在不同需求和管网条件下的低温及超低温区域供热的经济可行性

《Energy》：Economic viability of low- and ultra-low-temperature district heating under varying demand and network conditions

　　摘要
区域供热系统被认为是未来可持续供热供应的关键组成部分，尤其是与热泵和可再生能源结合使用时。然而，其经济可行性在很大程度上取决于当地边界条件、需求特性和系统设计。本研究通过德国北部的一个案例研究，调查了低温区域供热（LTDH）和超低温区域供热（ULTDH）与基于热泵的分散式供热解决方案的经济性能。研究定义了三个主要情景组，并对其进行了建模和模拟，以考察以下因素的影响：（i）建筑翻新导致的热需求减少和线性热密度降低；（ii）在网络长度不变的情况下，连接热需求的同比例缩放；（iii）区域供热网络规模的扩大。系统地分析了关键影响因素，如热需求密度、系统温度水平以及高温需求的比例。结果表明，线性热密度和与温度相关的参数是集中供热系统经济可行性的主要驱动因素。在所研究的案例条件和成本假设下，LTDH在大多数分析情景中都具有经济竞争力。然而，在连接热需求密度非常低的地区，这一优势会减弱，分散式热泵解决方案变得更为有利。ULTDH的可行性受到高温需求可降低程度的限制，以及建筑侧增压热泵的成本和性能的影响。研究结果强调了协调的、逐步的规划策略的重要性，这些策略需要同时考虑建筑翻新、供热系统温度降低、网络发展和本地热源的可用性。此类综合方法对于评估低温区域供热系统的长期经济可行性至关重要。

引言
预计区域供热将在未来可持续能源系统的实施中发挥重要作用[1]。与单个公寓或建筑级别的供热解决方案相比，区域供热系统（DHS）可以为整个区域提供多种优势，例如：
- 更高的灵活性和效率，能够利用不同的热源，包括废热和可再生能源[1]、[2]；
- 由于规模经济，降低供热成本[3]；
- 由于负荷多样性，降低总峰值供热负荷[4]；
- 设计相关的热存储潜力[2]、[5]。
另一方面，DHS并不总是比分散式供热系统更具经济优势。其经济可行性取决于能否补偿热分配基础设施的投资、持续维护成本以及由热分配损失和泵送电力消耗引起的额外能源需求[6]、[7]。
一种广泛用于评估地区是否适合区域供热的常用方法是基于当地热需求密度的阈值，超过该阈值的区域供热系统可能具有经济可行性。线性热密度（LHD），定义为某一区域的年热需求与总网络沟槽长度之比，在文献中常被用作这一指标[8]、[9]。据报道，经济上可行的LHD最小值范围很广，从0.2 MWh/(m yr)到超过2.0 MWh/(m yr)不等[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。这种广泛的范围给在新项目早期规划阶段评估DHS的经济可行性带来了挑战，特别是在热需求密度较低的地区。此外，文献中报道的阈值通常基于现有DHS项目的成本数据。由于未来的DHS预计将在更低的系统温度下运行，并进行实质性设计修改[5]、[18]，因此应审慎评估从过去DHS项目中得出的阈值的适用性。
降低系统运行温度是提高DHS竞争力的关键措施。降低运行温度可以减少热传输和分配过程中的热损失[19]、[20]，增加整合可再生能源和废热的潜力，从而支持供热行业的脱碳[19]、[21]，并提高热泵（HP）等热生成技术的效率[19]。
第四代区域供热（4GDH），也称为低温区域供热（LTDH），代表了当前低温区域供热系统的最先进水平[1]。LTDH的供应和回水温度远低于传统区域供热系统。设计供应温度可以降低到大约55°C，这仍然允许通过热交换器直接向建筑物供应生活热水（DHW）。在这种情况下，区域供水的温度受到防止军团菌生长的最低温度限制。持续的建筑翻新工作以及越来越普遍的地暖系统（通常需要约45°C的供应温度）促进了超低温区域供热（ULTDH）的研究[22]。ULTDH系统的运行温度更低，区域供水温度低于50°C[5]。在这些温度下，可以直接供应空间供暖（SH）。然而，需要分散式加热装置来提升热水供应的温度。这种温度提升可以通过分散式热泵实现[20]、[23]。
向更低网络温度发展的另一个途径是第五代区域供冷（5GDHC），它结合了环境温度或接近环境温度的网络与分散式热泵，还可以整合供暖和制冷需求[24]、[25]。这样的概念可以提供额外的灵活性，但通常意味着对分配和建筑级供热的系统进行更根本的改变。对于现有区域而言，从传统区域供热向非常低或环境温度网络的过渡并不一定是瞬间完成的。在此过渡过程中，中间配置（如带有分散式温度提升的ULTDH）可能发挥重要作用，尤其是在现有建筑、发热装置和热水需求仍然存在异质性的情况下。
Best等人[26]比较了德国一个案例研究中由地源热泵和钻孔热能储存供应的ULTHD和LTDH的经济可行性。ULTHD考虑使用的分散式装置是空气源热泵。他们发现，与LTDH相比，分散式温度提升所需的额外成本被节省的热分配和集中热生成成本所抵消，这得益于ULTH情况下集中热泵的性能系数提高。
Ommen等人[23]研究了ULTDH系统中增压热泵的最佳集成方式，并比较了ULTDH与LTDH的性能。通过将ULTDH与集中热泵和分散式增压热泵结合使用，报告称参考案例的性能提高了高达12%。
Yang和Svendsen[27]从能量、熵和经济学角度分析和比较了 Medium-Temperature District Heating（MTDH）、LTDH和ULTDH网络为低热需求区域供热的性能。他们的结果表明，ULTDH和LTDH系统的分配效率都高于MTDH系统。此外，不使用辅助加热的LTDH系统实现了最高的能量和熵效率。
Vivian等人[28]从客户的角度分析了意大利一个主要为老旧建筑供热的ULTDH的经济可行性。由于这些现有建筑对空间供暖的温度要求高于区域供热供应温度，分散式增压热泵必须同时提供空间供暖和热水。作者发现，ULTDH系统的平准化热成本随着区域供热供应温度的提高而降低，表明ULTH解决方案可能更具经济优势。
Meesenburg等人[29]使用通用网络模型，比较了新开发的、主要以住宅为主的区域的ULTDH与几种ULTDH概念的技术经济可行性。他们发现，分散式单元的额外投资和固定运行维护成本对ULTDH的经济可行性产生了负面影响，而这些成本并未因较低的运行成本而得到补偿。
Lund等人[30]从社会角度比较了ULTDH与LTDH在能源系统层面的可行性。他们发现LTDH具有最低的社会经济成本，而在特定条件下，带有增压热泵变电站的ULTDH可能是可行的。
Gudmundsson等人[31]分析了一个由集中热源通过4GDH、第五代区域供热（5GDH）或带有末端用户热水温度提升的4GDH变体供热的混合建筑区域的热平准化成本（LCOH）。该研究还考察了热源温度对LCOH的影响。在考虑的案例中，只有在热源温度相对较高（45°C）且建筑能耗较高的情况下，ULTHD才能在成本上略微优于LTDH。随着建筑能效的提高，ULTH的这一优势会因热接口单元的成本增加而丧失。
Topal和Arabkoohsar[32]提出了一种创新的ULTDH系统，该系统采用三管区域供热网络（DHN）和社区规模的水源两级增压热泵来生产热水。结果表明，在热源温度为40°C的情况下，ULTDH具有显著的成本优势。在较低的热源温度（例如0–25°C）下，经济性能更多地依赖于电价。
从文献中可以得出结论，较低的区域供热供应温度并不一定意味着成本更低。尽管较低的网络温度可以减少分配热损失并提高集中热生成的效率，但这些好处可能会被分散式增压装置的额外投资和运行成本部分或完全抵消。因此，多项研究确定在许多边界条件下，LTDH是经济上更优的解决方案，而ULTHD仅在特定的热源温度、建筑温度要求、需求密度和增压装置成本组合下才具有优势。
现有的研究对低温区域供热概念的经济评估做出了重要贡献。然而，大多数研究集中在选定的设计案例或特定系统配置上。同时考虑变化的热需求、变化的用户温度要求、网络规模以及与分散式热泵供应的竞争的研究仍然有限。这一差距对于现有区域尤为重要，因为向更低网络温度的过渡是一个动态且长期的过程。预计现有建筑将在未来多年内占据主导地位[1]。诸如建筑翻新、发热装置的改造、用户行为的改变、连接率的改变以及网络基础设施的升级等变化通常需要逐步实施，可能需要数年甚至数十年[18]、[33]、[34]、[35]。在这种背景下，需要不仅仅从最终目标状态的角度，还要从逐步转型路径的角度来评估中间低温概念。LTDH和ULTH的经济可行性不仅应针对某些设计案例进行评估，还应在变化的需求、温度和网络边界条件下进行评估。这样的分析有助于评估短期和长期策略以及逐步转型策略，从而帮助确定能最大化经济和环境效益的路径。
本研究通过位于德国北部的案例研究，评估了ULTDH、LTDH和基于热泵的分散式供热解决方案的经济可行性。主要目的是确定这些供热解决方案在变化的需求、温度和网络条件下的适用应用领域和可行性边界。通过这种方式，研究旨在为未来区域供热网络的长期和逐步发展提供指导。
基于这一目标，研究了与需求、温度和网络相关的选定参数的影响。这些参数包括空间供暖（SH）和热水（DHW）需求的份额和温度要求、总热需求、线性热密度（LHD）、峰值热负荷、网络渗透率或连接率，以及区域供热网络的空间规模和总管道长度。
相应的研究问题包括：
- 这些参数如何影响LTDH、ULTDH和基于分散式热泵的供热解决方案的经济可行性和相对竞争力？
- 在变化的区域条件下，所研究的供热概念在性能和成本效益方面表现出哪些特征模式？
- 在不同的需求、温度和网络条件下，区域供热与分散式供热之间，以及LTDH与ULTDH之间的可行性边界在哪里？
所研究的变化分为三个主要情景类别。第一类是建筑翻新，在这种情况下，总热需求、LHD和峰值热负荷可能同时减少，而热水需求的重要性增加。第二类研究由于新建建筑和不确定的网络渗透率导致的连接热需求变化，使用在网络长度不变的情况下对现有负荷曲线进行同比例缩放。第三类关注网络的空间尺度，因为随着不同区域和建筑群的加入或排除，区域供热网络可能会扩大或缩小。这些类别为系统评估所研究的供热概念的可行性和应用限制提供了基础。分析采用了耦合建模方法，其中区域供热网络在动态建模实验室（Dymola）中进行模拟，而热生成系统则使用开放能源建模框架（oemof）进行优化。这种方法允许同时考虑与网络相关的因素（如热损失、泵的电力消耗以及所需的发电机端供应温度）和热生成技术的经济优化。该研究主要从区域层面出发，对热生成和分配系统进行建模、模拟和经济评估。边界条件（如天气数据、技术特性和成本假设）借鉴了以往的研究和既定数据来源，在本工作范围内未进行单独验证。

第2节介绍了应用于热生成单元和分配网络的建模框架、仿真设置和优化方法。第3节提供了案例研究的具体信息和假设。第4节展示了在需求量、温度和网络条件变化的情况下，LTDH（低温度区域供热）、ULTDH（高温度区域供热）和分散式供热系统的仿真和优化结果。第5节“讨论”和第6节“结论”对结果进行了解释和分析，讨论了主要的影响因素，并总结了主要结论和局限性。

**方法**
本研究通过系统地改变总熱需求、高溫和低溫熱需求的占比以及供热网络的空间尺度，评估了LTDH、ULTDH和分散式供热解决方案的经济可行性，并确定了它们之间的可行性界限。评估结合了区域供热网络的动态仿真与热生成系统设计和调度的优化。以下各小节分别介绍了温度的定义、案例研究区域以及所用方法。

**案例研究区域**
在“Suburban W?rmewende”（SubWW）[40]研究项目中，以德国不来梅附近的Leeste地区作为案例研究，探讨如何通过区域供热网络实现面向未来的、低碳化的郊区供热方案。该研究考察了该地区的核心区域的不同未来供热解决方案。建筑物需求数据来源于能效证书、测量数据、调查和仿真过程。

**结果**
在展示具体方案的结果之前，表7总结了所研究案例的结构。方案输入参数包括在仿真前变化的数值，如生活热水（SH）和热水供应（DHW）需求、高溫需求占比以及网络规模。基于这些假设，生成了具有不同峰值负荷、温度分配和网络相关输入数据的负载曲线，然后直接用作仿真和优化模型的输入。

**系统性能和经济可行性的关键因素**
结果表明，对于集中式LTDH和ULTDH供热方案而言，分配网络的热损失是影响整体系统效率和经济性能的主要因素。网络热损失增加了总的热需求量，并导致中央厂房需要提供更高的供水温度以补偿沿网络方向的温度下降。对于分散式解决方案，主要影响因素是建筑物的负荷系数。

**结论**
本研究从区域层面出发，分析了在不同边界条件下的LTDH、ULTDH和分散式供热解决方案的经济可行性和系统性能。通过分析三个不同的情景组，评估了建筑翻新、热需求增长、网络渗透率以及分配网络规模对系统的影响。所有情景均显示，系统可行性 starkly 取决于负载系数（LHD）、系统温度水平以及高溫需求的比例。

**作者贡献声明**
Shixin Ni：撰写-原始草稿、可视化、软件开发、方法论设计、数据整理、概念构思
Gerrid Brockmann：撰写-审阅与编辑、指导、概念构思
Martin Kriegel：指导、项目管理、资金筹措

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

**联系方式**
Shixin Ni | Gerrid Brockmann | Martin Kriegel
柏林工业大学，第三学院-过程科学系，Hermann-Rietschel研究所，Marchstr. 4, Berlin, 10587, Germany