当前及未来气候条件下城市大学校园第五代区域供热与制冷系统的技术经济评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic assessment of fifth-generation district heating and cooling systems for an urban university campus under current and future climate conditions

　　

第五代区域供热与制冷系统（5GDHC）已成为城市能源系统脱碳的有前景路径，同时可提升灵活性并促进可再生能源与低品位热资源的集成。然而，此类系统在不同气候条件以及不断演变的电力电网特征下的技术经济表现，尤其是在高密度机构型校园中的表现，仍缺乏充分量化。本研究检验如下假设：将低温区域能源网络与废水能量回收及电气化热泵相集成，可在当前与未来气候条件下，为城市区域能源脱碳提供一条技术上稳健且经济上可行的路径。研究人员构建了一个综合建模框架，将利用 Carrier HAP 开展的经校准逐时建筑负荷模拟，与 nPro 能源系统规划平台中的系统层级技术经济优化相结合。该框架以加拿大多伦多一处高密度城市大学校园为代表性案例进行评估，并进一步扩展至多个加拿大城市以及对应于预计升温水平 +2.5 °C 和 +3.5 °C 的未来气候情景。结果表明，在当前气候条件下，将废水能量传输、分散式水源热泵（WSHP）与现场太阳能光伏（PV）发电相结合的系统构型，在所评估方案中具有最低年化系统成本；但其相对于常规区域能源系统的经济竞争力，取决于支持性政策与融资条件。气候情景分析显示，气候变暖会使供热—制冷需求平衡向更高制冷需求方向转移，但通过适应性再优化，并不会显著削弱系统性能。结果还进一步表明，此类系统的经济竞争力高度依赖政策与融资条件；当碳价约为 170 美元/t CO₂，或在优惠融资机制下，可实现经济等价。这些发现凸显了低温区域能源系统作为城市校园气候韧性基础设施的潜力，并强调了电力电网脱碳协同推进及支持性政策框架的重要性。

该论文发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》，围绕城市高密度大学校园第五代区域供热与制冷系统（5GDHC）的技术经济可行性与气候适应性开展系统研究。研究背景在于，城市能源系统在城市密度上升、基础设施老化及气候变化约束下，面临同时实现脱碳、可靠性与可负担性的多重压力。传统区域供热与制冷系统（DHC）虽然具有集中供能和规模效益优势，但仍高度依赖化石燃料和集中式热源，导致运行期温室气体（GHG）排放较高，且难以灵活适应负荷结构变化与电力系统低碳化进程。相较之下，第五代区域供热与制冷系统采用低温或近环境温度网络、分散式热泵以及双向热流机制，可整合废热、可再生能源和低品位热源，具有降低输配损失、提升热泵性能系数（COP，性能系数）和增强系统耦合能力的优势。然而，其前期资本投入较高，系统表现受建筑负荷特征、气候边界与电网排放强度影响显著，特别是在复杂、多建筑、混合功能的城市校园场景中，尚缺乏同时耦合建筑逐时负荷、系统优化、未来气候变化与长期经济性的综合评估。因此，开展本研究的意义在于明确5GDHC在何种气候、何种地区、何种政策与融资条件下，能够成为常规区域能源基础设施的可替代方案。

研究人员以 Toronto Metropolitan University（TMU）市中心校园为案例，建立了从建筑侧到系统侧的一体化分析框架。该校园具有18栋重点建筑、约281,000 m²总建筑面积，涵盖教学、办公、实验、图书馆和住宅等多种功能，负荷多样性明显，适合检验低温区域能源网络的协同供能潜力。研究的核心结论是：在当前多伦多气候下，集成废水能量传输（WET）、分散式建筑级水源热泵（WSHP）和现场太阳能光伏（PV）的5GDHC方案，在所比较的多种低温区域能源构型中具有最佳综合表现，并实现最低年化系统成本。进一步地，未来升温 +2.5 °C 和 +3.5 °C 虽然会削弱供热主导特征、抬升制冷需求，但经过系统再优化后，该方案仍能保持较稳定的成本与排放表现，显示出较强气候韧性。跨城市分析还表明，该系统架构可迁移至加拿大不同气候区，但其减排效益高度依赖区域电网 CO₂ 排放强度。经济分析则指出，当前市场条件下5GDHC尚难自然优于常规系统，但在碳价约 170 美元/t CO₂ 或采用优惠融资机制时，可实现经济持平。由此，论文的重要意义在于证明：5GDHC的主要制约因素并非技术成熟度，而是资本回收环境、电网低碳化进程与政策支持力度。

就研究方法而言，作者首先利用 Carrier HAP 对校园建筑进行逐时负荷建模，并基于实测校园能耗数据进行校准，获得8760 h供热、制冷与非暖通电负荷；随后将负荷输入 nPro 平台，对不同5GDHC构型进行系统容量配置与运行优化，以最小化总年化成本；在此基础上，结合生命周期成本（NPC）分析、平准化能源成本（LCOE）计算及运行期 CO₂ 排放核算，比较当前气候、未来多伦多升温情景以及 Edmonton、Montreal、Vancouver、Halifax 等城市气候下的表现。样本来源为 TMU 校园建筑群，天气数据来自 OneBuilding 气候数据库。

以下为论文结果的分节解读。

3.1. Baseline comparison and selection of the optimal configuration
该部分首先在当前多伦多气候条件下，对常规区域能源系统（S1）与多种5GDHC方案（S2–S7）进行基准比较。研究表明，各系统的总供热和总制冷需求因采用同一校准建筑模型而保持一致，但能量供给路径显著不同。常规系统主要依赖集中式天然气锅炉供热和传统集中制冷，而5GDHC系统则主要通过建筑级电驱热泵承担供热与制冷任务，仅在峰值工况下由辅助热源补充。结果显示，低温网络条件下，5GDHC通过近环境温度运行、建筑间负荷多样性与热泵高效转换，有效降低了天然气消耗和运行排放。尽管电力消耗因供热电气化而上升，但由于热泵效率较高、输配损失较低，整体一次能源消耗和 CO₂ 排放仍低于常规系统。

3.1.1. Energy demand allocation and system-level energy flows
通过系统级能流分析，研究发现，5GDHC方案中的供热主要由电驱热泵实现，制冷则由分散式热泵将热量排向废水或地环路，而非依赖集中式冷机。这种结构使系统更贴近低温热源运行。特别是整合 WET 与 PV 的 S7 方案，表现出最低的电网净购电需求，并在降低化石燃料使用方面最为突出。

3.1.2. Role of load characteristics and heat sharing potential
作者进一步分析校园负荷特征后指出，TMU 校园在当前气候下虽然是混合功能园区，但逐时尺度上的真实“同时供热与制冷”并不强，全年仍以供热需求占主导。因此，5GDHC 的性能优势并非主要来源于同一时刻建筑间大规模余热回收，而更多来自建筑负荷多样性对峰值的平滑作用、低温网络降低输配损失、热泵在小温升下运行的高效率，以及废水等稳定低品位热源与热泵耦合的适配性。这一判断纠正了将5GDHC优势简单归因于“同时冷热联供”的认识，强调其系统结构本身同样具有关键价值。

3.1.3. Economic performance and selection of the optimal configuration
经济性比较显示，5GDHC方案普遍具有更高资本成本，原因在于分散式热泵和低温网络基础设施投资较大；但其较低的燃料支出和较优的运行效率可部分抵消前期投入。综合资本、购电、燃料和运维成本后，S7 即“WET + 建筑级 WSHP + 现场 PV”方案表现出最低总年化成本和最低运行成本，因此被选为后续气候韧性与跨城市可迁移性分析的最优构型。作者还指出，尽管光伏光热（PVT）在热电联产效率方面具有理论优势，但在当前成本假设下，其增量效益不足以覆盖更高资本投入，因此未优于传统 PV 方案。

3.2. Climate resilience of the selected configuration under future Toronto climate scenarios
该部分检验最优方案 S7 在未来多伦多升温情景下的适应性。研究人员构建了 +2.5 °C 与 +3.5 °C 两类增暖情景，并分别考虑极端寒冷年、典型年和极端炎热年。结果表明，随着平均气温上升，采暖度日（HDD）下降、制冷度日（CDD）上升，校园全年供热/制冷需求比持续下滑；在 +3.5 °C 极端热年中，系统甚至转向制冷主导运行。尽管如此，逐时负荷分析仍表明真正同时冷热并存的时段并未显著增加，需求变化主要体现在季节分布重构而非时刻重叠增强。

3.2.1. Climate-driven shifts in heating and cooling demand structure
通过比较不同未来气候情景下的 HDD、CDD 与冷热需求比，论文证实气候变暖将明显重塑校园热负荷结构，使设计重点逐步从供热偏向制冷。但这种变化不会从根本上破坏5GDHC的运行逻辑，因为其主要优势并不依赖高比例同时冷热匹配。

3.2.2. System re-optimization, cost evolution, and emissions response
研究的关键发现之一在于，作者并未固定系统容量，而是针对每一未来气候情景重新优化系统配置。结果表明，随着制冷需求增加，系统容量配置将更多倾向于电驱制冷与排热设备，而峰值供热容量需求下降。总年能耗成本随升温略有增加，主要由制冷用电增加引起，但增幅平缓，并未出现结构性恶化。运行 CO₂ 排放则呈现更复杂变化：虽然用电上升，但因天然气使用减少、热泵在温和热源条件下效率较高，且 Ontario 电网排放强度相对较低，排放并未同比例上升，部分情景下甚至维持稳定或略有下降。

3.2.3. Implications for long-term system robustness
综合来看，S7 在未来变暖背景下体现出较强系统稳健性。作者据此认为，决定5GDHC长期表现的关键，不是冷热负荷是否严格平衡，而是低温网络、分散式热泵、稳定低品位热源接入以及系统再优化能力等结构性特征。这一结论支持将5GDHC视作应对气候不确定性的长期城市基础设施选择。

3.3. Intercity transferability of the optimized configuration
该部分将同一优化系统架构迁移至 Edmonton、Montreal、Vancouver 和 Halifax 的当前气候条件下，分析其跨地区适用性。研究保持建筑本体、控制方式和优化方法不变，仅改变气候边界和区域电网条件。结果显示，不同城市的冷热负荷比差异明显：Edmonton 供热最强，Vancouver 负荷更平衡，Halifax 相对具有更高制冷需求，Toronto 和 Montreal 则处于中间状态。

3.3.1. Influence of climate on heating–cooling demand balance
通过跨城市冷热需求比较，研究表明，气候差异显著影响系统负荷结构，但各城市下同时冷热重叠仍普遍有限，因此系统表现仍主要由季节性能量转移、建筑群负荷多样性以及设备在不同气候下的再配置决定，而非由大规模逐时热回收决定。

3.3.2. Economic and environmental performance across cities
跨城市结果显示，系统年能耗成本与运行排放具有明显地域性。寒冷且供热主导的 Edmonton 因热需求更高、所需设备容量更大，表现出更高系统成本；气候温和的 Vancouver 则具有更低成本。运行排放方面，区域电网 CO₂ 强度成为决定性因素：Montreal 与 Vancouver 由于低碳电网，电气化5GDHC几乎可实现近零运行排放；而 Alberta 与 Nova Scotia 因电网化石能源占比较高，排放仍然显著。这说明5GDHC的减排潜力并不单由本地负荷或技术方案决定，而是深度耦合于电力系统脱碳水平。

3.3.3. Implications for system transferability and policy relevance
作者据此总结，5GDHC并非仅适用于单一城市，其可迁移性较强，但经济与环境绩效主要受三个可解释变量控制：冷热负荷比、电网 CO₂ 强度以及系统电气化程度。这意味着系统部署应与地方气候特征、电网结构和能源政策联动设计。

3.4. Long-term economic parity and policy sensitivity analysis
最后一部分围绕25年项目寿命下的长期经济竞争力展开。基准情景下，5GDHC因前期资本支出高于常规系统，在整个分析期内累计现金流均低于对照系统；运行节能所带来的收益不足以完全抵消初始投资劣势。因此，在缺乏政策扶持和低成本融资条件下，5GDHC尚不具备自然市场竞争力。

3.4.1. Baseline financial performance without policy or financing incentives
该小节明确指出，5GDHC的短板主要在财务层面而非技术层面。虽然其能耗和排放表现更优，但资本开支高企导致项目回收周期较长，构成现实部署障碍。

3.4.2. Carbon pricing as a lever for economic parity
在引入碳定价后，化石燃料依赖更强的常规系统成本被显著抬升。研究结果表明，当碳价约为 170 美元/t CO₂ 时，5GDHC 与常规系统可在25年期内达到累计现金流持平。作者强调，该数值为案例特定的盈亏平衡碳价，而非普适政策建议，其大小受校园负荷特征、当地能源价格和电网排放因子共同影响。

3.4.3. Concessional financing and capital cost recovery
除碳价外，优惠融资同样可以改变经济比较结果。当采用覆盖80%初始资本成本、期限15年、实际利率2%的贷款条件时，5GDHC系统也能够在项目寿命期内实现与常规系统的经济等价。该结果表明，资本回收机制对5GDHC项目成败具有决定性影响，公共基础设施融资、绿色债券和气候投资工具可能是推动其落地的关键制度条件。

3.4.4. Implications for deployment, policy design, and comparison with previous studies
作者由此提出，5GDHC的经济竞争力对外部经济环境高度敏感，碳定价与融资结构往往比运行效率本身更能决定项目是否可行。论文也将这一发现与既有低温区域供热研究相衔接，说明其结论不仅验证了近环境温度网络与热泵耦合的技术优势，也进一步推进到“在何种政策经济边界条件下可部署”的层面。

综合讨论部分，论文的核心贡献在于以统一框架将经校准建筑负荷模拟、系统优化、未来气候分析、跨城市可迁移性评估与长期财务敏感性分析整合起来，避免了仅讨论单一技术、单一气候或静态系统尺寸所造成的局限。研究反复强调，TMU校园中同时供热与制冷的即时重叠并不强，但这并未否定5GDHC的价值；相反，低温网络结构、热泵高效运行、废水稳定热源以及分散式电气化才是其获得成本和减排优势的根本。论文同时表明，未来气候变化会改变负荷结构但未必削弱系统表现，只要允许系统再优化，5GDHC可以作为适应未来需求重分布的气候韧性基础设施。另一方面，5GDHC的广泛部署仍受制于资本密集属性，因此其推广不能脱离低碳电网建设、碳政策设计与金融工具支持。

研究结论部分可译为：本研究对高密度城市大学校园第五代区域供热与制冷系统在当前条件、未来气候情景及加拿大多种气候背景下的技术经济与环境表现进行了综合评估。通过将经校准的逐时建筑负荷建模、系统层级优化与生命周期经济分析相耦合，研究建立了超越单项技术评估的综合分析框架。对于所分析案例，集成废水能量传输、分散式建筑级热泵和现场太阳能光伏发电的5GDHC方案，在能耗与排放方面达到或优于常规区域能源系统。尽管校园内部同时供热与制冷程度有限，系统效益仍来源于低温运行、输配损失降低、建筑间负荷多样性以及稳定低品位热源支撑下的高热泵效率。未来气候情景分析表明，在 +2.5 °C 和 +3.5 °C 增暖条件下，尽管供热需求下降、制冷需求上升，系统通过再优化仍可平稳适应，未出现成本或排放的异常增加。跨城市分析显示，5GDHC的环境绩效高度依赖区域电网 CO₂ 强度：在低碳电网地区可实现近零运行排放，而在高碳电网地区减排效果受限。经济分析证实，在当前市场条件下，若缺乏支持性政策，5GDHC尚不具备财务竞争力；但在适度碳定价（约 170 美元/t CO₂）或优惠融资机制下，可实现与常规系统的经济持平。总体而言，5GDHC是一条技术成熟、具备气候韧性的城市能源脱碳路径，其成功部署将依赖于低碳电网与支持性政策框架的协同配合。