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近日，澳門大學宋永華教授團隊在Carbon Neutrality上發(fā)表了關(guān)于中國城市建筑靈活資源稟賦的研究成果。研究建立溫濕度耦合的綜合評估框架，系統(tǒng)揭示中國5大城市群15個代表城市的建筑空調(diào)靈活性特征，量化氣候多樣性對靈活資源稟賦的顯著影響，為建筑靈活性差異化開發(fā)提供科學依據(jù)。

文章亮點

1. 創(chuàng)新評估方法：建立溫濕度耦合的建筑靈活性綜合評估框架，高效識別制約靈活性的主導因素，突破了傳統(tǒng)評估方法僅考慮溫度的局限；

2. 系統(tǒng)性區(qū)域研究：對中國5大城市群15個代表性城市進行深入評估，系統(tǒng)揭示氣候多樣性導致的靈活性及其可用時長差異；

3. 全國尺度量化：繪制極端高溫和高溫高濕場景下的全國建筑靈活資源稟賦，支撐新能源與建筑靈活資源的協(xié)同布局；

4. 差異化開發(fā)建議：針對不同區(qū)域氣候影響下的建筑靈活性特征，提出差異化的建筑靈活性開發(fā)策略，為政策制定和市場設計提供科學指導。

內(nèi)容簡介

實現(xiàn)碳中和目標需要大規(guī)模發(fā)展可再生能源，但其固有的間歇性和波動性給電力系統(tǒng)實時供需平衡帶來巨大挑戰(zhàn)。城市建筑的電力靈活性能夠為電力系統(tǒng)提供可觀的調(diào)控能力以消納新能源，然而建筑空調(diào)靈活性和人員舒適度高度受限于溫濕度等氣象條件。在中國氣候多樣性背景下，其靈活性潛力呈現(xiàn)顯著的區(qū)域差異。本研究系統(tǒng)性地建立了溫濕度耦合的綜合分析模型，對中國5大城市群15個代表性城市在3種典型天氣條件下的空調(diào)靈活性進行了深入分析，并評估了極端高溫和高溫高濕條件下全國的建筑靈活性資源稟賦。這些發(fā)現(xiàn)為電力系統(tǒng)優(yōu)化可再生能源發(fā)展、充分利用建筑空調(diào)互補靈活性提供了科學依據(jù)，對推動中國構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系具有重要意義。

圖文導讀

隨著全球氣候變化的日益嚴峻，減少碳排放已成為各國共同面臨的重大挑戰(zhàn)。實現(xiàn)碳中和，不僅需要大力發(fā)展可再生能源，更需要充分挖掘和利用現(xiàn)有的靈活性資源來支持電力系統(tǒng)實時供需平衡。在眾多潛在的靈活性資源中，城市建筑空調(diào)系統(tǒng)因其巨大的調(diào)節(jié)潛力受到了廣泛關(guān)注，其運行模式的調(diào)整能在電網(wǎng)高峰負荷時段提供寶貴的“需求響應”能力，有效平衡電力供需，減少對傳統(tǒng)發(fā)電機組調(diào)控的依賴。

在此背景下，充分利用城市建筑空調(diào)系統(tǒng)的靈活性，成為了優(yōu)化能源系統(tǒng)運行、提高電網(wǎng)韌性的關(guān)鍵策略。若能被精準評估和有效利用，這種潛力將為中國的脫碳進程注入強大動力。然而，評估建筑空調(diào)系統(tǒng)的靈活性并非易事，尤其是在一個像中國這樣氣候條件千差萬別的廣闊國家，傳統(tǒng)評估方法往往忽略了溫濕度的復合影響以及地區(qū)間的氣候差異。

本研究對中國五大核心城市群（京津冀、長三角、長江中游、成渝、粵港澳大灣區(qū)）的15個代表性城市進行了系統(tǒng)深入地分析，全面評估了這些城市建筑空調(diào)系統(tǒng)的靈活性潛力，并獲得了一系列關(guān)鍵結(jié)論。

表1 研究覆蓋的五大城市群及15個代表性城市

1. 溫濕度基線差異——氣候多樣性塑造了不同的靈活性“起跑線”

建筑空調(diào)靈活性的釋放會同時導致室內(nèi)溫濕度的上升，為了保證用戶的舒適度，室內(nèi)溫濕度需要同時被限制在合理的范圍內(nèi)。因此，在評估靈活性之前，我們首先需要明確室內(nèi)溫濕度的基準狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，盡管室內(nèi)溫度通過空調(diào)系統(tǒng)被控制在設定值附近，但室內(nèi)濕度卻呈現(xiàn)出顯著的差異。如圖1所示，北方和中部城市（如北京、石家莊）在白天時段濕度較低，而南方沿海城市（如廣州、澳門）則全年維持高濕。這種晝夜和地域的濕度差異，構(gòu)成了不同城市釋放空調(diào)靈活性的“起跑線”。初始室內(nèi)濕度越高，就越接近舒適度邊界，可供調(diào)節(jié)的“騰挪空間”自然越小，這直接導致了后續(xù)靈活性潛力的顯著差異。

圖1 不同天氣下室內(nèi)晝夜平均濕度對比

2. 主導因素識別——溫度與濕度，誰是真正的“短板”？

當空調(diào)功率下調(diào)以參與需求響應時，室內(nèi)溫濕度會同時上升。究竟是溫度先觸及舒適上限，還是濕度先令人感到“悶熱難耐”？這決定了靈活性的“天花板”。本研究創(chuàng)新性地將此動態(tài)過程分為“溫度敏感型”（溫度是限制因素）和“濕度敏感型”（濕度是限制因素），并提出了基于臨界狀態(tài)的主導因素辨識方法，無需復雜迭代即可快速識別主導因素，極大提升了大規(guī)模評估的效率。

研究結(jié)果揭示了清晰的時空分異規(guī)律：

• 時間維度：白天光照強、氣溫高，空調(diào)制冷負荷大，除濕能力強，因此多為溫度敏感型；夜晚則相反，易轉(zhuǎn)為濕度敏感型。

• 天氣維度：從晴天到多云再到雨天，太陽輻射減弱，溫度敏感型的占比逐漸降低，濕度“短板”效應愈發(fā)凸顯。

更重要的是，五大城市群展現(xiàn)出獨特的“氣候性格”：

• 京津冀：典型的溫度主導區(qū)。晴天時溫度敏感型占比最高，但由于夜間氣溫較低，其空調(diào)約有21.8%的時間處于停機狀態(tài)，導致夜間靈活性幾乎為零。

• 長三角：天氣敏感性強。晴天以溫度敏感為主，但一遇陰雨天，則迅速“變臉”，幾乎完全轉(zhuǎn)為濕度敏感型。

• 長江中游：天氣響應模式統(tǒng)一。晴天時溫度敏感型占比高達48.6%，且三座城市對天氣的響應模式高度一致，區(qū)域共性強。

• 成渝：區(qū)域內(nèi)差異巨大。受盆地復雜地形影響，重慶與成都的靈活性主導因素差異顯著，體現(xiàn)了西部地理的復雜性。

• 粵港澳：穩(wěn)定的濕度主導區(qū)。由于常年高溫高濕，約84%的時間均為濕度敏感型，對天氣變化的敏感度最低，靈活性特征最為穩(wěn)定。

圖2 不同天氣下15個城市的主導因素

3. 潛力評估——靈活性“家底”幾何？

明確了主導因素后，我們便可精確量化各地的靈活性潛力。如圖3所示，評估結(jié)果與主導因素的分析高度吻合。總體來看，從晴天到雨天，隨著溫度敏感型占比下降，各城市的平均靈活性潛力也呈下降趨勢。此外，靈活性也存在區(qū)域間的差異：

• 北方城市（如北京）：晝夜差異懸殊，工作時段潛力可觀，但非工作時段潛力極小。

• 南方城市（如香港、澳門）：晝夜差異較小，雖然夜間絕對值不如北方白天，但依然能提供穩(wěn)定的靈活性，且靈活性可用率高。

• 中部城市（如武漢）：晴天表現(xiàn)優(yōu)異，但在陰雨天潛力下降明顯。

這些發(fā)現(xiàn)意味著，不同區(qū)域的建筑靈活性資源具有不同的“稟賦”和“適用場景”。

圖3 建筑空調(diào)的分時分區(qū)靈活性

4. 可用時長——靈活性是“曇花一現(xiàn)”還是“長期可用”？

對于電網(wǎng)而言，靈活性不僅要有“量”，更要有“時”?？衫脮r間越長，資源的價值和可靠性就越高。研究通過繪制“靈活性持續(xù)時間曲線”（圖4），揭示了各城市資源的可利用性。

• “全天候選手”：在晴天，上海、合肥、武漢、香港和澳門等城市可提供全天候的靈活性。即使在氣象條件最差的雨天，港澳依然能保持24小時的可用性，展現(xiàn)出極高的資源穩(wěn)定性和可靠性，是構(gòu)建常態(tài)化調(diào)節(jié)資源的理想選擇。

• “看天吃飯型”：與之相對，石家莊在晴天時可用時長僅11小時。重慶、南昌等城市在不同天氣下表現(xiàn)差異巨大，資源穩(wěn)定性較差，在開發(fā)利用時，需謹慎評估其經(jīng)濟性與技術(shù)風險。

一個重要的發(fā)現(xiàn)是：地理鄰近并不等同于靈活性相似。例如，同在長三角的上海和杭州，或同在粵港澳的廣州和港澳，其靈活性可用性特征差異顯著。因此，在進行區(qū)域靈活性資源規(guī)劃時，切不可“一刀切”，必須精細化到城市級別。

圖4 不同城市的靈活性可利用時間

5. 全國展望——極端天氣下的靈活性資源“藏寶圖”

為了給國家層面的能源規(guī)劃提供宏觀視角，研究將評估范圍拓展至全國，模擬了兩種對電網(wǎng)考驗最大的極端場景，繪制出全國建筑靈活性資源稟賦圖（圖5）。

極端高溫場景（類似全國性“烤驗”）：此場景下，溫度是絕對的主導因素。東部大部分地區(qū)可提供的最大靈活性容量差異不大。這表明在酷暑天氣下，我國中東部地區(qū)的建筑群具備提供大規(guī)模、均質(zhì)化靈活性調(diào)節(jié)能力的潛力。

高溫高濕場景（類似南方“桑拿天”）：此場景下，濕度的影響凸顯，區(qū)域分異特征極為明顯：

• 西部地區(qū)：盡管濕度起主導作用，但由于基礎溫度不高，靈活性開發(fā)潛力有限。

• 中部地區(qū)：依然以溫度敏感為主，是重要的靈活性資源腹地。

• 沿海地區(qū)：轉(zhuǎn)為濕度敏感型主導，靈活性隨離海岸線距離的增加而提高。

• 東北地區(qū)：兩種場景間差異最為顯著，其靈活性對天氣變化的敏感度極高。

本研究首次從全國尺度清晰地描繪了靈活資源稟賦，指明了在應對極端天氣、保障電網(wǎng)安全的背景下，應優(yōu)先挖掘和投資建筑靈活性資源的區(qū)域。

圖5 資源稟賦評估結(jié)果（左圖為極端高溫場景，右圖為高溫高濕場景。圖中容量的絕對值表示靈活性大小，正值（紅色區(qū)域）代表溫度敏感型，負值（藍色區(qū)域）代表濕度敏感型。）

總結(jié)展望

本研究首次為中國城市建筑的空調(diào)靈活性繪制了一幅考慮氣候多樣性的潛力圖譜。通過創(chuàng)新的溫濕度耦合評估框架，系統(tǒng)揭示了不同區(qū)域建筑靈活性的特征及其背后的氣候驅(qū)動機制，為我國能源轉(zhuǎn)型提供了切實可行的策略指引。電力系統(tǒng)的規(guī)劃者可以利用不同區(qū)域建筑靈活性的時空互補性，平抑可再生能源的出力波動，降低對儲能等高成本調(diào)節(jié)手段的依賴。同時，為激勵建筑靈活資源參與需求響應，未來的電力市場和激勵政策設計，必須充分考慮各區(qū)域靈活性資源的特性，全國性的“一刀切”需求響應政策是低效甚至無效的。未來的研究可向更精細的尺度、更全面的時間維度以及更多元的協(xié)同效應進行拓展。隨著技術(shù)的不斷進步和政策的有力支持，通過精準量化和科學調(diào)度，城市建筑靈活性將轉(zhuǎn)變?yōu)閷崿F(xiàn)碳中和目標的關(guān)鍵推動力。通過智能化、精細化的能源管理，城市將不僅是能源的消耗者，更是構(gòu)建綠色、高效、安全現(xiàn)代能源體系的積極貢獻者，共同邁向一個更智能、更可持續(xù)的未來。

原文信息

Flexible resource endowment of urban buildings considering climate diversity in China

作者：

Taoyi Qi, Hongxun Hui*, Wei Feng & Yonghua Song

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-025-00136-9

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-025-00136-9

Cite this article：

Qi, T., Hui, H., Feng, W. et al. Flexible resource endowment of urban buildings considering climate diversity in China. Carb Neutrality 4, 22 (2025). https://doi.org/10.1007/s43979-025-00136-9

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團隊負責人信息

宋永華，澳門大學校長，智慧城市物聯(lián)網(wǎng)全國重點實驗室主任，英國皇家工程學院院士，歐洲科學院外籍院士。

研究領域

主要從事電力系統(tǒng)分析與控制、城市能源系統(tǒng)優(yōu)化與韌性提升的研究。

個人簡介

宋永華，澳門大學校長，智慧城市物聯(lián)網(wǎng)全國重點實驗室主任，英國皇家工程學院院士，歐洲科學院外籍院士。擔任中國電工技術(shù)學會第八屆及第九屆理事會副理事長，中國電機工程學會第九屆及第十屆理事會副理事長，2019年澳門特別行政區(qū)中華教育會副會長，2022年中國高等教育學會第八屆理事會副會長。作為第一完成人獲國家科技進步二等獎、教育部自然科學一等獎、中國電力科學技術(shù)進步一等獎、何梁何利基金科學與技術(shù)進步獎、光華工程科技獎、全國創(chuàng)新爭先獎等。2002年至今一直被委任為澳門特別行政區(qū)政府科技委員會顧問，2023年獲澳門特別行政區(qū)政府頒授教育功績勛章，以表彰其在教育事業(yè)方面的杰出貢獻。

通訊作者信息

惠紅勛，澳門大學，助理教授

研究領域

主要從事城市“氣象環(huán)境-能源系統(tǒng)-建筑集群”跨學科互動理論，“碳中和”路徑規(guī)劃、碳減排優(yōu)化與市場機制，電網(wǎng)廣域靈活資源安全可信通信與物聯(lián)調(diào)控的研究。

個人簡介

惠紅勛，澳門大學智慧城市物聯(lián)網(wǎng)全國重點實驗室助理教授。2015年和2020年在浙江大學電氣工程學院獲得工學學士學位和博士學位，2018年至2019年期間，曾在弗吉尼亞理工大學和田納西大學擔任訪問學者。是IEEE高級會員、中國電機工程學會高級會員、國際供電會議組織(CIRED)中國國家委員會技術(shù)委員會委員、中國城市科學研究會綠色建筑與節(jié)能專業(yè)委員會委員。主持國家自然科學基金、國家科技部重點研發(fā)計劃子課題、澳門科學技術(shù)發(fā)展基金等國家或省部級項目7項。以第一/通信作者在IEEE等期刊上發(fā)表SCI索引期刊論文40余篇，ESI高被引論文4篇，出版學術(shù)專著3部，主要參與制定行業(yè)/團體標準4項。入選中國電機工程學會“青年人才托舉工程”項目、浙江大學“學術(shù)新星培養(yǎng)計劃”等，獲國際會議iSPEC-2021最佳論文獎、2022和2023綜合智慧能源大會優(yōu)秀論文獎、國際會議EI2-2023最佳論文獎等。

聯(lián)系方式

E-mail: hongxunhui@um.edu.mo

圖文來源：原文作者

編輯：Carbon Neutrality編輯部

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