【Carbon Neutrality论文荐读】宋永华团队：考虑气候多样性的中国城市建筑灵活资源禀赋

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近日，澳门大学宋永华教授团队在Carbon Neutrality上发表了关于中国城市建筑灵活资源禀赋的研究成果。研究建立温湿度耦合的综合评估框架，系统揭示中国5大城市群15个代表城市的建筑空调灵活性特征，量化气候多样性对灵活资源禀赋的显著影响，为建筑灵活性差异化开发提供科学依据。

文章亮点

1. 创新评估方法：建立温湿度耦合的建筑灵活性综合评估框架，高效识别制约灵活性的主导因素，突破了传统评估方法仅考虑温度的局限；

2. 系统性区域研究：对中国5大城市群15个代表性城市进行深入评估，系统揭示气候多样性导致的灵活性及其可用时长差异；

3. 全国尺度量化：绘制极端高温和高温高湿场景下的全国建筑灵活资源禀赋，支撑新能源与建筑灵活资源的协同布局；

4. 差异化开发建议：针对不同区域气候影响下的建筑灵活性特征，提出差异化的建筑灵活性开发策略，为政策制定和市场设计提供科学指导。

内容简介

实现碳中和目标需要大规模发展可再生能源，但其固有的间歇性和波动性给电力系统实时供需平衡带来巨大挑战。城市建筑的电力灵活性能够为电力系统提供可观的调控能力以消纳新能源，然而建筑空调灵活性和人员舒适度高度受限于温湿度等气象条件。在中国气候多样性背景下，其灵活性潜力呈现显著的区域差异。本研究系统性地建立了温湿度耦合的综合分析模型，对中国5大城市群15个代表性城市在3种典型天气条件下的空调灵活性进行了深入分析，并评估了极端高温和高温高湿条件下全国的建筑灵活性资源禀赋。这些发现为电力系统优化可再生能源发展、充分利用建筑空调互补灵活性提供了科学依据，对推动中国构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系具有重要意义。

图文导读

随着全球气候变化的日益严峻，减少碳排放已成为各国共同面临的重大挑战。实现碳中和，不仅需要大力发展可再生能源，更需要充分挖掘和利用现有的灵活性资源来支持电力系统实时供需平衡。在众多潜在的灵活性资源中，城市建筑空调系统因其巨大的调节潜力受到了广泛关注，其运行模式的调整能在电网高峰负荷时段提供宝贵的“需求响应”能力，有效平衡电力供需，减少对传统发电机组调控的依赖。

在此背景下，充分利用城市建筑空调系统的灵活性，成为了优化能源系统运行、提高电网韧性的关键策略。若能被精准评估和有效利用，这种潜力将为中国的脱碳进程注入强大动力。然而，评估建筑空调系统的灵活性并非易事，尤其是在一个像中国这样气候条件千差万别的广阔国家，传统评估方法往往忽略了温湿度的复合影响以及地区间的气候差异。

本研究对中国五大核心城市群（京津冀、长三角、长江中游、成渝、粤港澳大湾区）的15个代表性城市进行了系统深入地分析，全面评估了这些城市建筑空调系统的灵活性潜力，并获得了一系列关键结论。

表1 研究覆盖的五大城市群及15个代表性城市

1. 温湿度基线差异——气候多样性塑造了不同的灵活性“起跑线”

建筑空调灵活性的释放会同时导致室内温湿度的上升，为了保证用户的舒适度，室内温湿度需要同时被限制在合理的范围内。因此，在评估灵活性之前，我们首先需要明确室内温湿度的基准状态。研究发现，尽管室内温度通过空调系统被控制在设定值附近，但室内湿度却呈现出显著的差异。如图1所示，北方和中部城市（如北京、石家庄）在白天时段湿度较低，而南方沿海城市（如广州、澳门）则全年维持高湿。这种昼夜和地域的湿度差异，构成了不同城市释放空调灵活性的“起跑线”。初始室内湿度越高，就越接近舒适度边界，可供调节的“腾挪空间”自然越小，这直接导致了后续灵活性潜力的显著差异。

图1 不同天气下室内昼夜平均湿度对比

2. 主导因素识别——温度与湿度，谁是真正的“短板”？

当空调功率下调以参与需求响应时，室内温湿度会同时上升。究竟是温度先触及舒适上限，还是湿度先令人感到“闷热难耐”？这决定了灵活性的“天花板”。本研究创新性地将此动态过程分为“温度敏感型”（温度是限制因素）和“湿度敏感型”（湿度是限制因素），并提出了基于临界状态的主导因素辨识方法，无需复杂迭代即可快速识别主导因素，极大提升了大规模评估的效率。

研究结果揭示了清晰的时空分异规律：

• 时间维度：白天光照强、气温高，空调制冷负荷大，除湿能力强，因此多为温度敏感型；夜晚则相反，易转为湿度敏感型。

• 天气维度：从晴天到多云再到雨天，太阳辐射减弱，温度敏感型的占比逐渐降低，湿度“短板”效应愈发凸显。

更重要的是，五大城市群展现出独特的“气候性格”：

• 京津冀：典型的温度主导区。晴天时温度敏感型占比最高，但由于夜间气温较低，其空调约有21.8%的时间处于停机状态，导致夜间灵活性几乎为零。

• 长三角：天气敏感性强。晴天以温度敏感为主，但一遇阴雨天，则迅速“变脸”，几乎完全转为湿度敏感型。

• 长江中游：天气响应模式统一。晴天时温度敏感型占比高达48.6%，且三座城市对天气的响应模式高度一致，区域共性强。

• 成渝：区域内差异巨大。受盆地复杂地形影响，重庆与成都的灵活性主导因素差异显著，体现了西部地理的复杂性。

• 粤港澳：稳定的湿度主导区。由于常年高温高湿，约84%的时间均为湿度敏感型，对天气变化的敏感度最低，灵活性特征最为稳定。

图2 不同天气下15个城市的主导因素

3. 潜力评估——灵活性“家底”几何？

明确了主导因素后，我们便可精确量化各地的灵活性潜力。如图3所示，评估结果与主导因素的分析高度吻合。总体来看，从晴天到雨天，随着温度敏感型占比下降，各城市的平均灵活性潜力也呈下降趋势。此外，灵活性也存在区域间的差异：

• 北方城市（如北京）：昼夜差异悬殊，工作时段潜力可观，但非工作时段潜力极小。

• 南方城市（如香港、澳门）：昼夜差异较小，虽然夜间绝对值不如北方白天，但依然能提供稳定的灵活性，且灵活性可用率高。

• 中部城市（如武汉）：晴天表现优异，但在阴雨天潜力下降明显。

这些发现意味着，不同区域的建筑灵活性资源具有不同的“禀赋”和“适用场景”。

图3 建筑空调的分时分区灵活性

4. 可用时长——灵活性是“昙花一现”还是“长期可用”？

对于电网而言，灵活性不仅要有“量”，更要有“时”。可利用时间越长，资源的价值和可靠性就越高。研究通过绘制“灵活性持续时间曲线”（图4），揭示了各城市资源的可利用性。

• “全天候选手”：在晴天，上海、合肥、武汉、香港和澳门等城市可提供全天候的灵活性。即使在气象条件最差的雨天，港澳依然能保持24小时的可用性，展现出极高的资源稳定性和可靠性，是构建常态化调节资源的理想选择。

• “看天吃饭型”：与之相对，石家庄在晴天时可用时长仅11小时。重庆、南昌等城市在不同天气下表现差异巨大，资源稳定性较差，在开发利用时，需谨慎评估其经济性与技术风险。

一个重要的发现是：地理邻近并不等同于灵活性相似。例如，同在长三角的上海和杭州，或同在粤港澳的广州和港澳，其灵活性可用性特征差异显著。因此，在进行区域灵活性资源规划时，切不可“一刀切”，必须精细化到城市级别。

图4 不同城市的灵活性可利用时间

5. 全国展望——极端天气下的灵活性资源“藏宝图”

为了给国家层面的能源规划提供宏观视角，研究将评估范围拓展至全国，模拟了两种对电网考验最大的极端场景，绘制出全国建筑灵活性资源禀赋图（图5）。

极端高温场景（类似全国性“烤验”）：此场景下，温度是绝对的主导因素。东部大部分地区可提供的最大灵活性容量差异不大。这表明在酷暑天气下，我国中东部地区的建筑群具备提供大规模、均质化灵活性调节能力的潜力。

高温高湿场景（类似南方“桑拿天”）：此场景下，湿度的影响凸显，区域分异特征极为明显：

• 西部地区：尽管湿度起主导作用，但由于基础温度不高，灵活性开发潜力有限。

• 中部地区：依然以温度敏感为主，是重要的灵活性资源腹地。

• 沿海地区：转为湿度敏感型主导，灵活性随离海岸线距离的增加而提高。

• 东北地区：两种场景间差异最为显著，其灵活性对天气变化的敏感度极高。

本研究首次从全国尺度清晰地描绘了灵活资源禀赋，指明了在应对极端天气、保障电网安全的背景下，应优先挖掘和投资建筑灵活性资源的区域。

图5 资源禀赋评估结果（左图为极端高温场景，右图为高温高湿场景。图中容量的绝对值表示灵活性大小，正值（红色区域）代表温度敏感型，负值（蓝色区域）代表湿度敏感型。）

总结展望

本研究首次为中国城市建筑的空调灵活性绘制了一幅考虑气候多样性的潜力图谱。通过创新的温湿度耦合评估框架，系统揭示了不同区域建筑灵活性的特征及其背后的气候驱动机制，为我国能源转型提供了切实可行的策略指引。电力系统的规划者可以利用不同区域建筑灵活性的时空互补性，平抑可再生能源的出力波动，降低对储能等高成本调节手段的依赖。同时，为激励建筑灵活资源参与需求响应，未来的电力市场和激励政策设计，必须充分考虑各区域灵活性资源的特性，全国性的“一刀切”需求响应政策是低效甚至无效的。未来的研究可向更精细的尺度、更全面的时间维度以及更多元的协同效应进行拓展。随着技术的不断进步和政策的有力支持，通过精准量化和科学调度，城市建筑灵活性将转变为实现碳中和目标的关键推动力。通过智能化、精细化的能源管理，城市将不仅是能源的消耗者，更是构建绿色、高效、安全现代能源体系的积极贡献者，共同迈向一个更智能、更可持续的未来。

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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团队负责人信息

宋永华，澳门大学校长，智慧城市物联网全国重点实验室主任，英国皇家工程学院院士，欧洲科学院外籍院士。

研究领域

主要从事电力系统分析与控制、城市能源系统优化与韧性提升的研究。

个人简介

宋永华，澳门大学校长，智慧城市物联网全国重点实验室主任，英国皇家工程学院院士，欧洲科学院外籍院士。担任中国电工技术学会第八届及第九届理事会副理事长，中国电机工程学会第九届及第十届理事会副理事长，2019年澳门特别行政区中华教育会副会长，2022年中国高等教育学会第八届理事会副会长。作为第一完成人获国家科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖、中国电力科学技术进步一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、光华工程科技奖、全国创新争先奖等。2002年至今一直被委任为澳门特别行政区政府科技委员会顾问，2023年获澳门特别行政区政府颁授教育功绩勋章，以表彰其在教育事业方面的杰出贡献。

通讯作者信息

惠红勋，澳门大学，助理教授

研究领域

主要从事城市“气象环境-能源系统-建筑集群”跨学科互动理论，“碳中和”路径规划、碳减排优化与市场机制，电网广域灵活资源安全可信通信与物联调控的研究。

个人简介

惠红勋，澳门大学智慧城市物联网全国重点实验室助理教授。2015年和2020年在浙江大学电气工程学院获得工学学士学位和博士学位，2018年至2019年期间，曾在弗吉尼亚理工大学和田纳西大学担任访问学者。是IEEE高级会员、中国电机工程学会高级会员、国际供电会议组织(CIRED)中国国家委员会技术委员会委员、中国城市科学研究会绿色建筑与节能专业委员会委员。主持国家自然科学基金、国家科技部重点研发计划子课题、澳门科学技术发展基金等国家或省部级项目7项。以第一/通信作者在IEEE等期刊上发表SCI索引期刊论文40余篇，ESI高被引论文4篇，出版学术专著3部，主要参与制定行业/团体标准4项。入选中国电机工程学会“青年人才托举工程”项目、浙江大学“学术新星培养计划”等，获国际会议iSPEC-2021最佳论文奖、2022和2023综合智慧能源大会优秀论文奖、国际会议EI2-2023最佳论文奖等。

联系方式

E-mail: hongxunhui@um.edu.mo

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

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Carbon Neutrality 是由上海交通大学与Springer Nature合作出版的低碳科学与技术、碳金融与碳管理领域的国际跨学科综合期刊。本刊旨在打造碳中和领域旗舰期刊和国际一流期刊，主要刊载低碳相关领域具有高度原创性、能够反映学科水平的高质量研究论文和评论性综述文章，为国内外从事低碳研究的专家学者提供一个专业的国际学术交流平台。

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