面向正能源区域的区域供热系统优化：以废热为主的案例研究

为探索区域供热(DH)系统在满足正能源区域(PED)特定要求下的最优设计与运行策略，奥地利维也纳工业大学的Nirav Patel及其同事扩展了Hotmaps供热模型，将能源部门耦合、可再生能源整合与建筑改造决策等PED约束纳入优化框架。他们以斯洛文尼亚Kranj市一个工业区为案例，研究了在年度和季节性净零能耗平衡约束下，技术组合、存储容量与改造措施的协同优化路径。研究发现，引入PED约束可推动投资转向可再生与电气化供热方案，在系统总成本仅增加9.6%的前提下实现CO2减排超30%，为决策者在系统成本、碳排放与用户支出间权衡提供了关键见解。此项研究发表于《Sustainable Cities and Society》期刊。

　　

城市是应对气候变化的主战场，其能耗与温室气体排放占比高达全球总量的70%以上。为实现2050年气候中和的宏伟目标，欧洲城市正积极探索一种革命性的发展模式——正能源区域(PED)。PED被定义为一个高效、灵活的城市区域，其年度本地可再生能源产出需超过消耗，并实现净零温室气体排放。这不仅是概念的升级，更是从单栋“近零能耗建筑”向区域整体能源规划的战略性跨越。然而，雄心与现实之间横亘着诸多挑战，其中供暖的脱碳尤为艰巨。在欧洲城市，采暖和热水供应构成了巨大的能源需求，且长期依赖化石燃料。区域供热(DH)系统，这种集中为多栋建筑供热的方式，被视为实现城市脱碳的重要路径，因为它能有效整合工业废热、可再生能源，并促进电力和热力部门的协同。尽管前景广阔，但现有研究大多聚焦于以电力为核心的PED，对于如何在PED的特定框架内（如年度或季节性能源平衡）最优地设计和运行区域供热系统，仍存在显著的知识空白。具体而言，缺乏能够内生整合PED约束（如净正一次能源平衡）并同时协同优化供给侧投资（如热泵、光伏）与需求侧减量措施（如建筑改造）的模型。这导致一个核心问题悬而未决：在追求PED目标的道路上，区域供热系统的最优技术组合、运行策略和投资路径究竟会发生怎样的转变？为此，来自奥地利维也纳工业大学能源经济组的研究团队展开了深入探索。

这项研究旨在确定区域供热系统满足PED目标的成本效益最优投资与运行路径。为此，研究人员开发并应用了一个优化模型，该模型内嵌了PED特定的能源平衡约束，并明确耦合了热力和电力部门。其核心方法基于对现有的Hotmaps区域供热供应投资与调度模型的扩展。研究选取了斯洛文尼亚克拉尼市拉博雷工业区的一个案例，该区域目前严重依赖天然气供热，但拥有可观的工业废热和可再生能源（光伏、小水电）潜力。研究者设计了六个对比情景，结合两种改造策略（无改造 vs. 允许改造）与三种PED核算目标：无PED（基准）、年度PED（要求全年一次能源净盈余）和季节性PED（要求每三个月达到一次能源净盈余）。模型采用混合整数线性规划，以小时分辨率共同优化一整年的投资（发电和储热容量）与调度决策，目标是在满足每小时热需求、电价和可用热源的前提下，最小化（总年系统成本 - 总年收入）。关键技术方法包括：1. 扩展Hotmaps模型的目标函数与约束，纳入光伏发电平衡、电力部门耦合以及PED特定的一次能源平衡计算；2. 集成建筑改造决策模块，通过边际节能成本曲线允许模型内生地选择降低空间热需求的围护结构改造措施；3. 应用动态（小时级）一次能源因子来精确计算能源进出口的净一次能源平衡，确保符合PED定义。

5.1. 技术组合在PED约束下的转变

在无PED约束的纯成本优化基准情景下，系统严重依赖工业废热（贡献约70%的年供热量），并辅以空气源热泵和天然气机组。光伏投资和建筑改造均未被触发。引入年度PED约束后，系统为满足净一次能源平衡，大幅减少对高一次能源因子的天然气的依赖，转向增加光伏发电投资（达5.87 MW），并通过热泵更多利用废热和电力。天然气机组仅作为备用。在更严格的季节性PED约束下，系统必须确保每季度内达到能源盈余，这迫使投资达到光伏上限（6 MW），并显著扩大储热容量以跨时段转移能量。有趣的是，仅在季节性PED且允许改造的情景下，建筑改造措施才成为成本最优选择，被模型部分采用以减少基础负荷，从而降低满足严格季节性平衡的难度。

5.2. 成本、CO₂与灵活性之间的权衡

研究结果揭示了PED目标带来的显著效益与成本权衡。与基准情景相比，实施年度PED约束可使CO₂排放减少超过30%，而总系统成本仅增加9.6%。当约束进一步加强为季节性PED时，CO₂排放可进一步降低，但供热平准化成本随之上升。灵活性方面，季节性PED情景促使储热容量大幅增加，增强了系统应对可再生能源波动和实现跨季节能量转移的能力。建筑改造虽然增加了需求侧投资，但通过降低热需求，缓解了供给侧满足严格平衡的压力，在季节性PED情景中与供给侧投资形成了协同。

5.3. 经济、CO₂和能源性能的权衡分析

综合分析表明，从基准情景到年度PED再到季节性PED，系统经历了一个清晰的演进路径：能源自给率提高，对电网的依赖减少，CO₂排放持续下降，但经济成本逐步上升。建筑改造措施的引入，在季节性PED框架下展现出其价值，它通过降低需求侧负荷，改变了供给侧最优组合，体现了供需协同优化的必要性。研究也指出，案例的结论源于一个以区域供热为重点、废热资源丰富的特定系统边界，若纳入交通、工业工艺用能等其他终端用途，结果可能不同。

该研究通过开发一个创新的PED特异性区域供热优化框架，并应用于一个实际的废热主导案例，得出了多项关键结论。首先，PED约束从根本上改变了区域供热系统的最低成本技术组合，推动投资从化石燃料转向可再生能源、电制热技术和储能系统。其次，季节性平衡目标比年度目标更能激励本地资源利用和系统灵活性，但也带来了更高的成本。再者，建筑围护结构改造并非在所有情况下都是成本最优选择，但在面临严格的季节性PED目标时，它成为与供给侧投资相辅相成的重要策略。最后，在区域供热系统边界内，以相对较低的系统成本增幅实现显著的碳减排是可行的，这为城市决策者提供了有力的证据。这些发现表明，区域供热系统不仅是传统供热设施的现代化，更是未来智慧能源城市的核心支柱。通过精心设计和优化，它能够有效整合本地废热与可再生电力，在提升城市能源韧性、实现深度脱碳以及迈向正能源目标的道路上扮演关键角色。该研究为城市规划者和政策制定者设计激励措施、推动从普通城区向PED转型，提供了关于系统成本、CO₂排放与消费者成本之间权衡关系的量化见解。未来的研究可进一步拓展系统边界，纳入更多终端用能和本地资源，以提供更全面的城市能源转型路线图。