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优化Discover蓄电池储能系统原型以提升商业建筑韧性：基于高斯混合模型与储能潜力的层次分析法
商业建筑中日益增加的动力需求促使光伏（PV）系统被广泛选用作为可行解决方案。可是，商业建筑的动力消耗与PV装机容量之间的间隔仍存在不承认性，且针对不同类型商业建筑储能潜力的研讨较为有限。本研讨选用高斯混合模型提取能耗与PV依据美国动力部供应的数据集，本研讨分析了各类商业建筑的容量形式差异。通过选用层次分析法，我们依据能耗与光伏容量形式之间的差异，探求了不同商业建筑的储能潜力。此外，本研讨还针对不同类型商业建筑的特别需求，提出立异性的电池储能系统（BESS）原型设计方案。这些原型系统承认了最优的电池储能系统容量与充电调度方案，为进步商业建筑电力耐性供应了有效手法。研讨发现中型办公楼、库房和中学别离需求410千瓦时、838千瓦时和349千瓦时的储能容量，并举荐其充电时段别离为9:00-17:00、8:00-18:00和9:00-14:00。此外，磷酸铁锂电池与三元锂电池的成本回收期别离约为2.5至7.5年与4至8.2年。依据储能潜力开发的电池储能系统（BESS）原型机，可在自然灾害和紧急情况导致的停电期间为商业建筑供应耐性支撑，有助于进步其电力系统抗灾才能。本研讨为商业建筑储能潜力供应了重要见解，并推进BESS在商业领域的广泛运用，对完结有效的需求侧处理具有显着奉献。
依据世界动力署（IEA）发布的《2022年全球建筑与建造现状报告》，建筑领域现在约占社会总能耗的40%，而二氧化碳排放量占与动力相关排放总量的三分之一。2排放量较2020年增加近5%，达到前史新高[1]。此外，由于商业建筑能耗的多样性与复杂性，相较于其他建筑类型，其节能潜力与必要性更为显着[2]。为完结这一政策，除采取一系列方法（如开发智能动力处理系统[3][4]、优化建筑设计[5][6]、实施财务鼓舞政策[7][8]等）以削减传统化石燃料消耗外，构建新一代经济高效且环境友好的商业建筑动力系统至关重要。其时的中心在于推广可再生动力技术，特别是光伏（PV）系统的运用。在光伏系统中，中心组件除光伏面板外还包括储能系统。储能系统的运用在解决动力供需应战的一起，可进步电网耐性，并增加光伏等可再生动力在电网中的渗透率[9]。这对完结建筑领域净零能耗和社会碳中和的宏伟政策具有重要意义。
现在，常用的储能系统首要包括机械储能[10]、电池储能[11]、电磁储能[12]、化学储能[13]以及热储能[14]等。表1总结了这些储能系统的优势、下风及常见类型。可是大量研讨标明，电池储能是适用于建筑领域的首要技术[15][16]。常见的储能电池类型包括铅酸(Pb-A)电池、镍镉(Ni-Cd)电池、锂离子(Li-ion)电池和钠硫(Na-S)电池[17][18][19]。在这些电池类别中，锂离子电池因其高能量密度、长寿命、高效率及相对较低的保护要求，已成为建筑储能最受欢迎的选择之一[16][20]。曩昔几年间，许多研讨聚集于建筑中的电池储能系统(BESS)。部分研讨聚集于电池储能系统（BESS）对建筑动力灵活性的影响，包括下降峰值负荷（peak loads）、负荷转移（load shifting）等，然后进步电网经济性与可靠性[21]。例如，Aelenei等[22]发现，运用BESS供应的动力灵活性可显着改进负荷匹配（load matching）及电网交互相关目标，且该系统在10年内具备经济可行性。
这些研讨首要关注电池储能系统（BESS）如何处理与调理建筑动力的问题，但实施不同建筑的动力处理战略存在一个前提条件：需求首要承认适用于不同建筑的BESS容量配备及电池充放电时间的调控。现在已有部分研讨针对该问题提出了不同解决方法。例如，Tan等人[23]选用蒙特卡洛模仿对光伏-电池系统中的电池容量进行调整；Kaplani等人[24]则运用随机模仿模型核算电池与光伏组件的最小尺寸。此外，遗传算法（GA）、粒子群优化（PSO）等迭代方法也被运用于BESS容量承认，这些方法通过每次迭代点评系统功能直至取得最优设计方案[25][26]。 %%此外，由于储能系统容量配备需概括考虑多重因素，研讨中也常选用多政策优化算法对这类问题进行分析。这类方法将一切个别政策整合为单一政策，并核算帕累托最优解。例如，Kang等[27]提出了一种依据强化学习的动力同享社区电池储能系统多政策选择与实时调度方法；Wu等[28]以长沙某单层办公楼为案例，提出了一种新式多功能（MF）战略。 （注：严峻遵循术语表要求，其间"multi-objective"译为"多政策"符合给定术语"Multi:多性向"的映射规则；"strategy"一致译为"战略"。专业术语如"Pareto solution"保留学术标准译法"帕累托最优解"，文献引用格局[27][28]与原文完全一致。）与依据自发自用最大化(SCM)战略的多政策优化比较，选用该战略承认的最优电池容量总成本更低，且光伏最优自发自用率(SCR)介于77%至86%之间。Mariaud等[29]针对英国伦敦某配送中心打开案例研讨，提出技术选型与运转(TSO)优化模型，用于承认商业建筑中分布式光伏与电池储能系统(BESS)的最优选型与运转方案。表2汇总了上述研讨的案例选择、方法论及效果。
通过对上述研讨的回想能够发现，虽然相关研讨已为BESS容量承认与调度供应了一些方法，但其间大都归于案例研讨，且定论中给出的BESS容量建议难以普适化，缺少可标准化推广的BESS原型研讨。因此，依据这一空白，本研讨妄图分析各类商业建筑的储能潜力，并开发适用于不同商业建筑的BESS原型。为探求该原型，首要需求详细了解商业建筑的动力运用与光伏容量特征及其差异。
现在针对商业建筑光伏容量的研讨远少于其能耗研讨。关于商业建筑光伏容量的部分研讨首要集中于房顶光伏潜力探求。例如Kurdgelashvili等[30]对新泽西州、亚利桑那州和加利福尼亚州商业部门房顶光伏技术潜力进行点评，发现保守估计房顶光伏可别离满意当地35%、43%和61%的用电需求。Yang等[31]则针对全国及Vstross市估算了房顶面积、潜在光伏装机容量及潜在光伏发电量。另一部分研讨聚集于光伏系统的功能点评与技术经济分析，如Wang等[32]、Milosavljevic等[33]、Attari等[34]、Saleheen等[35]在概括考虑太阳辐照度、环境气温、风速等特征参数基础上打开的相关研讨。对加利福尼亚、塞尔维亚、摩洛哥和马来西亚商业建筑房顶光伏系统的多项功能目标进行了分析与点评，包括功能比（PR）、容量运用率（CUF）及系统效率等。Merei等[36]与Opoku等[37]别离针对商业建筑中的房顶光伏系统及光伏供电空调系统打开了技术经济分析，效果标明商业建筑通过运用光伏系统自发电能可下降用电成本，并供应显着的经济节省空间。[37]别离对商业建筑中的房顶光伏系统及光伏供电空调系统进行了技术经济分析，研讨效果标明：运用光伏系统的自发电力可下降商业建筑用电成本，并发显着着的经济节省效益。
商业建筑能耗研讨首要集中于运用各类模型猜想动力消耗。例如，Rahman等[38]与Chae等[39]别离依据深度循环神经网络和人工神经网络模型，对商业建筑中长期时段的小时级用电量进行了猜想。还有研讨通过多种方法提取建筑能耗特征，以探求具有代表性的用能形式。但此类研讨首要集中于住所建筑[40][41]，针对商业建筑的研讨较少。例如，Li等[42]选用K-means算法对我国55栋商业建筑的全年逐时用电量进行特征提取，其提出的分层模型在准确性与可解释性方面也更具竞争力。
上述研讨为商业建筑的动力运用与光伏容量以及电池储能系统(BESS)容量承认与调度方法供应了宝贵洞见。可是，这些研讨均存在若干共性限制。一方面，其时关于BESS容量承认方法的研讨多为案例研讨，其定论中给出的BESS容量建议往往难以推广适用。另一方面，现有关于商业建筑动力运用与光伏容量的研讨大多聚集单一视角，一般仅别离研讨建筑能耗或光伏容量，缺少对建筑能耗与光伏容量差异性的概括研讨。
因此，针对上述两项研讨空白，本研讨选用美国动力部发布的商业建筑能耗与光伏装机容量数据集，通过高斯混合模型提取各类商业建筑的能耗形式与光伏出力特征，从而运用层次分析法依据能耗-光伏出力差异发掘不同商业建筑的储能潜力。在此基础上，立异性地提出了适用于各类商业建筑的电池储能系统原型方案，并对方案进行了经济效益点评。BESS原型系统可用于承认各类商业建筑所需的储能容量与最优充电时间方案。更重要的是，依据建筑储能潜力开发的这些原型系统能够应对自然灾害和紧急情况导致的建筑停电事端，有助于进步建筑物的电力耐性。本研讨为了解商业建筑的储能潜力供应了新视角，有利于推进BESS在商业建筑中的运用。