伊朗住宅能源可持续性中的屋顶光伏（PV）与生态高效沸石砖：基于政策制定者视角的LEAP–MCDA框架

《Energy Conversion and Management-X》：Rooftop PV and eco-efficient zeolite bricks for residential energy sustainability in Iran: a LEAP–MCDA framework informed by policy makers’ perspectives

　　

为实现能源可持续性，伊朗需要扩大可再生能源应用并提升需求侧能源效率。本研究预测2044年前伊朗住宅电力需求，并评估屋顶光伏（PV）系统与生态高效天然沸石砖（NZB）的叠加效应。研究人员采用基于1991–2021年历史数据训练的深度学习（DL）模型，对国内生产总值（GDP）、人口及电力消费进行长期需求预测。继而，通过能源系统框架量化不同政策情景下的电网损耗、燃料使用及CO₂排放。为增强现实相关性，多准则决策分析（MCDA）权重由伊朗能源政策制定者的观点确定。研究从可行性–成本（国家加权）与减排（巴黎式加权）两种视角对情景进行排序。在国家加权下，NZB与1%屋顶PV渗透率组合获得最高评分（0.756），反映对实用性与成本效益的重视；相比之下，巴黎式加权更倾向于NZB与3%屋顶PV渗透率的组合（0.84），表明对脱碳的优先考量。这些结果支持了一条阶段性路径：从可实现的国内行动起步，逐步迈向更具雄心的减排目标。

本研究聚焦于伊朗住宅能源可持续性问题，旨在通过整合屋顶光伏发电（PV）与生态高效天然沸石砖（NZB）技术，构建一套融合长期能源规划、深度学习预测与政策制定者视角的多准则决策分析框架，为伊朗乃至发展中国家的能源转型提供科学依据。

研究背景与问题提出方面，伊朗能源系统深受国内政策导向、经济条件及地缘政治因素制约。尽管坐拥全球前列的石油与天然气储量，该国仍面临能源需求攀升、能源强度偏高及周期性电力短缺等困境。长期以来，能源补贴、基础设施局限与国际制裁等因素叠加，导致能源部门发展投资面临结构性挑战。建筑部门作为需求侧能效提升的关键领域，其能耗占全球一次能源消费的30%至40%，而住宅与商业建筑部门的温室气体排放占比显著。伊朗家庭电力消费高企，2025年夏季热浪期间电网峰值需求近达80,000 MW。与此同时，伊朗在气候变化政策方面行动有限，尚未签署《巴黎协定》，但政策制定者日益重视可再生能源部署与能效提升。现有研究多侧重于可再生能源供应侧，对建筑能效等需求侧策略关注不足；基于LEAP模型的分析亦常缺乏政策制定者参与，多依赖技术或经济假设。因此，亟需将建筑材料能效措施与分布式可再生能源纳入统一分析框架，并反映真实政策偏好。

研究人员开展的研究内容及主要结论如下。在能源需求预测方面，研究人员利用1991至2021年伊朗能源平衡表数据，采用递归神经网络（RNN）、门控循环单元（GRU）、长短期记忆网络（LSTM）及双向长短期记忆网络（Bi-LSTM）四种深度学习模型，结合粒子群优化（PSO）算法优化超参数，预测2022至2044年住宅电力消费。结果表明，Simple RNN模型预测性能最优（R2 = 0.986969 ± 0.003105，MAPE = 6.6968% ± 1.6929%），被选定作为LEAP模型输入。

在情景构建与LEAP建模方面，研究人员设定了基准情景（BAU）、屋顶PV情景（1%及3%渗透率）以及NZB情景（新建住宅应用，节能率12.5%），并进一步组合为Integrated-1（NZB + PV1%）与Integrated-3（NZB + PV3%）两种集成情景。LEAP建模关键假设包括：2024年为政策实施年，发电基准效率参考2023年能源平衡数据（蒸汽36.8%、燃气28.9%、联合循环44.8%、柴油34.3%），输配电损耗率9.35%，低PV渗透率下未显式建模配电网约束等。

在多准则决策分析方面，研究人员采用逼近理想解排序法（TOPSIS），选取节能效益、CO₂减排、投资成本、投资回收期、实施便利性及电网损耗降低六项准则。权重设定基于2010至2025年伊朗能源部门16位利益相关者的公开声明与访谈编码，形成反映国内政策偏好的Iran-policy权重（电网损耗降低0.25、投资成本0.19优先），并与均等权重及巴黎式权重（CO₂减排0.30、节能效益0.20优先）进行对比。敏感性分析采用单因素扰动法，各准则权重独立变化±20%，结果表明前四位情景排序保持稳定。

研究结果部分：能源消费预测结果——基于Simple RNN模型的预测显示，2044年伊朗住宅电力消费将达177.7 MBOE（基准情景），为后续LEAP情景分析提供基础输入。

情景模拟与排放结果——LEAP模拟表明，各节能与可再生能源情景均显著降低能源消费与排放。具体而言，PV3%情景2044年电力消费降至39.8 MBOE，天然气消费从1366.1降至544.5 MBOE；PV1%情景电力消费降至61.1 MBOE，天然气消费降至601.6 MBOE；NZB情景电力消费降至69.5 MBOE，天然气消费降至624.2 MBOE。CO₂排放方面，BAU情景达1954.8百万吨，PV3%、PV1%及NZB情景分别降至438、672.4及765百万吨。综合情景中，Integrated-1电力消费56.3 MBOE、CO₂排放586.6 MBOE当量；Integrated-3电力消费36.6 MBOE、CO₂排放398.5 MBOE当量，表现最优。各情景下原油消费保持稳定（40–60 MBOE范围），反映发电结构对天然气的持续依赖。

多准则决策分析结果——在Iran-policy权重下，Integrated-1评分最高（0.756），PV1%次之（0.733），Integrated-3位列第三（0.710），PV3%第四（0.693），NZB第五（0.667），BAU最低（0.300）。该排序反映国内政策对成本控制和电网损耗降低的重视，中等规模PV部署与NZB的组合在成本效益与电网可靠性间取得最佳平衡。在巴黎式权重下，Integrated-3跃居首位（0.842），PV3%次之（0.820），Integrated-1降至第三（0.772），凸显脱碳导向下的情景重排。均等权重下，Integrated-3仍排名第一（0.803），PV3%第二（0.781），验证结果的内在稳健性。

讨论部分：研究揭示了国内政策偏好与国际气候目标之间的张力。Iran-policy权重下Integrated-1领先，源于电网损耗降低（0.25权重）和投资成本（0.19权重）的优先级设定，这与伊朗近十年货币贬值导致的技术进口成本攀升、以及9%–10%的高输配电损耗现实相符。巴黎式权重下Integrated-3胜出，则因CO₂减排（0.30）与节能效益（0.20）的高权重设定，与国际减排承诺对接。研究人员建议采取阶段性路径：初期以Integrated-1应对国内电网效率与成本约束，逐步向Integrated-3过渡以满足全球气候目标。该框架的技术预测与政策分析融合方法，区别于既往仅聚焦技术或经济优化的LEAP研究，为发展中国家提供了可迁移的决策支持模型。

研究结论翻译：本研究提出了一个整合LEAP长期能源建模、基于人工智能（AI）预测和多准则决策分析（MCDA）的综合框架，用以评估伊朗住宅部门的可持续能源路径。通过采用优化的深度学习算法（RNN、GRU、LSTM、BiLSTM）预测至2044年的国家能源需求，研究为未来能源规划提供了可靠基线。所提出的天然沸石砖（NZB）情景显示出 substantial 潜力，可在极少投资且无需政府补贴的情况下降低12.5%的家庭电力消费。屋顶光伏情景，特别是PV3%，显著减少了天然气消费和CO₂排放，二十年内潜在降幅分别达60.1%和77.6%。将NZB与屋顶光伏相结合产生了最均衡的结果，比单一政策情景实现8.7%的额外节能。采用Iran-policy、均等和巴黎式三种权重方案的MCDA–TOPSIS评估表明，Integrated-1在优先考虑投资成本和电网损耗降低的Iran-policy权重下排名最高；而Integrated-3在强调CO₂减排和节能效益的均等及巴黎式权重下得分最高。这种差异凸显了长期能源情景的政策依赖性，揭示伊朗偏好的路径与国际脱碳努力所倡导的路径存在分歧。源自官方声明、报告和专家观点的政策衍生权重，准确模拟了伊朗的能源决策过程。本研究通过将技术建模与政策洞察相结合，提升了国家规划的相关性，这是对以往仅专注于技术或经济优化的LEAP分析的独特改进。除本国背景外，本研究还贡献了一个可迁移的决策支持模型，将人工智能预测、能源规划和政策分析联系起来。与巴黎式加权的比较证实，伊朗的综合情景能够使国内能效政策与国际减排目标保持一致。本研究呈现的是基于模型的结果，而非保证的政策解决方案。这些路径的实施取决于融资、法规和社会接受度。情景排名是依赖于政策的评估，而非绝对建议。因此，本研究引入了一个整合框架，弥合了技术建模与政策实施之间的差距，为建筑能源部门的可持续决策提供了透明工具。该方法可适用于其他寻求协调成本效益能源管理与全球气候承诺的发展中国家，从而支持向低碳能源未来转型的循证决策。