分析在整合光伏技术的城市居民能源社区建设中运用先进工具的益处

《Energy》：Analysis of Advanced Tools Usage Benefits in Organizing Urban Citizen Energy Communities with Photovoltaic Integration

　　摘要：城市居民能源社区是推动向可再生能源转型、减少温室气体排放以及增强能源系统中地方主体力量的重要机制。尽管学术界对能源社区的运营与优化越来越感兴趣，但关于建立能源社区的流程——包括初步可行性评估、能耗分析以及光伏系统配置——在现有文献中仍缺乏足够探讨。本研究通过提出并评估一种新的分析框架来填补这一空白，该框架运用先进的计算工具，如SolarPlanner和PVGIS，以支持城市太阳能能源社区的规划与评估。该框架以克罗地亚萨格勒布的两栋住宅建筑为案例进行研究，这两栋建筑的屋顶朝向不同，以此展示其在不同条件下的适用性。研究通过统计标准化方法收集并分析了电力与化石气体消耗数据，同时为每栋建筑确定了最优的光伏系统规模与安装位置。经济可行性则通过净现值和内部收益率来进行评估。研究结果表明，两栋建筑每年可通过光伏发电产生约93,400千瓦时的电能，两栋建筑合计每年可减少约23吨的二氧化碳排放量。每栋建筑每月的电费可降低1000欧元以上。从整体投资来看，朝南的建筑的净现值为104,830欧元，朝北的建筑为95,881欧元，在4%的折现率及10年贷款偿还期内，其内部收益率分别为21.3%和18%；从每套公寓的角度来看，扣除用于偿还贷款的月度会员费后，每套公寓每月可节省大约9至11欧元。这些研究结果表明，即便在建筑条件受限的情况下，也能在能源社区框架内实现良好的经济与环境效益。基于此，研究建议将初步可行性评估视为社区建立的明确第一步，应使用易于使用的规划工具向潜在成员清晰展示每套公寓的成本与收益，同时不应排除朝北或因其他建筑限制而难以安装光伏系统的建筑。本研究为政策制定者、从业者以及希望建立城市太阳能能源社区的居民提供了可复制的分析方法与具体的决策支持。

引言：能源系统的去碳化已成为全球气候与能源政策的核心目标，促使各国政府及监管机构加快向可再生能源的转型步伐[1]。太阳能电池板作为最主要的可再生能源技术，不仅能够实现分散式能源生产，还能灵活调节供需平衡。将其纳入现有电力供应体系，是构建可持续、具有韧性的能源系统的关键，有助于减少对化石燃料的依赖。能源转型不仅是技术层面的变革，还涉及社会与政治层面的调整，欧盟的《清洁能源计划》为此提供了框架，该计划强调公民与当地社区在建立能源社区中的作用。这类社区让居民既能作为消费者，又能作为生产者，从而提升本地抵御风险的能力、提高效率，并为减少排放做出贡献。在太阳能资源丰富的地区，基于社区的太阳能光伏项目能够带来显著的环境与经济效益。然而，目前的所有权限制、电网连接等方面的监管障碍仍需解决，才能推动能源社区的普及发展。与此同时，能源供应问题也日益突出，国际争端、城市规划难题、成本上升以及温室气体排放等问题都带来了社会经济上的不确定性。在欧洲，建筑占能源消耗总量的39%，碳排放量的36%[2]，因此亟需对其进行改革。此外，《面向所有欧洲人的清洁能源计划》[3]，尤其是电力市场与可再生能源相关指令，为可再生能源社区及公民能源社区提供了法律基础，使其成为推动欧洲能源转型的关键力量。

尽管“能源社区”这一概念出现时间较短，但相关学术研究已相当丰富。这些研究为了解能源社区的组织结构、管理方式及其面临挑战提供了重要视角。Jia等人[4]指出，城市中的屋顶光伏系统能够产生清洁能源、减少碳排放，同时为城市降温，还能降低土地使用冲突，同时强调了需要进行针对具体地点的评估。Reker等人[5]则认为，垂直双面光伏系统，尤其是东西向安装的系统，可作为传统光伏系统的补充，能够转移发电高峰时段、降低对化石能源的依赖，并减少储能需求。将其与农业光伏结合使用，还可以实现土地的多元化利用而不影响农业生产。这两项研究都强调了光伏系统在提升系统灵活性、可持续性以及通过创新部署策略支持国家能源转型方面的关键作用。Askeland等人[6]发现，能源社区能够降低电网的峰值负荷及系统成本，这需要配电系统运营商积极介入，并借助市场机制来应对拥堵问题，确保系统的灵活性。Henning Taxt等人[7]则提出了有序的发展路径，认为通过有效的模式能够提升系统的灵活性、促进可再生能源的广泛应用以及增强各方的参与度。他们认为，逐步推进监管与技术革新对于构建具有韧性、高效且包容的能源系统至关重要。这两项研究都强调了参与式框架以及配电系统运营商在推动可持续能源社区发展中的重要作用。Rego等人[8]提出了一种无需货币交换、基于点对点共享的可再生能源社区模型，这种模式能够提升自给能力、减少排放，且比个人自行使用光伏系统更具经济效益。Barone等人[9]则发现，将点对点共享与车辆集群策略相结合，能够进一步提升可再生能源的整合程度、稳定电网，并使电力需求更加平稳。这两项研究都强调了分散式能源社区通过创新的共享与管理方式，在推动可持续发展、公平性以及系统灵活性方面的巨大潜力。Chen等人[10]比较了不同的能源共享规则、电价机制以及供应商关系，同时指出了在消费者保护及公平激励方面存在的挑战。Dioba等人[11]则指出了全欧范围内存在的各种障碍，包括复杂的监管体系、不明确的政策框架、资金短缺以及社会层面的不信任情绪。这些研究都强调了需要简化监管流程、加强消费者保护、提供资金支持以及开展宣传工作，从而促进更广泛的参与，确保能源社区保持透明、公平且与电网相兼容。总体而言，它们都指出，明确的法律法规以及配套的政策支持是推动可持续能源社区发展的关键。Gasca等人[12]发现，能源社区的表现更多取决于消费者与生产者的比例以及成员的多样性，而非社区规模，合理的资产投资能够带来效率提升与成本节约。Mehta和Tiefenbeck[13]则证实，社区规模对性能影响较小，而消费者与生产者的比例以及光伏系统的容量则对社区的盈利能力和自给能力有着重要影响。这些研究都指出，过度投资或激励机制不合理都可能降低社区的整体效益，因此需要精心规划，以在经济效益、社区目标以及电网稳定性之间取得平衡，从而实现可持续的能源社区发展。Letmathe和Weidinger[14]发现，具备光伏发电与电池储能功能的能源社区，通过参与日前市场与平衡市场，能够实现经济上的可行性，而集体组织以及消费者与生产者的积极参与则能够进一步提升社区的韧性及可持续性。Rigo-Mariani和Ahmed[15]提出了一种分散式管理策略，该策略结合了日前调度与实时调整，通过协调控制供暖、通风与空调系统以及分布式资源，能够提升效率与系统的韧性。虽然这种方式可能会增加个人的成本，但通过基于边际贡献的收入分配方式，能够确保公平性。这两项研究都强调了市场参与以及分散式协调是实现可持续且盈利的能源社区的关键。与之类似，Manso-Burgos等人[16]通过三种电气化场景下的敏感性分析表明，电气化程度以及所选择的灵活技术是决定能源社区盈利能力的主要因素，动态的能源共享系数相比静态系数表现更好，平均能使社区的内部收益率提升2.3%，而在没有电动汽车的场景下，这一提升幅度可达3%至4%。Imset等人[17]同样通过对一个配备有光伏系统、蓄电池储能系统以及电动汽车的挪威社区进行实物期权估值分析，发现参与平衡市场对于项目的投资可行性至关重要——若不参与，该项目的净现值将为负数。值得注意的是，这两项研究都假设相关社区已经投入运行，且均未探讨如何判断是否应该首先建立这样的社区。Yu等人[18]提出了FLEX这一开源Python框架，该框架将家庭行为、能源系统运行以及社区互动相互关联起来，它能够在保证精确度的同时兼顾计算效率，有助于对不同类型的家庭进行建模，实现智能能源管理以及点对点交易，为政策制定与监管工作提供参考。尽管FLEX依赖于高质量的低层数据，但它为评估能源社区在实现碳中和转型过程中的作用及其在更广泛电力系统中的整合方式提供了坚实的基础，体现了其在可持续能源规划与决策制定中的价值。Bianchini、Casini和Gholami[19]发现，具备电池储能功能的可再生能源社区，若能与需求响应计划相结合，就能够获得经济利益。他们提出的三步优化框架既能够保障参与者的利润，实现公平的收益分配，同时还能保持系统的可扩展性与高效率。Casalicchio等人[20]则提出了一种集成电力、供暖、制冷、热水供应以及交通领域的仿真框架，研究表明，通过行业间的协同以及能源共享，能够提升效率、降低成本，并增强系统的可持续性。他们强调了规模经济、公平的收益分配以及灵活的系统配置对于建立可行的能源社区的重要性。Ko?njek等人[21]证明，通过系统建模，可以将工业领域的余热用于区域供热，从而减少对化石燃料的依赖，助力实现气候目标。他们所采用的基于数字孪生技术以及行业间协同的框架，能够提升效率、促进合作，并提高项目的可行性，为可持续的本地能源规划以及更广泛的去碳化进程提供了可推广的路径。Ahmed和M?gurean[22]强调，通过清晰的监管机制以及参与式的治理方式，可再生能源社区能够成为实现去碳化与促进公平的重要工具。Alonso Pedrero等人[23]提出了嵌套沙普利值方法，用于在联合投资项目中公平分配收益，从而鼓励各方采取集体行动并获得社会认可。Hussein和Musilek[24]则引入了一种基于长短期记忆网络以及动态分配机制的预测方法，旨在确保社区储能系统的公平性，进而提升各方的协作能力与系统的韧性。总体而言，这些研究都强调了公平的收益分配、公平的能源共享机制以及包容性的治理模式，是实现可持续且公正的能源社区的关键要素。Shi等人[25]指出，农村能源社区是实现可持续转型的重要力量，它们能够将可再生能源与农业发展相结合，其发展离不开创新、有效的监管以及公众的积极参与，不过在融资以及文化接受度方面仍面临诸多挑战。Tostado-Véliz等人[26]提出了一种用于屋顶光伏系统规划的优化框架，该框架能够考虑需求与发电方面的不确定性，研究表明，光伏系统与电池储能系统能够提升效率、增强自给能力，并减少对电网的依赖。这两项研究都强调了采用灵活、包容且得到政策支持的策略，对于构建具有韧性、经济上可行且可持续的能源社区至关重要，这样的社区能够提升长期的能源安全水平，并为更广泛的去碳化目标奠定基础。Knayer和Kryvinska[27]认为，智能电表对于能源转型具有重要意义，但目前的相关研究主要聚焦于家庭用户，忽视了企业以及社会公众的接受度问题。他们呼吁让更多利益相关方参与到相关工作中，并通过更清晰的方式传达收益信息，以提升这些技术的普及率。Ehtsham等人[28]提出了一种基于机器学习的光伏发电预测框架，该框架能够整合天气数据与PVGIS数据，他们的混合模型即使在数据有限的条件下也能给出可靠的预测结果，为光伏相关机构提供了实用且具有成本效益的解决方案。这些研究都强调了智能技术以及精准的预测功能，是推动构建可持续、高效能源系统的重要手段。Fouladvand[29]在对应用于社区能源系统的基于代理的建模方法进行系统综述后指出，现有文献主要关注已经建立起来的能源社区的运行情况，而仅有一项研究专门探讨了社区建立的初始阶段，即是否应该建立社区这一决策问题，因此，目前现有的模型大多缺乏用于评估是否应该建立社区的相关工具。由此可见，现有学术文献涵盖了与能源社区相关的众多主题，重点集中在已建成社区的运行、优化、市场设计以及财务评估等方面，但对于能源社区建立之初的各个环节，以及与初步计算与评估相关的活动，相关研究明显不足。虽然已有大量研究探讨了已建成能源社区的运营优化、治理结构以及市场参与机制，而且这类社区的技术与经济可行性也已经被广泛建模分析，但这些研究大多针对的是假设性的或已经形成的社区；而对于社区形成之前的最初阶段，即潜在参与者需要首先决定是否要建立社区这一阶段，目前的研究几乎无人涉足，此时，参与者需要依靠易于理解的初步评估结果——包括能耗分析、光伏系统规模测算以及经济预评估——来做出决策。近期对该领域的系统综述也证实了这一现象。Fouladvand [29]将社区能源系统的建立与运行分为四个阶段——启动阶段、可行性分析阶段、采购与建设阶段以及安装阶段。他发现，尽管后续的可行性分析和安装阶段在相关研究中被较多探讨，但最初的启动阶段，即决定是否建立社区的决策，仅有少数研究涉及，而采购与建设阶段则几乎未被研究。Ahmed和M?gurean [22]同样将社区建立过程视为三阶段，并指出只有当社区开始运作后才能对其性能进行评估，而非在决定是否建立的阶段。Aruta等人[2]从建模角度也得出了相同结论，他们指出尽管存在大量社区优化算法，但现有文献仍缺乏一种全面的方法来帮助潜在参与者构思并开展能源社区的可行性分析。这一空白正是本文要解决的问题。本文提出并评估了一种新的框架，该框架运用先进的计算工具，尤其是SolarPlanner和PVGIS，来支持这一启动阶段。此处所说的“先进工具”指的是那些能够超越简单电子表格计算功能的专用软件平台，它们具备自动优化功能、可整合特定地点的太阳辐射数据、确保与法律框架兼容，还能进行详细的投资分析。该方法在克罗地亚萨格勒布的两栋城市住宅建筑上进行了案例研究。通过填补这一研究空白，本研究为评估建立能源社区的可行性提供了一种新颖且易于使用的解决方案，同时也为向潜在参与者展示相关数据提供了更清晰的方式。最终目标是为了推动能源社区的更快发展，进而实现向更清洁、可持续的能源系统的转型。本文的主要贡献包括：-开发并应用了一种结构化的初步可行性评估框架，用于城市太阳能社区，借助先进的计算工具（SolarPlanner和PVGIS）来实现能耗分析、光伏系统规模确定以及经济性评估的自动化-对城市住宅建筑中的电力和化石气体消耗模式进行了定量分析，包括适用于不同家庭结构的标准化方法，从而更深入地了解城市能源社区的能源需求-提供了一种透明且易于理解的能源社区启动方法，以非专家也能理解的形式呈现技术和经济数据，降低了参与者进入的门槛-为进一步自动化能源社区启动流程创造了可复制的基础，有助于该方法在不同城市环境中的扩展应用。本文的结构如下：第一部分介绍研究背景，第二部分阐述所采用的方法和材料，第三部分描述应用该方法的案例研究，第四部分汇报研究结果，第五部分进行讨论，最后一部分总结研究结论。方法与材料本研究采用的方法旨在评估构成潜在能源社区的城市住宅建筑的光伏发电厂的可行性和最佳配置。该方法结合了技术分析和经济分析，以确保所提出的方案既有效又具有经济可行性。案例研究选在克罗地亚的萨格勒布，因为它是欧洲大陆具有代表性的首都，其太阳辐射潜力为3.5–5千瓦时/平方米。案例研究为了评估所提框架的实际应用性，选择了位于克罗地亚萨格勒布的两栋住宅建筑作为分析对象。这两栋建筑的屋顶朝向不同，便于在不同的安装条件下直接比较各种方法。研究分析了这些建筑的技术特点及当地的太阳资源状况，同时研究了当前的能源消耗模式，这些均为后续分析提供了依据。结果将第二部分所述的分析框架应用于第三部分介绍的兩栋案例建筑，得到了相应结果。分析过程从对当前能源需求的分析开始，经过技术系统设计，再到全面的技术经济评估，每个阶段都基于前一个阶段的定量分析结果。在适当的情况下，会同时报告两栋建筑的结果，以便在不同的屋顶条件下进行直接比较。讨论本研究表明，将先进工具融入城市居民能源社区的规划与组织中，是加速能源转型、提升经济可行性并确保环境可持续性的有效途径。通过系统分析电力和化石气体的消耗情况、优化光伏系统设计，以及利用先进工具进行技术经济可行性评估，本研究建立了一套完整的分析体系。结论本文通过提出并评估一种结构化的多步骤框架，解决了能源社区启动阶段的知识空白，该框架运用先进的计算工具——SolarPlanner和PVGIS——对城市太阳能社区进行初步可行性评估。该框架包括利用统计标准化方法分析电力和化石气体消耗情况、光伏系统设计与优化、通过净现值和内部收益率进行经济性评估，以及公平的成本分摊。作者贡献声明Stjepan Dru?inec：写作——审稿与编辑。Filip Ljubi?i?：概念设计。Dominik Franjo Dominkovi?：写作——审稿与编辑。Marko Mimica：写作——审稿与编辑。Goran Kraja?i?：写作——审稿与编辑。利益冲突声明? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。致谢本研究得到了克罗地亚科学基金会的青年研究人员职业发展计划（DOK-2023-10）的支持，该计划由欧盟的“地平线欧洲”研究与创新计划项目COMMUNITAS资助，该项目旨在加速能源社区的发展与推广，让消费者成为真正的能源市场参与者（项目编号：101096508）。对此我们表示衷心的感谢。Stjepan Dru?inec|Goran Kraja?i?|Marko Mimica|Dominik Franjo Dominkovi?|Filip Ljubi?i?克罗地亚萨格勒布大学机械工程与船舶建筑学院