基于ARIMA模型的我國城市集中供熱分析與預測研究

程偉志 張軍 張洪征

山東睿冠電能熱力有限公司 山東 濟南 250101

隨著我國城市化進程的加速推進，城市人口不斷增加，城市建設(shè)和能源需求也呈現(xiàn)出快速增長的趨勢[1-2]。在這一背景下，城市供熱作為一項重要的公共服務(wù)，對于確保城市居民的生活質(zhì)量和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。城市集中供熱作為一種高效、環(huán)保的供熱方式，已在我國許多城市得到廣泛應用，并不斷發(fā)展壯大。

本研究旨在通過分析我國城市集中供熱能力和面積的現(xiàn)狀，運用ARIMA（自回歸綜合移動平均）模型，對未來城市集中供熱的發(fā)展趨勢進行預測。城市集中供熱的能力和面積是評估供熱系統(tǒng)運行效率和服務(wù)范圍的重要指標，對于規(guī)劃和優(yōu)化城市供熱系統(tǒng)具有重要意義[3-4]。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

本研究的數(shù)據(jù)來自于國家統(tǒng)計局公開發(fā)布的關(guān)于我國城市集中供熱的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，涵蓋了2004年至2021年全國范圍內(nèi)的蒸汽供熱能力(噸/小時)、熱水供熱能力(兆瓦)、蒸汽供熱總量(萬吉焦)、熱水供熱總量(萬吉焦)、供熱面積(億平方米)等關(guān)鍵指標。國家統(tǒng)計局作為我國官方統(tǒng)計機構(gòu)，其發(fā)布的數(shù)據(jù)具有權(quán)威性和可靠性，為本研究提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

本研究基于R語言軟件(版本號4.2.0)開展時間序列分析，構(gòu)建ARIMA（自回歸綜合移動平均）模型。ARIMA模型是一種經(jīng)典的時間序列預測方法，它結(jié)合了自回歸（AR）和移動平均（MA）的特性，能夠捕捉數(shù)據(jù)中的趨勢和季節(jié)性變化。研究分別對蒸汽供熱能力、熱水供熱能力、蒸汽供熱總量、熱水供熱總量以及供熱面積這五個指標進行ARIMA模型的擬合和預測。為了評估模型的擬合效果和預測準確性，采用一系列的統(tǒng)計指標，如均方根誤差（RMSE）、平均絕對誤差（MAE）等，對模型進行評估與驗證。通過分析ARIMA模型的結(jié)果，解釋供熱能力和面積的現(xiàn)狀、趨勢和變化規(guī)律，并對未來城市集中供熱的發(fā)展趨勢進行預測。

3 結(jié)果

3.1 2004年-2021年我國城市集中供熱情況分析

我國城市集中供熱能力和面積在過去十余年取得了顯著的增長，為城市居民提供了更為優(yōu)質(zhì)的供熱服務(wù)，特別是在熱水供熱方面取得了顯著進展。2004年-2021年期間，供熱面積也增長了近4倍，這說明我國城市集中供熱覆蓋范圍不斷擴大，更多的城市和居民受益于集中供熱服務(wù)。

表1 2004年-2021年我國城市集中供熱情況

3.2 基于ARIMA擬合的供熱相關(guān)指標預測模型參數(shù)分析

本研究使用ARIMA模型對我國城市集中供熱能力和面積的各指標進行了擬合，相關(guān)參數(shù)見下表 2。研究者綜合考慮AIC、BIC以及誤差指標，并結(jié)合殘差檢驗是否通過顯著性檢驗的結(jié)果，選出供熱各個指標最合適的預測模型。

表2 基于ARIMA擬合的供熱相關(guān)指標預測模型參數(shù)

3.3 基于ARIMA模型的未來十年供熱相關(guān)指標預測結(jié)果

本研究基于擬合的ARIMA模型參數(shù)，對我國城市集中供熱能力和面積的未來發(fā)展趨勢進行了預測。根據(jù)模型預測，蒸汽供熱能力將呈現(xiàn)逐漸減緩的趨勢，熱水供熱能力預計將持續(xù)增加，增長速度較為穩(wěn)定。從2022年到2031年，熱水供熱能力預計將從617860.35兆瓦增長至839569.53兆瓦，增幅約為35.9%。熱水供熱總量在未來預測期內(nèi)也將持續(xù)增加，從2022年到2031年，熱水供熱總量預計將從371392.71萬吉焦增長至494492.06萬吉焦，增幅約為33.1%。

表3 基于ARIMA模型的未來十年供熱相關(guān)指標預測結(jié)果

4 討論

4.1 城市集中供熱發(fā)展趨勢與可持續(xù)性

在城市集中供熱領(lǐng)域可持續(xù)性密切關(guān)注的內(nèi)容。預測結(jié)果顯示，我國城市集中供熱能力和面積將在未來繼續(xù)增長，這表明我國城市供熱行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的階段。然而，這種快速的增長也帶來了一些潛在問題。供熱能源的過度消耗可能對能源安全造成風險，同時也可能加劇環(huán)境問題，如大氣污染和溫室氣體排放。因此，有必要進一步推動綠色供熱能源的使用，提高能源利用效率，以實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的雙重目標[5-6]。

4.2 我國城市集中供熱能力和面積的影響因素

我國城市集中供熱能力和面積的發(fā)展受多種因素影響。城市化的快速推進導致了城市人口密度的增加，從而對供熱能力和面積提出了更高的要求。國家能源政策的調(diào)整也在推動供熱系統(tǒng)朝著清潔、高效的方向發(fā)展，這對供熱能源的選擇和供熱技術(shù)的創(chuàng)新都帶來了挑戰(zhàn)和機遇[7]。因此，未來的城市供熱規(guī)劃應該充分考慮這些復雜因素的相互作用，制定全面而靈活的政策，以推動可持續(xù)供熱的發(fā)展。

4.3 技術(shù)創(chuàng)新和智能化是提高城市集中供熱能力的關(guān)鍵途徑

隨著新興技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，供熱系統(tǒng)的運營和管理正變得更加智能化和高效。例如，智能溫控技術(shù)可以實現(xiàn)個性化供熱，根據(jù)不同居民的需求和習慣調(diào)節(jié)供熱溫度，從而降低能源浪費[8]。另外，廢熱回收技術(shù)也是提高能源利用效率的有效手段，可以將工業(yè)廢熱轉(zhuǎn)化為有用的熱能。政府和企業(yè)應當加大對技術(shù)創(chuàng)新的投入，鼓勵研發(fā)出更加高效、環(huán)保的供熱技術(shù)，以滿足未來供熱需求。

4.4 城市集中供熱的發(fā)展需要充分考慮不同地區(qū)的差異

城市集中供熱的發(fā)展需要充分考慮不同地區(qū)的差異，以實現(xiàn)供需的匹配。各地區(qū)的氣候條件、經(jīng)濟水平、人口密度等因素都會影響供熱需求的變化。因此，建議政府制定差異化的供熱政策，根據(jù)地區(qū)的實際情況確定供熱重點和發(fā)展目標。在一些氣候較溫暖的地區(qū)，可以倡導低溫供熱，采用地源熱泵等節(jié)能技術(shù)[9]；而在寒冷地區(qū)，應加強供熱設(shè)施的建設(shè)，確保居民的供熱需求得到充分滿足。

5 建議

5.1 建議政府進一步指定可持續(xù)發(fā)展策略

為了實現(xiàn)城市集中供熱的可持續(xù)發(fā)展，政府可以制定更為嚴格的能源效率標準，對供熱設(shè)施的建設(shè)和運營進行監(jiān)管。此外，還可以推動清潔能源的應用，如地熱能、太陽能[10]等，減少對傳統(tǒng)能源的依賴。廢熱回收利用也應得到重視，可以鼓勵工業(yè)企業(yè)與供熱公司合作，將工業(yè)廢熱納入供熱系統(tǒng)，實現(xiàn)能源的高效利用[11]。

5.2 建議供熱企業(yè)積極推動技術(shù)升級和創(chuàng)新

供熱企業(yè)在我國城市集中供熱領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。為了適應日益復雜和多變的能源環(huán)境，以及滿足人們對更高質(zhì)量供熱的需求，供熱企業(yè)應積極推動技術(shù)升級和創(chuàng)新，通過引入新的材料、技術(shù)和工藝，可以提高供熱設(shè)備的效率和性能，降低能耗和排放[12]。此外，也可以考慮引進國內(nèi)外先進的供熱技術(shù)和設(shè)備。為了促進供熱系統(tǒng)的技術(shù)升級和創(chuàng)新，政府可以通過設(shè)立專項基金的形式，資助供熱技術(shù)研發(fā)和應用。

5.3 建議政府制定區(qū)域化的供熱規(guī)劃區(qū)域化規(guī)劃

針對不同地區(qū)的供熱需求，建議政府制定區(qū)域化的供熱規(guī)劃。在大城市和人口密集地區(qū)，可以加大供熱設(shè)施的建設(shè)，提高供熱能力，同時推動智慧化改造的應用[13-14]。在農(nóng)村和偏遠地區(qū)，可以采用分布式供熱方式，充分利用當?shù)氐馁Y源，降低運輸損耗。通過精細化的規(guī)劃，可以實現(xiàn)供熱資源的合理配置，滿足不同地區(qū)居民的需求。