足的医院能源系统。

方法论

图1展示了所提出的智能能源系统的配置，用于持续为医院供电，并集成储能和热能回收。医院的需求直接由现场发电满足，多余的电力被输送到CAES单元。在电力不足时，储存的压缩空气在燃气轮机中膨胀以提供辅助电力。主要燃料是医院特有的医疗废弃物和塑料残渣混合物，与蒸汽一起送入气化炉。

结果与讨论

通过验证气化单元、SOFC模块和压缩空气储能子系统与已发布的参考数据进行了对比，评估了所开发集成模型的准确性。对于气化过程，预测的合成气成分与参考文献[53]中的实验结果和Saebea等人[54]报告的数值数据进行了比较。如表2所示，模型很好地再现了主要的合成气成分。

结论

本研究提出并全面评估了一种专为Boukan医院设计的智能能源系统，该系统利用医院自身的废弃物作为主要燃料来源，同时提供电力和部分热能。通过将蒸汽气化炉、SOFC、CAES、燃气轮机和燃烧室集成到一个协调工作的整体中，该系统实现了连续和灵活的能源管理，同时满足了可持续性和可靠性要求。

作者贡献声明

Parisa Mojaver：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件开发、方法论研究、数据分析、概念化。Tahereh Izadi：撰写——审稿与编辑、方法论研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢克尔曼沙赫理工大学在项目编号T/P/S/1490下的财政支持。