中国城市建筑HVAC系统灵活性资源禀赋的气候多样性研究

为应对可再生能源并网带来的系统灵活性挑战，本研究首次系统评估了中国多元气候条件下建筑暖通空调(HVAC)系统的需求响应(DR)潜力。研究揭示了不同气候区温度(T)和湿度(H)约束对灵活性资源的差异化影响，发现区域间最大灵活性差异达134%，为电力系统优化资源配置提供了气候适应性策略。

　　

随着全球碳中和进程加速，电力系统正面临前所未有的转型挑战。中国承诺到2030年安装超过1.2太瓦可再生能源(RES)容量，但大规模可再生能源并网在替代传统火电的同时，也带来了输出不确定性和可调度容量减少的双重困境。维持电力系统实时供需平衡变得愈发复杂，亟需挖掘需求侧资源作为补充调节能力，即需求响应(DR)潜力。

城市建筑作为全球能源消耗超过40%的重要领域，不仅是用能主体，更是潜在的灵活性资源宝库。其中，暖通空调(HVAC)系统因其能耗占比高且建筑热惯性能够自然缓冲温度变化，被视为最具代表性的可调度资源。然而，HVAC运行和室内人员舒适度高度依赖于温湿度(T&H)条件，导致其灵活性潜力在中国多样化的气候条件下呈现显著区域差异。现有研究多聚焦温度单一因素，忽视了湿度对冷却负荷和人体舒适度的复合影响，且缺乏全国尺度的系统性评估。

针对这一研究空白，澳门大学齐陶艺、许洪勋团队与中国科学院深圳先进技术研究所冯威合作，在《Carbon Neutrality》发表了题为"Flexible resource endowment of urban buildings considering climate diversity in China"的创新性研究。该研究首次建立了综合考虑温湿度约束的HVAC灵活性评估框架，通过对5大城市群15个代表城市的系统分析，揭示了气候多样性对建筑灵活性资源禀赋的塑造机制。

研究人员开发了创新的分析方法论体系，主要包括四个关键技术环节：首先建立了室内温湿度动态平衡模型，通过热湿平衡方程量化室外气候、室内活动和送风参数的耦合影响；其次构建了HVAC系统运行模型，基于焓守恒原理并引入90%相对湿度(RH)的工程假设解决数学求解的不确定性；进而提出"木桶效应"判别准则，通过计算临界送风状态识别温度敏感型与湿度敏感型动态特性；最后建立了考虑双约束的灵活性量化模型，计算在维持舒适度范围内的最大可调节容量。

研究选取了京津冀、长三角、长江中游、成渝和粤港澳大湾区五大城市群的15个代表城市，涵盖北方、东部、中部、西部和南方五大地理区域，分析了晴天、多云和雨天三种典型天气条件下的灵活性特征。数据来源包括美国国家可再生能源实验室(NREL)的太阳辐射数据库和中国国家环境信息中心的402个气象站观测数据。

研究结果呈现出丰富的空间分异特征。在基准温湿度 profiles 方面，室内温度因HVAC的主动控制大多维持在25°C设定值，但湿度呈现显著昼夜波动，日均差最高达2.76g/kga，且从晴天到雨天湿度水平明显上升。这种温湿度解耦现象揭示了显热负荷与潜热负荷的紧密耦合关系。

温湿度动态类型识别结果显示显著时空分异：温度敏感型主要发生在白天(07:00-19:00)，而湿度敏感型在夜间占主导。京津冀城市群温度敏感型出现频率最高(31%)，且夜间低温导致HVAC系统21.8%时间处于停运状态。长三角城市群呈现南北气候过渡特征，晴天白天以温度敏感为主，阴雨天则完全转为湿度敏感型。成渝城市群内部差异最显著，重庆灵活性潜力近乎成都的两倍。粤港澳大湾区持续高温高湿环境使湿度敏感型动态占据主导(约84%)。

灵活性评估结果表明：京津冀城市群工作时间段灵活性中值分别达30kW(晴)、25kW(阴)、20kW(雨)，但夜间调节潜力有限；长三角城市群灵活性差异显著，上海表现稳定而杭州在雨天下降近50%；长江中游城市群呈现明显天气梯度变化，晴天平均35kW降至雨天19kW；粤港澳大湾区优势在于天气不敏感性，香港和澳门能提供24小时灵活性，且夜间灵活率高于白天。

灵活性可用性分析揭示了关键服务特性：晴天条件下主要差异体现在持续时间，上海、合肥、武汉、香港和澳门持续24小时，而石家庄仅11小时。多云和雨天条件下区域差异加剧，香港和澳门保持全天气候灵活性，而多数城市持续时间缩短。值得注意的是，地理邻近性并不保证灵活性表现相似，沿海城市的湿度敏感性导致其呈现独特性能。

影响机制分析表明：室外温度和全球水平辐照度(GHI)增加会提高冷却负荷，增强除湿效果，降低室内湿度；而室外湿度增加则提高新风含湿量，增加室内湿度。高温湿度动态的区分存在明显阈值，且温度敏感型动态的温度阈值随GHI增加而降低，说明晴天更易出现有利于灵活性提供的温度敏感型动态。

全国尺度评估发现：极端高温情景下，东部高温区域温度完全主导动态，东北地区最大灵活性出现在温度低于35°C区域，东部多数地区最大容量集中在35-44kW。高温高湿情景下，西部大部分地区湿球温度低于24.1°C，灵活性几乎难以挖掘；东部多数地区湿度主导动态，仅中部地区仍保持温度敏感型，最大容量达32kW。

研究结论强调，忽略湿度因素将导致灵活性评估偏差，阻碍HVAC系统大规模应用。基于区域特性，研究提出差异化开发策略：北方地区需整合电动汽车等互补资源补偿夜间灵活性不足；东部地区需评估不同天气条件下的适宜定位；中部地区应通过试点项目量化具体可行性；西部地区需针对城市个案评估；南方地区可设计多样化DR市场产品充分利用其长时灵活性。

该研究建立的温湿度双约束评估框架为全国尺度建筑灵活性资源规划提供了科学基础，揭示了气候多样性对资源禀赋的塑造作用。研究成果对于电力系统优化可再生能源开发布局、设计气候适应性的需求响应机制具有重要指导意义，为构建新型电力系统背景下建筑与电网的协同发展提供了关键理论支撑和实践路径。