推動以可再生能源（RE）為主的能源轉型對于緩解氣候變化至關重要。此外，可再生能源的發展與能源使用結構的變化密切相關，特別是電氣化的進程。因此，可再生能源與其他工業低碳轉型（如用電力替代煤炭或石油）之間的行業間合作對于實現能源轉型目標至關重要。

從系統科學和工程的角度來看，能源系統是一個高度耦合的整體，任何一個部門的轉型都可能產生復雜的跨部門聯系和反饋效應[1]，[2]。傳統的單一維度治理和轉型模型越來越難以應對這些系統性挑戰，這凸顯了建立新的多部門協同治理范式的迫切需求[3]。現有研究表明，通過整合供需資源和優化基礎設施布局及運營策略，多部門協調可以實現系統成本和排放的共同減少，從而具有明顯的系統價值[4]，[5]。因此，本文重點定量評估電力、供暖和交通這三個關鍵且緊密相關的部門之間協同轉型的經濟和環境效益。從2000年到2023年，電力和熱力的生產和供應是中國二氧化碳排放的最大來源[6]，[7]，[8]，[9]。目前，以化石燃料為主的供熱結構幾乎沒有變化[10]，[11]，[12]。此外，隨著經濟發展和快速城市化，交通運輸部門成為中國增長最快的行業之一。社會客運量從2000年的1.23萬億人次公里增加到2024年的3.39萬億人次公里，社會貨運量在同一時期從4.43萬億噸公里增加到25.45萬億噸公里[13]，[14]。這種交通運輸能源需求的快速增長加劇了減少二氧化碳排放的壓力[15]。因此，在可再生能源發展與供暖和交通部門脫碳之間實現協同仍然是一個重大挑戰。

鑒于多部門脫碳的迫切需求，有必要在具有代表性的城市背景下研究這些挑戰。北京作為中國的首都，在國家“雙碳”戰略中發揮著領導作用[16]，[17]，并且經常成為能源轉型政策的試點。盡管北京已經實現了“無煤”狀態[18]，但它仍然嚴重依賴石油和天然氣[19]，供暖和交通部門是能源使用和二氧化碳排放的主要來源。這種雙重現實——政策雄心與持續的化石燃料依賴——使得北京成為研究高排放部門中可再生能源整合的理想場所。最后，由于數據可獲取性的限制，本研究所需的每小時電力需求、電力生產等相關數據并非公開可用。雖然我們通過在北京電力供應公司的實地調查獲得了這些數據，但我們無法獲取其他地區的數據。為了量化這種合作的環境和經濟影響，將EnergyPLAN模擬模型與EPLANopt優化模型相結合。特別是，我們評估了22種不同的行業間合作路徑，并根據環境和經濟績效確定了最佳協同路徑。

最近關于綜合能源轉型的研究強調了多部門合作和技術多樣化路徑的關鍵作用。Florian Knobloch等人（2020年）對代表全球95%的運輸和供暖需求的59個地區進行了綜合評估。結果表明，即使在當前的電網碳強度水平下，電動汽車（EV）和熱泵的生命周期溫室氣體排放量也低于基于化石燃料的替代方案。具體而言，電動汽車和熱泵在53個地區每年分別實現了高達1.5 GtCO₂和0.8 GtCO₂的凈減排[20]。此外，高水平的可再生能源整合在技術上是可行的。基于太陽能光伏（PV）和儲能的系統建模表明，在某些國家可以完全滿足能源需求。使用RETScreen Expert等工具驗證了太陽能光伏在農業中的技術經濟和環境可行性，顯示出顯著的溫室氣體減排和經濟可行性[21]。這些結果表明，到本世紀中葉可以實現完全可再生能源的供應[22]。包括電力轉熱、電力轉氣、車輛轉電網和生物燃料在內的跨部門技術的整合進一步增強了系統的靈活性和脫碳潛力。然而，準確表示不確定性對于可靠的能源系統建模仍然至關重要[23]。隨機方法（如遺傳算法和粒子群優化）已被用于估計換熱器的污垢阻力，即使在存在多個局部最小值的情況下也能顯示出穩健的收斂性[24]。使用EnergyPLAN等工具的技術經濟分析一致表明，智能能源系統可以在某些情況下實現超過50%的深度減排，并降低整體系統成本。這突顯了碳中和轉型路徑的經濟可行性[25]，[26]。盡管關于跨部門可再生能源轉型的研究不斷增加，但仍存在關鍵差距。例如，區域間能源交換（如電力進出口）對系統成本和排放的影響往往被忽視。此外，許多研究依賴于歷史電力需求模式，從而低估了電力化非電力部門對未來負荷曲線的影響。最后，跨多個能源部門的綜合轉型策略仍然有限，因為大多數研究都是孤立地關注單個部門。

基于上述研究現狀，本研究旨在利用“避免-轉變-改進”框架和EnergyPLAN-EPLANopt模型，系統地評估可再生能源、供暖和交通三個部門之間協同轉型的環境和經濟效應，并確定和提出平衡經濟和環境效益的綜合轉型路徑。通過比較雙部門（例如可再生能源-供暖、可再生能源-交通）和三部門協同情景，本研究揭示了三部門協同在降低總系統成本、一次能源消耗和二氧化碳排放方面的顯著優勢。研究結果為以更經濟高效和環境可持續的方式促進電力、供暖和交通等關鍵部門的低碳轉型提供了實證證據和路徑參考。

本研究的新穎性體現在以下三個方面：首先，我們量化了通過三部門合作（可再生能源、供暖和交通）相比傳統的雙部門方法（可再生能源與供暖或可再生能源與交通）所實現的額外環境和經濟效益。這種比較分析為城市能源轉型中的跨部門整合協同效應提供了新的證據。其次，我們提出并模擬了一種實際的合作路徑，可以在不增加總系統成本的情況下，實現北京供暖和電力部門中化石燃料的完全替代，這在之前的城市規模研究中很少有體現。第三，我們通過將EnergyPLAN模擬模型與EPLANopt多目標優化算法相結合，開發了一個綜合能源系統優化框架。該框架能夠內生地確定最佳的可再生能源容量，克服了現有基于EnergyPLAN的研究中常見的外生容量假設，提高了可再生能源轉型規劃的方法論嚴謹性。

為了實現中國2020年設定的“雙碳”目標，促進低碳能源轉型至關重要。然而，這一由可再生能源快速部署驅動的轉型是一個復雜的系統過程，需要行業間的合作。本研究使用A–S–I框架和EnergyPLAN模型研究了行業間合作的環境和經濟效益。分析重點關注電力、供暖和交通部門，以北京能源系統為例

趙偉佳：驗證、軟件。張洪軍：撰寫——初稿、軟件、數據整理、概念化。趙曉麗：撰寫——審閱與編輯

? 作者聲明他們沒有已知的可能影響本文工作的競爭性財務利益或個人關系。

本研究由北京市自然科學基金（項目編號：9252015）和國家社會科學基金（項目編號：22&ZD103和21AZD111）資助。