在全球能源转型与“双碳”目标的战略驱动下，为突破传统集中式供能在梯级利用和远距离输配上的固有局限，具备高能量转化效率、燃料灵活性及近零碳排放等显著优势的分布式能源系统，正引领能源体系向低碳化深刻变革，并逐渐成为构建新型低碳能源体系的核心技术。其中，基于低温固体氧化物燃料电池（LT-SOFC）和高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）的先进分布式发电技术，不仅能够实现化学能向电能的高效直接转化，还可提供高品位余热用于冷热电多能联供，其高效、清洁的特性使其成为解决零碳园区及绿色电力供给的最有效方案之一。但是，由于先进分布式能源系统内部涵盖了复杂的能质传输与多能流耦合过程，不仅燃料电池本体的物理化学反应极易受到操作条件变化的影响，系统层面的热管理与多设备协同也面临显著的非线性耦合效应，导致系统在变工况下的综合性能难以保持最优。此外，面对园区级复杂的用能需求，如何寻找最优的配置与运行参数，实现系统的多能互补与全局参数的协同优化，提出了全新的挑战。

针对上述问题，本课题以解耦系统多能流复杂耦合关系、实现分布式能源系统高效运行为最终目标，开展系统架构集成、多维度综合性能评价以及多目标协同优化研究，具体研究内容和成果如下：

系统高效集成是提升分布式能源系统综合效能的基础，其核心在于通过合理的设备耦合与流程设计，实现能量的梯级利用与资源的高效配置。研究者针对不同类型能源设备的特性差异，提出了多种新型分布式能源耦合集成方案，突破了传统单一能源系统的局限。在燃料电池与余热回收设备的集成方面，构建了HT-PEMFC与两级温差发电机的混合系统，充分利用HT-PEMFC的高温特性与两级温差发电机的余热回收能力，将燃料电池运行过程中产生的低品位余热转化为电能，显著提升了系统的能量利用率。针对固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池的性能互补性，研究者设计了LT-SOFC与HT-PEMFC的冷热电联供系统，通过LT-SOFC作为主发电单元与氢源供给单元，HT-PEMFC回收利用其未完全反应的燃料与余热，形成了燃料-热-电协同集成系统，有效提升了燃料利用率与系统稳定性。为了实现目标用户多能需求，研究者进一步提出了融合弹性热制冷器与跨临界CO₂冷热电联供系统（图1），实现了燃料化学能在发电、供暖、制冷等多场景的梯级利用，解决了传统能源系统功能单一、余热浪费、能效低等问题。这些集成方案通过设备特性匹配与能量流优化分配，构建了“多设备协同、多能量互补”的分布式能源系统架构，为不同应用场景下的系统设计提供了多样化选择。

图1 冷热电联供系统示意图

综合性能评价是分布式能源系统优化设计与运行调控的关键依据，其核心在于建立全面、科学的评价体系，客观反映系统在能量、经济、生态等多维度的性能表现。研究者突破了传统热力学性能评价的局限，构建了涵盖能量、㶲、经济、生态的四维综合评价体系，实现了对分布式能源系统性能的全面描述。在能量与㶲分析方面，基于热力学第一、第二定律，推导了系统及各组件的功率输出、能量效率、㶲破坏率、㶲效率等关键指标的数学表达式，明确了系统能量损失与㶲损失的主要来源，为系统优化指明了方向；在经济与生态评价方面，引入单位产品㶲成本、生态性能系数等指标，综合考量系统的投资运行成本与环境影响，构建了热力学、经济、生态一体化评价模型。通过该评价体系对双级燃料电池冷热电联供系统进行评估，在满足电力、热力、冷量多元需求的同时，实现了经济性与生态性的协同优化，阐释了关键设计参数（如图2所示的燃料利用率和再循环比例）对系统各维指标的交叉影响机理，揭示了系统中能效与成本约束对整体评价的决定性作用，为分布式能源系统的科学选型、容量配置与客观评估提供了坚实的理论评价工具。

图2 燃料利用率和再循环比例对系统总能效、㶲效率、平准化成本及生态性能系数的影响

基于智能算法的多目标优化是实现分布式能源系统精准调控的核心手段，其目标在于协调系统多性能指标间的矛盾关系，获得最优运行参数与设计方案。针对分布式能源系统多变量、强耦合、非线性的特性，研究者建立了涵盖操作参数、运行条件等多维度的优化变量空间，明确了以系统能效、经济成本、生态影响为核心的多目标优化函数。在优化方法上，集成了全局敏感性分析与多目标遗传算法，形成了参数筛选、目标优化、方案决策的完整优化流程。通过Sobol全局敏感性分析，识别出冷却温度、透平进口压力、燃料利用率等关键影响参数，为优化变量的精简提供了依据，有效提高了优化效率；采用非支配排序遗传算法求解多目标优化问题，获得了系统性能指标间的帕累托最优前沿，揭示了各目标间的权衡关系。为实现最优方案的科学筛选，引入TOPSIS与MAUT决策方法，针对不同场景需求筛选出适配性最优的设计方案（图3）。

图3 系统综合性能指标（a）帕累托前沿解以及其（b）在XY、（c）XZ、（d）YZ平面上的投影。

以上研究成果不仅丰富了分布式能源系统的理论研究，也为实际工程应用提供了重要参考，对推动分布式能源系统的高效、低碳、可持续发展具有重要的理论意义和工程价值。