[论文解读] Impact of climate change on the cost-optimal mix of decentralised heat pump and gas boiler technologies in Europe

Smail Kozarcanin, Richard Hanna+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Climate Change Policy and Economics参考文献 10被引用 4

一句话总结

本研究通过使用高分辨率气候数据（CMIP5 和 EURO-CORDEX）生成的度日数（HDD）建模空间供暖需求，评估了气候变化如何改变欧洲各地分散式热泵与燃气锅炉的经济最优组合。研究发现，在低至极端变暖情景下，气温上升使空间供暖需求减少16%–42%，显著提升了热泵的经济可行性，尤其是在西欧和南欧地区；而在更冷的东欧地区，燃气锅炉仍为最优选择。

ABSTRACT

Residential demands for space heating and hot water account for 31% of the total European energy demand. Space heating is highly dependent on ambient conditions and susceptible to climate change. We adopt a techno-economic standpoint and assess the impact of climate change on decentralised heating demand and the cost-optimal mix of heat pump and gas boiler technologies. Temperature data with high spatial resolution from nine climate models implementing three Representative Concentration Pathways from IPCC are used to estimate climate induced changes in the European demand side for heating. The demand side is modelled by the proxy of heating-degree days. The supply side is modelled by using a screening curve approach to the economics of heat generation. We find that space heating demand decreases by about 16%, 24% and 42% in low, intermediate and extreme global warming scenarios. When considering historic weather data, we find a heterogeneous mix of technologies are cost-optimal, depending on the heating load factor (number of full-load hours per year). Increasing ambient temperatures toward the end-century improve the economic performance of heat pumps in all concentration pathways. Cost optimal technologies broadly correspond to heat markets and policies in Europe, with some exceptions

研究动机与目标

• 评估21世纪气候变化对欧洲各地分散式热泵与燃气锅炉经济最优组合的影响。
• 评估区域气候变异性与长期气温趋势对供暖系统经济性的影响。
• 检验经济最优技术与欧洲现有国家供暖政策之间的契合度。
• 识别在技术部署方面可能需要政策干预以实现经济最优与脱碳目标一致的区域。
• 利用高分辨率气候数据，量化不同气候情景下供暖需求与二氧化碳排放的变化。

提出的方法

• 基于三种代表性浓度路径（RCPs）下九个CMIP5与EURO-CORDEX气候模型的高分辨率（0.11° × 0.11°）逐日气温数据。
• 将供暖度日数（HDD）作为空间供暖需求的代理指标，HDD定义为每日温度低于15°C阈值的累计偏差。
• 采用筛选曲线法，基于年热负荷系数（满负荷运行小时数）建模热泵与燃气锅炉技术的经济最优选择。
• 在网格单元级别（144 km²）构建成本最小化框架，整合各技术特定的成本（安装、燃料、维护、运行）与效率（热泵的COP，锅炉的效率）。
• 评估未来气候情景下与历史时期（1970–1990）相比，总住宅供暖需求与二氧化碳排放的变化。
• 在历史与本世纪末气候条件下，绘制欧洲各地经济最优技术的分布图，假设各国技术存量保持不变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同变暖情景下，气候变化如何影响欧洲分散式热泵与燃气锅炉的经济最优组合？
• RQ2 区域气候差异在多大程度上影响热泵与燃气锅炉技术的经济表现？
• RQ3 由于气温升高导致的供暖需求变化，对住宅供暖部门的二氧化碳排放有何影响？
• RQ4 当前国家供暖政策与未来气候条件下经济最优技术组合的契合度如何？
• RQ5 在哪些地区存在经济最优技术选择与实际政策驱动部署之间的不匹配？

主要发现

• 在低变暖情景（RCP 2.6）下，欧洲空间供暖需求预计下降16%；在中等变暖情景（RCP 4.5）下下降24%；在极端变暖情景（RCP 8.5）下下降42%。
• 在所有气候变化情景下，热泵的经济表现显著改善，其经济最优部署范围扩大，尤其在西欧和南欧地区更为明显。
• 在波兰等更冷的东欧地区，燃气锅炉仍为经济最优选择，且可能作为煤炉供暖的低碳替代方案。
• 尽管气候传统温暖，地源热泵在南地中海国家被识别为经济最优技术，表明其具有更广泛部署的潜力。
• 尽管在许多地区热泵具有成本优势，但奥地利、瑞士、法国和德国等国的市场渗透率仍较低，表明需要有针对性的政策支持。
• 本研究揭示了经济最优技术选择与当前国家政策之间存在不匹配，尤其在西欧地区，政策支持尚未充分与经济潜力对齐。