【Applied Energy】住宅型零能耗建筑能源系统的能效表现 - R-CELLS在2022中国国际太阳能十项全能竞赛

(1) 在2022中国国际太阳能十项全能竞赛中，Team Tianjin U+赛队的冠军参赛作品 R-CELLS 采用了改进型“光储直柔” 住宅型零能耗建筑能源系统。

(2) 提出了一种基于优化调度和规则控制的三阶段建筑能量管理策略。

(3) 模拟数据证明 R-CELLS 符合零能耗建筑标准。

(4) 2022中国国际太阳能十项全能竞赛期间的实际运行验证了R-CELLS能源系统的可靠性能、能量管理策略的有效性并可满足用户的各种能源需求。

面向零能耗建筑标准和2022中国国际太阳能十项全能竞赛规则，提出一种适用于住宅型零能耗建筑的建筑能源系统和能量管理策略，并通过实际运行测试其有效性和可靠性

The energy system and its energy performance of R-CELLS, a residential zero energy building from team Tianjin U+ in the Solar Decathlon China 2022, is introduced in this paper. When designing and constructing the R-CELLS energy system, two sets of challenges are encountered. Firstly, from an architectural perspective, the limited construction timeframe (only 21 days) and constrained space for housing the equipment, also ease of maintenance should be taken into account. Secondly, from an operational perspective, a constrained period for tests before the competition, a large number of devices dependent on electricity, heat and hot water supply should be considered. In consideration of the ease of assembly and maintenance of the energy system components and the aesthetic requirements of R-CELLS, an improved “photovoltaics, energy storage, direct current, flexibility” based energy system is utilized in R-CELLS. The R-CELLS energy system integrates various renewable energy sources (building integrated photovoltaics, photovoltaic-thermal, and building integrated wind turbines). Furthermore, it incorporates energy storage systems such as battery energy storage system, hot water tank, and phase change material thermal storage. In order to satisfy user requirements in grid-connected, off-grid and outage scenarios, including electricity, heat and domestic hot water, a tri-period energy management strategy based on optimized scheduling and rule-based control is proposed to achieve weekly, daily, and hourly net zero goals. Furthermore, the energy performance of R-CELLS is simulated for a whole year, including typical days in winter and summer, as well as the competition period. During the Solar Decathlon China 2022 competition, R-CELLS was subjected to testing by the committee. The results demonstrated that R-CELLS can be operated off-grid and with zero energy consumption, while meeting the test requirements for indoor environment, heating and cooling, and home life.

Keywords

Energy performance

Zero energy building (ZEB)

Solar decathlon China (SDC)

Energy management

Off grid

团队介绍：

R-CELLS是“天津大学联队”（Team Tianjin U+）设计建造的零碳太阳能建筑作品。该团队是由天津大学建筑学院牵头，联合电气工程、建环、能源、建工、机械、智能工程等多个学科力量，与天津大学建筑设计与规划总院有限公司及多家产品、技术服务和施工企业开展校企合作，并联合天津城建大学、奥斯陆建筑与设计学校，组成的产学研联合团队。团队顾问及指导教师20余位，先后参赛的博士生、硕士生、本科生共计50余人。

天津大学贾宏杰团队长期从事电力系统与综合能源系统稳定性分析与运行优化方面的研究。在电力系统安全性与稳定性方面，系统地构建了电力系统小扰动稳定域、广域电力系统时滞稳定性和时滞稳定域的基础理论与分析方法体系，丰富发展了电力系统综合安全域理论，主持研发了大电网安全分析、预警、监控和风险评价系统，成功应用于国家电网公司、南方电网公司和美国Tri-State公司等企业，创造了显著的经济和社会效益。在综合能源系统稳定性分析与运行优化方面，构建了电/气/冷/热微型综合能源系统的通用仿真模型，建立了适用的分层优化协调控制策略及实现框架，研发了多种综合能源系统运行优化和安全调控技术。团队先后承担包括国家863项目、国家973前期研究专项项目、国家自然科学基金项目及国家重点研发计划等在内的多项重要科研项目，在国内外期刊发表学术论文200余篇。相关研究成果曾获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步二等奖2项，中国高校十大科技进展1项，省部级科技奖励一等奖4项

天津大学“碳中和智慧建筑”团队由低碳建筑领域的学术带头人杨崴教授、任军教授，以及中青年骨干教师刘魁星副教授、杨鸿玮副教授和刘向峰副教授组成，成员具有建筑设计、建筑技术、暖通空调与智能控制等多个学科背景，并开展国际化、跨学科的交流与合作。研究方向包括低碳建筑数字化设计方法、低碳建筑数字化运维、建筑存量低碳更新、低碳建筑与城市设计实践。近年主持承担相关国家级项目科研项目十余项；承担中国科技部、自然科学基金委，以及国际能源署等机构支持的国际合作项目六项；发表国内外高水平期刊论文（含高被引论文）百余篇，出版专著八部，完成多个低碳、零碳建筑示范项目。科研与创作成果获得华夏科学技术一等奖、亚建协可持续建筑金奖、天津市优秀勘察设计一等奖、中国国际太阳能十项全能竞赛（SDC2022）总冠军等重要奖项。

通信作者简介：

穆云飞，通信作者，博士，天津大学电气自动化与信息工程学院教授、博导，国家优秀青年基金获得者，天津大学微网与智能配电系统开发与应用国家地方联合工程研究中心常务副主任，天津市一带一路联合研究中心“电动汽车与能源互联网中英联合研究中心”负责人，中国电工技术学会电动汽车充换电系统与试验专业委员会委员。重点从事电力交通能源系统、智能配用电等相关领域研究。在这些领域内，先后发表学术论文120余篇，其中：ESI检索论文7篇，SCI检索论文70余篇，EI检索论文120余篇，获22项授权发明专利。作为主要完成人先后获得天津市科技进步一等奖2项、二等奖2项，中国电力科学技术进步一等奖1项，中国电力创新一等奖1项，中国电工技术学会科学技术二等奖1项，博士学位论文曾获2015年天津市优秀博士论文。在相关领域内，作为项目负责主要完成人先后承担国家自然科学基金、重点研发计划、科技支撑计划项目、863计划等在内的各类国家及省部级项目10余项。

杨崴，通信作者，博士，天津大学建筑学院教授，博士生导师，副院长，天津市建筑环境与能源重点实验室副主任，国际建筑师协会（UIA）可持续发展委员会委员、国际能源署建筑与社区能源分会(IEA EBC) Annex72, Annex89项目专家组中国代表、中国建筑学会绿色建筑学术委员会委员、中国建筑学会对外交流工作委员会委员、中国自然资源学会资源流动与管理研究专业委员会委员。主要研究方向为：低碳建筑设计、建筑生命周期评价、建筑存量更新。主持承担十余项国家级科研项目及国际合作项目；在国内外高水平期刊发表论文40余篇，出版专著两部。作为负责人，带领“天津大学联队”完成零碳建筑作品R-CELLS，获得第三届中国国际太阳能十项全能竞赛（SDC2022）总冠军。获得2023国家级教学成果二等奖（4/15），2023年“国际建筑师协会（UIA）建筑教育创新”荣誉奖（2/8）、等奖项；作品在威尼斯建筑双年展、达沃斯论坛、国家会展中心绿色智慧建筑展等展出。指导学生获得40余项国际、全国竞赛重要奖项。

第一作者简介：

张嘉睿，天津大学电气自动化与信息工程学院博士生，研究方向为建筑能源系统调度与虚拟电厂运行优化。以第一作者身份发表SCI检索论文2篇，EI检索论文4篇，授权国家发明专利1项。

其他作者简介：

李洁，天津大学建筑学院博士生，研究方向为建筑生命周期碳排放稳健优化，以第一作者发表SCI一区论文1篇。

童月恒，天津大学建筑学博士生，研究方向为建筑存量更新的资源环境效益评估，以第一作者发表SCI检索论文1篇，中文核心论文2篇，授权国家发明专利1项。

本期小编：郑培钧；         审核人：彭维柯

《Applied Energy》是世界能源领域著名学术期刊，在全球出版巨头爱思唯尔 (Elsevier) 旗下，1975年创刊，影响因子10.1，CiteScore 21.2，本刊旨在为清洁能源转换技术、能源过程和系统优化、能源效率、智慧能源、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。开源（Open Access）姊妹新刊《Advances in Applied Energy》影响因子13.0，CiteScore 23.9。全部论文可以免费下载。在《Applied Energy》的成功经验基础上，致力于发表应用能源领域顶尖科研成果，并为广大科研人员提供一个快速权威的学术交流和发表平台，欢迎关注！

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