《ENERGY AND BUILDINGS》：Techno-economic comparison of low-carbon heating solutions and building retrofit using CATHeaPS-FatCat: a case study for two urban neighbourhoods in Glasgow
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本研究的主要目标是提供方法和工具，利用开放获取的能源绩效证书（EPC）和唯一属性参考号（UPRN）数据集，为理解住宅改造对关键热脱碳方案的技术经济和环境影响奠定基础。本研究旨在通过将这些数据整合到一个统一的建模环境中来“激活”这些数据。为此，CATHeaPS-
本研究的主要目标是提供方法和工具，利用开放获取的能源绩效证书（EPC）和唯一属性参考号（UPRN）数据集，为理解住宅改造对关键热脱碳方案的技术经济和环境影响奠定基础。本研究旨在通过将这些数据整合到一个统一的建模环境中来“激活”这些数据。为此，CATHeaPS-Kitten模型已显著改进为CATHeaPS-FatCat迭代版本。CATHeaPS-FatCat提供了关于网络路由、成本、电力容量需求以及不同热系统改造前后二氧化碳排放的综合输出。CATHeaPS-FatCat被应用于苏格兰格拉斯哥的两个对比案例研究区域，以展示其用途并为其他地方类似的可行性研究提供可复制的框架。
建筑供暖占苏格兰能源消耗的一半，并贡献超过20%的温室气体排放。为实现净零目标，需从燃气锅炉（GB）转向低碳供暖方案，如空气源热泵（ASHP）和区域供热网络（DHN）。然而，现有工具（如THERMOS、HeatNetSim）缺乏全面的技术经济环境比较，或需要大量用户输入，且多未整合建筑改造影响。为此，研究人员开发了CATHeaPS-FatCat模型，利用开放获取的能源绩效证书（EPC）和唯一属性参考号（UPRN）数据集，为早期热脱碳规划提供可复制的框架。该论文发表在《ENERGY AND BUILDINGS》。主要关键技术方法包括：1）EPC和UPRN数据集成，自动处理开放数据并估计缺失值；2）综合改造分析模块，基于EPC数据评估改造措施及其对热需求和效率的影响；3）非线性网络路由算法，基于50×50热密度网格生成区域供热网络（DHN）路径，并计算管道尺寸和成本；4）技术经济评估，计算净现值成本（NPC）、平准化能源成本（LCOE）、碳排放和电力容量需求。案例研究区域为格拉斯哥的Drumchapel（CS1，低热密度）和Govanhill（CS2，高热密度），数据来源包括苏格兰EPC登记册、UPRN地图和苏格兰热力图。研究结果：4.1.1 数据验证与处理：CS1中EPC覆盖58%的房产，总热需求估计为121 GWh/年，与苏格兰热力图（117 GWh/年）相差4%；CS2覆盖73%，热需求249 GWh/年，与热力图（247 GWh/年）相差1%，均在合理容忍范围内。4.1.2 区域供热网络路由：CS1网络需约150 km管道，线性热密度0.8 MWh/年/m（改造前）和0.7 MWh/年/m（改造后）；CS2需略超150 km管道，线性热密度1.7 MWh/年/m（改造前）和1.3 MWh/年/m（改造后），网络长度与THERMOS模型结果差异小于1%。4.1.3 改造比较：CS1中，GB方案NPC最低，ASHP次之，4GDH最高；改造后所有方案NPC降低（GB降45m，ASHP和5GDHC降50m，4GDH降24m），但LCOE因需求降幅更大而上升。碳排放方面，ASHP改造后最低，4GDH次之；4GDH所需电力容量不足ASHP的一半。CS2中，4GDH（含社会成本）的NPC和LCOE最低，优于GB；改造后4GDH的NPC因改造成本高而上升，其他方案下降。碳排放方面，4GDH改造后最低；电力容量方面，4GDH仅为ASHP的三分之一。4.1.4 敏感性分析：两个案例中，4GDH的LCOE对热需求和资本支出（CAPEX）最敏感，ASHP的LCOE对热需求、季节性能系数（SCOP）和燃料价格最敏感；改造后，LCOE对贴现率和CAPEX的敏感性增加。讨论总结：GB在多数情况下成本最低，但CS2中4GDH（含社会成本）优于GB，表明在高热密度区域DHN具有竞争力。4GDH碳排放和电力容量需求低于5GDHC与ASHP，但5GDHC在存在冷负荷和废热时可能更具优势。改造降低了能耗和排放，但经济吸引力因区域而异：CS1改造成本为2000￡/MWh/年（降低13%需求），CS2为2700￡/MWh/年（降低20%需求），后者因建筑类型（1919年前公寓）改造难度大，40年内NPC未回收成本。研究结论：本研究调查了是否可利用全国开放获取的EPC和UPRN数据集，通过一个适用于社区、地方政府和政府的用户友好工具，对苏格兰任何地区的供暖和改造选项进行建模。CATHeaPS-Kitten模型被改进为CATHeaPS-FatCat，并应用于格拉斯哥两个对比案例区。该分析涵盖了建筑改造对第四代区域供热（4GDH）、第五代区域供冷与供热（5GDHC）、单个建筑空气源热泵（ASHP）部署的影响，并评估了其相对于基线情景的技术经济环境性能。结果表明，最合适的低碳供暖和改造策略取决于当地特征。4GDH和ASHP方案碳排放水平相似，但净现值成本（NPC）和平准化能源成本（LCOE）依赖于热需求密度，高热密度区域更倾向于4GDH。由于负荷多样化，4GDH可降低峰值电力需求，减少电网增容需求。改造降低了总能耗和排放，但经济吸引力因场景而异。这些结果强调了共同评估改造和供暖技术以避免系统过度设计和资本支出浪费的价值。在城市尺度上，CATHeaPS-FatCat可支持评估替代热网络边界，例如在苏格兰本地热与能源效率策略（LHEES）背景下。但案例研究结果不应直接推广，因为格拉斯哥指示性DHN区域热密度范围广泛，而两个案例区处于较低端。该框架为利益相关方提供了一个透明、实用的方法，利用开放数据进行早期热脱碳规划，符合英国政策目标。
