Valuing urban building flexibility portfolios under carbon-constrained electricity dispatch: A Shenzhen case study
本研究评估了碳约束下的深圳建筑组合，证明虽然时间负荷转移主要降低运营成本，但净能耗降低对于缓解约束性排放预算至关重要，从而支持了为这两种灵活性服务定义不同市场定义的必要性。
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城市因电力而充满活力。每一盏办公灯、每一台空调和每一部电梯都在从电网抽取能量，创造出巨大的、不断变化的电力需求，这种需求必须在需要时被瞬间满足。几十年来，能源行业一直将建筑视为静态的消费者，假设其用电量是固定且不可改变的。然而，越来越多的研究表明，建筑实际上是灵活的资源。它们可以被引导，将其用电时间转移到一天中的不同时段，或者减少总用电量，从而像一个巨大的、隐形的电池一样帮助平衡电网。随着世界努力削减碳排放，这种灵活性变得更加至关重要。当发电受到温室气体严格限制时，移动或减少需求的能力可以成为在不增加燃料消耗的情况下维持电力供应的强大工具。挑战在于准确理解这种灵活性究竟具有多少价值，以及如何正确定义它，因为移动电力与减少电力使用在本质上是不同的。
来自香港中文大学（深圳）和深圳供电公司的研究团队，致力于在世界上最具活力的城市之一测量这一价值。他们专注于一个具体问题：我们将“转移能源使用能力”视为一种与“减少能源使用能力”不同的产品，是否会有所影响？为了回答这个问题，他们收集了深圳143栋真实建筑（涵盖办公室到酒店）的小时用电记录。研究人员并没有逐一观察每栋建筑（因为这会导致计算量过大），而是根据其使用模式将它们分为三类代表性建筑类型。这些群体构成了一个“组合”，作为整个城市灵活需求的代名词。随后，研究人员将这些数据输入到一个复杂的计算机模型中，该模型模拟了电网在严格碳限制下的运行方式。这个模型充当了该地区电力系统的“数字孪生”，通过计算在保持在设定的碳排放预算内，实现发电和进口电力最有效率的方式。
研究揭示了这些建筑帮助电网的两种截然不同的方式，且两者之间的差异非常显著。第一种帮助是“转移”。想象一下，一栋建筑在一天中最热的时候大量运行空调，但可以在傍晚时分再进行这项操作，而不影响人们的舒适度。这是一种“能量中性”的转移——建筑使用的总电量完全相同，只是时间不同。研究人员发现，这种类型的转移对于降低电力系统运行成本非常有益。通过将需求从昂贵的用电高峰期移走，系统节省了燃料和运营成本。在他们的模拟中，当允许城市的大部分建筑转移其用电量时，系统在一周内节省了近40万人民币。至关重要的是，这种节省并没有改变总体的碳排放量，因为电力只是在不同的时间被使用了。
第二种帮助是“减少”。这是指建筑实际使用的电量比平时更少，例如关闭部分灯光或稍微调高空调温度。这一行为与前者的不同之处在于，它在物理上从电网中移除了能量。研究人员发现，当电力系统面临严格的碳预算时，这种“减少”会变得极其珍贵。在他们的模型中，研究人员设定了一个严格的碳排放限制，迫使系统寻找以更低污染运行的方法。在没有这个限制时，建筑仅在用电成本较低时才减少用电，节省了约1,480兆瓦时。但当碳预算收紧时，系统要求更多的减量以符合法律限制。建筑通过进一步削减了803兆瓦时，使总减量达到了2,200兆瓦时以上。这种额外的减少使得系统能够避免燃烧昂贵的高碳燃料，从而降低了碳约束本身的整体成本。
研究还测试了这种简化的“三个建筑组”模型与追踪全部143栋建筑个体的模型相比表现如何。结果非常接近。简化模型预测的总系统成本和节省额度的误差小于百分之一。这表明，出于衡量这些服务价值的目的，通过通用行为对建筑进行分组是一种可靠且高效的方法。然而，研究人员指出，灵活性的具体价值在很大程度上取决于产品的定义方式。转移有助于电网管理其日常成本，而减少则有助于其实现长期环境目标。如果一个城市试图将这些服务作为一种单一的、混合的产品来销售，可能会忽略掉每种服务所提供的特定效益。
最终，这项工作为城市如何实现建筑灵活性变现提供了清晰的路线图。它表明，转移和减少并非同一回事，应当在能源市场中作为独立的产品对待。转移是实现经济效率的工具，用于平滑用电的每日峰谷；而减少则是实现环境合规的工具，在电网面临压力时直接降低碳足迹。通过区分这两者，电网运营商和建筑所有者可以更好地理解其行为的真实价值。在一个碳限制日益严格的世界里，了解你是应该“移动”还是“削减”用电，可能决定了电网是走向成本高昂、高碳排放，还是走向清洁、高效。基于深圳真实数据的研究模拟证明，这种灵活性不仅仅是一个理论构想，而是一种可以同时节省资金并保护环境的切实资产。
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