基于智能体方法的城市区域可再生能源社区推广

《Sustainable Cities and Society》：An Agent-Based Approach for the Adoption of Renewable Energy Communities in Urban Districts

　　

**摘要**

能源转型正在推动能源生产的去中心化配置，例如可再生能源社区（RECs），其中产消者通过聚合来最大化集体自消费和当地利益。然而，其采纳动态仍缺乏深入研究，尤其是在入会决策中技术、经济和社会驱动因素的共同作用。本研究开发了一个结合城市建筑能源模拟输出的基于代理的模型（ABM），以模拟混合用途城区在20年间的RECs采纳过程。决策机制基于多标准、两层加权效用函数，综合考虑财务、环境和社会维度，并比较了三种能源市场机制——虚拟能源共享（VES）、点对点交易（P2P）和社区净计量（CNM）——每种机制将每个住户和非住宅建筑视为一个代理。在每一个月的模拟步骤中，代理首先评估光伏发电投资的可行性，若可行，则在保持独立产消者身份或以概率方式加入RECs之间做出选择，三种政策机制分别为虚拟能源共享（VES）、点对点交易（P2P）和社区净计量（CNM）。结果表明，三种机制产生了相似的入会轨迹，峰值采纳出现在第4至8年之间，但导致了已安装光伏容量、本地自消费和收益生成方面的不同结果。CNM通过虚拟信用实现了668 MWh/y的最大化本地自消费，但不产生共享收益，且长期效用评分呈下降趋势；VES实现了最高的累计光伏容量，达到726 kWp，并获得超过28 kEUR/y的稳定收益；P2P由于与内部动态定价相关的价格波动，可能阻止大面积屋顶成员的加入，仅安装了535 kWp的光伏系统。该框架使得探索政策设计如何塑造RECs在现实世界中的扩散成为可能，从而突出了在能源转型背景下经济、技术和社会行为之间的相互关联。

**引言**

在能源转型的早期阶段，关注重点主要放在产消者身上，即能够自行生产并消费可再生能源的个体，通常通过屋顶光伏（PV）系统实现（Gr?ani?等人，2022）。近期，研究焦点已转向集体自消费者和能源社区配置，即多个产消者和消费者合作以在本地共享能源（Mehta和Tiefenbeck，2022）。这种集体方式在不同用户之间平衡供需，并支持超越财务收益的更广泛社会和环境目标，从个体可再生能源自消费演变为协作式能源管理（Iazzolino等人，2022）。2018/2001号可再生能源指令（Renewable Energy Directive n. 2018/2001）修订后（European Commission，2023），对可再生能源社区（RECs）的研究尤为重要。

从城市可持续发展的角度来看，RECs可以通过增加本地可再生能源自消费来促进碳排放的减少，同时通过分布式能源发电提高能源韧性（Koirala等人，2016）。鉴于RECs的部署取决于家庭和建筑如何响应经济激励、社会影响和本地能源条件，理解行为模式有助于评估能源技术的采纳动态（Huo等人，2025）。因此，当经验数据有限时，如在社区层面项目中，仿真模型在能源政策领域被广泛使用以模拟可能的扩散趋势。用户投资可再生能源的决策过程涉及多种异质因素，而基于代理的模型（ABMs）为此提供了一个合适的框架。承认个体决策背后的利益、动机和情境驱动因素的多样性，通过使政策设计更贴近实际行为模式和偏好，从而减少转型路径中的不确定性（Fouladvand，2024）。事实上，ABMs在能源转型动态中的应用已被证明具有重要价值，其通过改进决策制定、处理跨学科问题以及促进用户参与建模来发挥作用（Hansen等人，2019）。ABM将系统描述为一组被称为代理的自主决策实体，每个代理具有个体偏好、行为规则，在社交网络中进行通信并相互交互（Ringler等人，2016）。用户、他们与同伴及环境的互动在很大程度上影响技术的扩散和接受程度。基于先前的研究（Goedkoop等人，2022），社会纽带在社区能源倡议中成员的参与方面起着重要作用，这超越了个体的环境动机。为技术扩散设计ABM的关键方面包括技术特性、代理偏好的多样性、感知的演变、社交网络扩散以及供给侧动态，这些都发生在代理活动的空间和政策环境中（Moglia等人，2017）。然而，由于影响政策进程、社会动态和个体行为的情境因素复杂性，社会-技术转型仍然是一个具有挑战性的科学问题。

目前预测光伏采纳的方法大致分为两大类（Alderete Peralta等人，2022）：基于代理的建模和空间回归分析。ABM通过代理的社会互动和基于方程的决策来刻画个体是否采纳某项技术的决策过程。另一种方法是空间回归和/或逻辑回归方法，它们捕捉不同因素对采纳过程的驱动效应，同时考虑变量之间相关的空间——在适用情况下也包括时间——采纳模式。

在能效技术中，光伏采纳的动态过程已被广泛使用ABM进行研究（Du等人，2022），大多数研究集中在单一配置上，而非比较多种政策或市场选项。附录A中的表A1总结了主要的ABM光伏采纳研究，包括与技术相关的建模结构（建模目标、主要假设和决策策略）以及与案例相关的特征，如个体和集体情况下的能源机制类型以及分析层次。ABM中用于处理人类行为和代理决策逻辑的通用方法是基于多标准效用函数，即各部分效用的加权总和，该总和应达到"期望水平"或固定阈值才能使代理执行某一行动。借鉴现有文献，各部分效用涵盖不同维度和参数，主要为财务和社会相关方面，旨在简化家庭对技术采纳的偏好。部分权重组件通常对照已测量的光伏采纳数据进行校准（Stavrakas等人，2019），或随机分配给代理（Sridhar等人，2024），以减少与现实数据之间的差异。权重可以统一分配给所有代理（Caprioli等人，2020），也可以根据聚类人群类别变化（Schiera等人，2019）。除基于效用的规则外，混合框架还可以将ABM与地理信息系统、机器学习或其他空间显式方法相结合，以更好地反映采纳和约束条件的空间分布（Lee和Hong，2019）。关于通信和影响，代理在其社交网络中进行互动，通常通过选择邻近代理或固定随机链接数量来实现。一种更复杂的替代方案是使用小世界理论（Watts和Strogatz，1998）来定义社交网络并生成意见，同时考虑其动态和时间演变。

先前的研究在空间分辨率方面对光伏扩散进行了调查，范围从单个建筑（Lee和Hong，2019）到更为常见的单个家庭（Lovati等人，2021）（Attiya等人，2026）。代理通常仅限于住在独栋建筑中的家庭，因为在出租公寓或多户住宅中安装可再生能源技术会受到额外的法律或物理约束（Akhatova等人，2022）。相比之下，混合用途城区和非住宅代理很少被纳入案例研究中（Akhatova等人，2022）。因此，大多数现有的ABM研究已在同质性住宅环境中考察光伏采纳，或者仅比较了有限的监管市场机制，使得混合用途城市环境与社区层面政策方案的联合作用仍未得到充分探索。关于光伏采纳的ABMs主要考虑传统产消者市场模式，如上网电价（Pearce和Slade，2018）和净计量（Stavrakas等人，2019），并假设不同的国家框架（Adepetu等人，2018），而非社区层面方案及其对单一用户的影响。尽管近期ABM研究已涉及光伏采纳和社区太阳能的建模，但代理类型和政策实施的多样性仍然有限。ABMs被用于估算城市公寓建筑中通过社区太阳能实现的可再生能源采纳（Schiera等人，2019），在区域尺度上考虑不同距离设置来研究社区太阳能（Nu?ez-Jimenez等人，2023），在区域尺度上由零能耗社区中的家庭在社区太阳能和太阳能优先电价之间做出选择（Mittal等人，2019），以及热能社区能源安全场景下的不同补贴和福利类型（Fouladvand等人，2022）。社区太阳能项目在评估城市社区时仅考虑了住宅用户（Mittal等人，2019），其中消费者入会与三种选项进行比较：安装屋顶光伏、参与社区项目或加入绿色定价计划。效用函数受财务因素（净现值和能源所有权）和态度因素的影响，其中代理间的社会互动是可再生能源扩散的关键驱动因素。结果表明，采用较低溢价价格且经常举办社区活动的社区太阳能项目可以显著增加可再生能源的采纳比例和社区电力消费中由可再生能源满足的比例。针对多户住宅的研究中，Schiera等人（2019）开发了一种整合地理信息系统（GIS）的ABM模型，综合考虑了社会、技术、环境和经济方面。结果表明，监管框架（即内部电力市场的规则）如何影响采纳模式。通过从一对一配置——由于可行性和社会经济方面未能发挥全部潜力——切换到允许家庭间共享能源的一对多配置，已安装容量增加了80%。此外，将所有住户自行生产的太阳能电力在公寓楼所有居民之间共享，使得大多数建筑的自消费率超过50%，自给率超过20%。

Nu?ez-Jimenez等人（2023）基于距离标准评估了不同的社区政策情景，即"无社区太阳能"、"相邻建筑参与社区太阳能"和"100米半径内建筑参与社区太阳能"。该研究表明，与不允许社区太阳能相比，社区太阳能使城市中的光伏采纳增加了超过20%，并将投资补贴成本减少了约5%。光伏采纳增加的驱动因素包括更强的社会影响（同伴效应、邻里劝说）、由于规模经济更大且社区光伏安装自消费率更高而带来的光伏盈利能力感知提升。允许100米半径内建筑参与社区光伏安装的更灵活政策使社区能够随着时间推移而发展，通过加入具有互补电力需求和太阳能发电特征的新成员，从而实现比限制性政策更高的光伏采纳率。

尽管在太阳能技术的社区层面项目方面取得了初步进展，但基于ABM的技术采纳文献中仍存在两个主要缺口：一是不同社区层面能源机制的整合，二是包含住宅和非住宅参与者的混合用途区域的研究。首先，ABM研究很少在同一建模框架内考虑多种社区层面能源市场机制。然而，能源市场机制（EMMs）在时间结构、收益分配规则和投资逻辑方面差异显著，这可以直接影响光伏系统的采纳动态和项目的长期可行性（Vecchi等人，2025）。大多数ABM关注个体层面的机制——如上网电价或净计量——而未明确将其与社区层面方案进行比较。城市地区光伏部署的限制往往与现行法规有关，比较分析突显了其潜力与局限（Vargas-Salgado等人，2022）。理解这些政策差异如何塑造个体和集体决策的研究仍然有限。其次，尽管混合用途城区包含具有不同需求特征、投资能力和能源共享贡献潜力的非住宅建筑，大多数研究仍仅关注住宅参与者。这是一个重大局限，因为非住宅行为者（如商业建筑和办公楼）呈现出与家庭明显不同且往往互补的负荷曲线。混合用途聚合有可能加速可再生能源技术的扩散、提高自消费率并增加能源共享的经济收益（Viti等人，2020）。因此，排除这些建筑功能可能导致对能源社区动态的不完整表征，以及在所应用能源市场机制下能源和经济收益最大化方面的不足。

# 论文核心内容总结

## 研究主题

本研究通过**基于代理的模型（ABM）**与**城市建筑能源建模（UBEM）**相结合的方法，探讨可再生能源社区（REC）在混合用途城市街区中的采纳动态，时间跨度为20年。

## 研究方法框架

### 模型架构
| 模块 | 功能 |
|------|------|
| **UBEM** | 在建筑层面估算能源需求、PV发电、自消费、盈余及经济指标 |
| **ABM** | 模拟居民与非居民代理在不同政策与市场条件下的采纳决策 |

### 多准则效用函数
效用函数基于REC政策维度设计，包含三个分效用：
1. **经济效用**（财务维度）
2. **环境效用**（环境维度）
3. **社会影响效用**（社会维度）

权重通过**双层流程**确定：
- 第一层：反映个体社会人口特征的代理级别局部权重（收入、教育、能源支出）
- 第二层：基于区域PV采纳数据校准的全局权重

### 三种能源市场机制比较
1. **虚拟能源共享（Virtual Energy Sharing）**
2. **点对点交易+内部动态定价（Peer-to-Peer with Internal Dynamic Pricing）**
3. **社区净计量（Community Net Metering）**

## 案例研究

**地点：** 意大利南部普利亚大区巴里市混合用途街区

**初始设置：**
- 334个代理（327个家庭 + 7个非住宅建筑）
- 总电力需求：1,571 MWh/年
- 可安装屋顶面积：5,051 m2
- 装机容量：935 kWp
- 第1年发电量：1,303 MWh

## 核心贡献

1. **量化碳排放减少效果** — 通过增加本地PV发电和集体自消费降低碳排放
2. **评估能源韧性** — 分散式发电和本地能源共享减少对外部供电的依赖
3. **分析公平性** — 考察不同收入、教育、能源支出和社交网络特征的代理群体中REC参与的集中度与公平性
4. **决策支持工具** — 为城市规划者、市政当局和REC推动者提供政策比较和治理方案选择支持

## 作者信息

| 作者 | 单位 |
|------|------|
| Francesca Vecchi | 巴里理工大学 建筑、建筑与设计系 |
| Simona Semeraro | 同上 |
| Roberto Stasi | 同上 |
| Umberto Berardi | 同上 |

**资助项目：** PRIN-HERA 项目、PRIN PNRR 2022 NETPLUS 项目

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如需对论文中某个具体部分（如效用函数设计、权重校准方法、政策场景设定等）进行深入解读，请告诉我。