《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Feasibility of Fifth-Generation district heating and cooling using mine water in Belgium
: A Multi-Site Techno-Economic assessment
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基于矿井水的第五代区域供热供冷系统（5GDHC）在比利时瓦隆煤盆地的技术经济可行性研究，通过整合技术模拟、财务模型和地理分析，筛选出三个试点区域。结果显示矿井水年供应量可达1.69 TWh，在建筑改造达标和合理费率设计下，碳排放可减少50%，但存在数据缺失、费率不透明和权责分散等风险。
Sesil Koutra | Virginie Harcou?t-Menou | Nicolas Dupont | Olivier Kaufmann | Vincent Becue | Shady Attia
蒙斯大学建筑与城市规划学院，St. Havré 88，7000 Mons，比利时
摘要
对于仍然依赖化石燃料的建筑群来说，实现供暖和制冷的脱碳仍然是一个重大挑战。第五代区域供暖和制冷系统（5GDHC）能够在低温下同时提供供暖和制冷服务，并且效率更高。本文首次对在比利时使用矿井水进行5GDHC的技术经济可行性进行了评估，该评估应用于瓦隆地区的三个煤炭开采区（列日、沙勒罗瓦、蒙斯），并符合瓦隆地区的复兴计划。我们整合了技术模拟、财务建模和地图分析方法，以筛选和确定潜在的试点项目地点。研究结果表明，矿井水储库可为整个地区提供约1.69 TWh/年的热能。项目的可行性受需求密度、地下资源与需求的匹配程度、翻新程度以及治理模式的影响。在供暖和制冷负荷平衡且翻新工作充分的情况下，与传统系统相比，生命周期内的温室气体排放量可减少约50%；然而，地下数据缺失、收费结构不完善以及责任划分不明确等因素带来了显著的不确定性。我们将这些不确定性因素视为设计风险，并为需求、COP（性能系数）、电价和井位选择提供了敏感性范围，从而为比利时地区的5GDHC项目制定了具体的设计规则。这些发现将“Geomine”概念——即将被淹没的矿井与5GDHC系统相结合——化为一种可复制的城市脱碳途径。
引言
城市化是一个复杂的挑战，涉及社会、经济和环境等多个方面。预计到2050年，全球超过60%的人口将居住在城市地区[1]，到2100年住宅制冷需求预计将增长60%以上[2][3]，而大部分能源需求仍将依赖化石燃料技术[4]。
区域供暖和制冷网络（DHC）长期以来被视为一种有前景的解决方案，但在应对气候变化方面仍面临诸多挑战。目前欧洲已有超过6000个DHC项目在运行，满足了约10%的总热能需求和大约100个制冷系统的需求[5]。这些系统通过整合绿色、可持续的高能技术，加速了可再生能源的采用[6]，从而产生了新的协同效应[7]。随着技术的发展，DHC系统已经经历了四代变革，每一代都对应着当时的主导技术，并通过减少能量分配过程中的损失来不断提高效率，最终实现了最佳性能[8]。当前的DHC系统符合“所有欧洲人的清洁能源”计划和碳中和目标[6]。
当前的研究重点集中在第四代和第五代DHC网络上，这些网络利用低温技术并逐步采用新兴技术以减少温室气体排放[9]。第五代区域供暖和制冷系统（5GDHC）代表了超越传统措施的一种有前景的路径，有助于降低一次能源消耗和排放[10]。5GDHC的概念起源于地源热泵系统（常用于单个建筑）或水环热泵（用于商业中心[11]）。5GDHC网络是双向的，可以从网络中同时提取或供应热量和冷量，通过小型设施和共享管道实现供暖和制冷需求的结合，同时回收废热[12]。此类系统已在多个欧洲国家得到应用（例如[13]），在东欧和斯堪的纳维亚地区发展尤为显著，但在比利时仍处于起步阶段，弗兰德斯地区仅有少数项目在开发中，尚未有实际运行的项目。最近，在西欧，D2GRIDS EU-INTERREG项目的框架下开发了五个展示和测试5GDHC技术的试点项目[14]。
尽管对5GDHC技术的兴趣日益增长，但其在欧洲范围内的推广速度缓慢，且面临诸多障碍。基于证据的研究指出了5GDHC在城市规划中存在显著的技术经济障碍和整合难题[14]。此外，先前的研究强调了需要采用综合考虑技术、经济、环境和社会因素的全面评估方法，以确保项目的可复制性。
本文通过（i）总结5GDHC的创新点，（ii）回顾欧洲领先的5GDHC应用案例并突出其在比利时具有最大复制潜力的案例，（iii）分析两个结合废弃煤矿的5GDHC案例的可行性，来填补这一空白。分析结果指出了存在的问题，并提出了可复制性的建议。
第一节对5GDHC网络的背景进行了阐述，说明了其实施的动机和依据；第二节详细介绍了其运作原理及当前面临的挑战；第三节回顾了其在欧洲各案例中的应用情况，并评估了其在比利时的可复制性；第四节介绍了在比利时地区进行可行性评估的研究设计；第五节总结了主要研究结果和未来展望。
DH(C)网络的历史演变
传统上，DH(C)网络包括用于生产和向最终用户输送热量的分配系统。由于热源（如天然气、地热能）的多样性、用户数量和类型的差异，系统的功能复杂性也会有所不同[15]。
热能和制冷网络技术为脱碳策略提供了宝贵的见解，有助于提高系统的灵活性和韧性[16]。
比利时的国际案例研究和比较分析
荷兰Heerlen的Mijnwater项目因其成功利用被淹没的煤矿通过双向低温网络提供热能而备受关注。该项目通过中央系统运营商协调的专用热泵，使用户能够交换热量。其成功归功于强有力的市政领导、早期的监管支持以及可用的矿井水资源[42]。比利时也拥有丰富的煤炭资源……
5GDHC网络在比利时的可行性
根据能源贫困指标[63]，约4%的瓦隆家庭难以满足基本能源需求，尤其是单亲家庭和孤立个体面临更大的能源困境。相比之下，比利时的家庭能源使用量比欧洲平均水平高出70%[64]。
瓦隆地区的能源政策旨在促进和发展可再生能源和可持续能源，以大幅减少对化石燃料的依赖……
讨论
对于比利时而言，5GDHC的可行性问题主要不在于技术本身，而在于系统集成和治理机制。三个关键因素至关重要：（1）建筑物的适应性，通过规定目标区域的低温改造要求来确保5GDHC系统的有效运行；（2）法律和收费制度的透明度，包括明确的储热区域、反映成本的结构以及矿井水资产的所有权规定；（3）数字化运营，通过数据驱动的控制手段实现高效管理。
结论
尽管在5GDHC网络的设计、运营和应用方面取得了显著进展，但研究仍揭示了一些不足，并指出了未来在比利时（乃至整个欧洲）的研究方向和潜在机遇。能源地图和气候压力分析强调了5GDHC网络的潜在效益，但也指出了其面临的挑战。
总之，可行性研究中的试点项目展示了该技术的巨大潜力……
CRediT作者贡献声明
Sesil Koutra：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计。
Virginie Harcou?t-Menou：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论设计、调查、资金筹措、概念构思。
Nicolas Dupont：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计、调查、数据整理、概念构思。
Olivier Kaufmann：验证、监督、方法论设计、调查、数据整理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了SPW（瓦隆公共服务部）能源部门（SPWTLPE）的支持。作者感谢蒙斯大学建筑与城市规划学院的Thomas WAROUX博士在地图分析方面所提供的帮助。
