中國區域能源規劃的研究發(fā)展歷程

  1 概述

 

  中國在實(shí)行改革開(kāi)放政策的30 多年來(lái)，經(jīng)濟不斷發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對能源的消耗也不斷加大。中國的能源資源總量約為世界的10%，但人均資源占有量?jì)H為世界人均資源占有量的40%，因此能源供應前景不容樂(lè )觀(guān)。2010 年，中國一次能源消費量為32． 5 × 108 t 標準煤，超過(guò)美國成為全球第一能源消費大國。種種跡象表明，能源消耗已經(jīng)成為中國在發(fā)展中需要高度重視的一個(gè)問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題會(huì )影響到中國今后在經(jīng)濟和社會(huì )各方面的發(fā)展前景。

 

  能源問(wèn)題使得能源規劃在我國具有重要的實(shí)際意義。中國的人口、資源儲藏和能源消耗具有明顯的地區性差異，因此，對某區域( 小到村鎮，大到幾個(gè)省) 進(jìn)行有針對性的能源規劃尤其必要。在改革開(kāi)放之前，中國的區域能源規劃大多為北方地區的供熱規劃，都屬于行政性條文而沒(méi)有成為一類(lèi)研究課題。在改革開(kāi)放之后，隨著(zhù)經(jīng)濟和社會(huì )的進(jìn)步以及系統科學(xué)的興起，我國對區域能源規劃的研究從無(wú)到有，并且隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展不斷豐富和深化，呈現出與當時(shí)的經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展狀況相對應的特點(diǎn)。本文對中國區域能源規劃的研究發(fā)展歷程進(jìn)行探述。

 

  2 20 世紀80 年代: 研究的起步

 

  20 世紀70 年代末，我國實(shí)行改革開(kāi)放政策。

 

  與經(jīng)濟改革對應，我國當時(shí)的能源發(fā)展戰略為“在堅持改革、對內搞活、對外開(kāi)放中，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)”［3］。在這一戰略思想的指導下，各地區能源規劃大多突出了“綜合開(kāi)發(fā)”的特點(diǎn)，新能源和可再生能源的利用在地區性的能源規劃中得到了充分的重視和應用。1979 年，科學(xué)家錢(qián)學(xué)森在光明日報發(fā)表了文章《大力發(fā)展系統工程，盡早建立系統科學(xué)的體系》; 1980 年，中國運籌學(xué)學(xué)會(huì )成立; 系統工程方法的研究和應用在中國活躍起來(lái)，其直接的影響是把系統優(yōu)化方法引入到經(jīng)濟決策中，各部門(mén)紛紛采用最優(yōu)化技術(shù)制定發(fā)展規劃。

 

  20 世紀80 年代，中國對區域能源規劃的研究主要以國家科技成果為主。清華大學(xué)在這方面做了很多工作。1985 年，清華大學(xué)的核能技術(shù)研究所對北京地區的能源系統規劃方法及其數學(xué)模型進(jìn)行了研究，將研究成果在北京地區加以應用并在中國部分地區推廣。該規劃模型運用了系統分析、運籌學(xué)方法和計算機技術(shù)，可用于地區能源系統規劃與政策研究，亦可用于部門(mén)和企業(yè)，進(jìn)行能源需求預測、供需平衡、供應系統方案比較與選擇、能源與其他資源的優(yōu)化分配、系統的技術(shù)經(jīng)濟指標評價(jià)等工作。

 

  1988 年，清華大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院研究成功了能源規劃( MARKAL) 模型矩陣/報告發(fā)生器。該軟件使用靈活，方便用戶(hù)，適應性廣，可用于編制各省、區的能源規劃。另外，清華大學(xué)技術(shù)經(jīng)濟能源所承擔了“七五”國家科技攻關(guān)項目的一個(gè)子課題，對縣級農村能源建設問(wèn)題做了研究，總結出一套科學(xué)的規劃工作程序，建立和發(fā)展了一套科學(xué)的農村能源規劃方法及模型體系，并在12 個(gè)試點(diǎn)縣的規劃和建設中得到了實(shí)際應用。

 

  在20 世紀80 年代這10 年間，中國各地方政府的相關(guān)部門(mén)也對區域能源規劃做了許多的工作，發(fā)布了相應的國家級科技成果。這些科技成果多以農村能源規劃為主，最具有代表性的是江西省玉山縣、河北省河間縣和黑龍江省哈爾濱市等地。這些地區的農村能源規劃在制定時(shí)分別應用了層次逐步優(yōu)化建模法、能源平衡表和網(wǎng)絡(luò )圖、能量消費流程圖等工具，統計并分析了所轄區域內農村的各行業(yè)能源消費構成，提出了能源消費的優(yōu)化方案，對區域內各行業(yè)的發(fā)展和區域經(jīng)濟建設具有重要的指導意義。

 

  除以上國家科技成果外，孟慶福、劉立民對吉林省輝南縣總體規劃中的能源規劃進(jìn)行了研究。

 

  他們采用系統工程理論的建模方法，以工農業(yè)總產(chǎn)值翻兩番為目標，對全縣的能源供求進(jìn)行了近期、中期和遠期的預測，優(yōu)化了能源系統的結構，為總體規劃提供了能源方面的依據。原華中理工大學(xué)( 現已并入華中科技大學(xué)) 的劉立平、李開(kāi)勤以HREM 模型( 農村能源模型，劉立平于1987 年提出) 為基礎，經(jīng)過(guò)適當簡(jiǎn)化、合并和具體化得到新的縣級農村能源發(fā)展規劃的模型體系［5］。該多級模型體系包括效應關(guān)聯(lián)模型、MEDEE 模型( 法國能源經(jīng)濟研究所創(chuàng )建和發(fā)展的一種能源需求預測模型) 、能源系統優(yōu)化模型等，各子模型通過(guò)數據庫管理系統的媒介作用耦合成一個(gè)有機的模型系統。

 

  除農村能源規劃外，西安交通大學(xué)的樂(lè )偉梁等對能源規劃中廣泛應用的混合規劃方法做了研究，并用變量帶上界線(xiàn)性規劃方法對求解混合規劃問(wèn)題中常用的Benders 算法做了改進(jìn)，解決了Benders 算法的維數災難問(wèn)題，節省了計算量和存儲量。改進(jìn)后的算法對能源開(kāi)發(fā)規劃、能源運輸規劃、廠(chǎng)址選擇等實(shí)際問(wèn)題的求解十分有效。

 

  3 20 世紀90 年代: 研究過(guò)渡期在20 世紀90 年代這10 年中，我國經(jīng)濟繼續迅速發(fā)展，地區性經(jīng)濟水平差異開(kāi)始出現，這使得區域能源規劃研究的對象有向一省或多省級別轉移的趨勢?？傮w來(lái)看，在這一時(shí)期舊的研究熱點(diǎn)開(kāi)始消退，新的研究熱點(diǎn)尚未形成，并且“系統工程熱”也有所減弱。這些原因共同導致了這10 年間關(guān)于區域能源規劃的研究成果較少。

 

  20 世紀90 年代前期，一些學(xué)者相繼對大區域

 

  的能源規劃進(jìn)行了研究。1993 年，中國礦業(yè)大學(xué)的賀祖琪等研究了西南云、貴、川3 省的能源重點(diǎn)建設工程的排序問(wèn)題。他們先期考慮了重點(diǎn)建設工程的布局，在確定排序基本原則之后，構造了0 － 1整數規劃模型來(lái)描述3 省的煤炭、火電、核電和水電等重點(diǎn)建設工程的綜合排序問(wèn)題，最后用計算機對模型求解。1994 年，內蒙古工業(yè)大學(xué)的王林江、邵安綜合考慮了多因素的復雜關(guān)系，提出了1990—2000 年內蒙古自治區東部的能源規劃模型。他們的研究方法是: 建立線(xiàn)性規劃模型，在該模型基礎上修改得到混合整數規劃模型。改進(jìn)后的模型目標函數與原模型相同，只有一部分約束條件發(fā)生變化。

 

  4 21 世紀: 研究趨于興旺

 

  進(jìn)入21 世紀后，隨著(zhù)我國經(jīng)濟增長(cháng)，城市和城市群能源供應緊張的問(wèn)題開(kāi)始顯現。因此，以城鎮區域能源規劃為主題的研究工作得到廣泛開(kāi)展。與此同時(shí)，能源大量消耗引起的溫室效應等環(huán)境問(wèn)題也愈發(fā)嚴重。相應地，對環(huán)境的影響也成為了區域能源規劃研究工作中新的重點(diǎn)。在21 世紀前10 年中，中國對區域能源規劃的研究熱點(diǎn)主要集中于“城鎮”和“環(huán)?！眱蓚€(gè)關(guān)鍵詞，由此形成了以下幾個(gè)研究熱點(diǎn)。

 

  4． 1 熱點(diǎn)一: 著(zhù)眼于建筑能耗的城鎮能源規劃21 世紀，中國進(jìn)入城鎮化快速增長(cháng)期。城鎮人口和建筑面積均大量增長(cháng)。龐大的城鎮人口導致了巨大的能源消耗，建筑面積的增長(cháng)使得建筑能耗在城鎮能耗總量中所占的比例更大。因此，城鎮的能源規劃對當前的中國而言意義重大，建筑能耗尤其應當作為城鎮能源規劃的重點(diǎn)考慮。清華大學(xué)和同濟大學(xué)的學(xué)者近年來(lái)在這一領(lǐng)域做了許多研究工作，發(fā)布了一些領(lǐng)先的研究成果。

 

  2008 年，受?chē)摇笆晃濉?a href="http://keyinmall.com/t/科技支撐.html" >科技支撐計劃項目“城市能源基礎設施系統優(yōu)化與模擬技術(shù)”支持，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系的付林等提出了基于動(dòng)態(tài)和空間分布的城市能源規劃方法。這種新的規劃方法在調研、收集資料的基礎上，綜合城市規劃中的熱力、燃氣和電力規劃，根據城市能源系統現狀和調研數據選擇能源負荷和轉換特性庫，作為城市能源系統情景設定的輸入條件，在軟件平臺上實(shí)現模擬計算，并利用評價(jià)體系判斷方案的可行性。該方法應用的軟件平臺集成了管網(wǎng)輸配水力計算軟件，并結合地理信息系統( GIS) 和環(huán)境污染物分析等軟件工具，以實(shí)現規劃成果的顯示。

 

  針對我國城市能源規劃缺乏模擬軟件平臺的狀況，該項目組還對城市能源規劃模擬軟件平臺及其模型進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，取得了以下兩項成果:

 

  提出了三維分層城市能源系統模型，開(kāi)發(fā)了CEEDS城市能源環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬工具。陳杰在此研究基礎上開(kāi)發(fā)了基于能源設備特性的能源系統仿真平臺軟件City Energy V1． 0，實(shí)現和完善了CEEDS 的功能，具有初步的后處理和模擬結果輸出、圖表顯示功能。

 

  同在2008 年，同濟大學(xué)以龍惟定教授為首的研究團隊對“區域建筑能源規劃”做了詳細的定義。

 

  以此為基礎，該團隊引入了一些其他研究領(lǐng)域的理論和方法，近年來(lái)進(jìn)行了以下研究工作:

 

  ① 引入了綜合資源規劃( IRP) 方法。IRP方法是需求側管理理論與能源規劃相結合的產(chǎn)物，其核心是改變過(guò)去單純以增加資源供給來(lái)滿(mǎn)足需求的思維定勢，把因需求側能源利用率提高而節約的資源統一作為一種替代資源看待。運用IRP 方法，該團隊提出了區域建筑能源規劃中包含的各方面所需要遵循的原則以及具體操作方法。

 

  ② 引入能值( emergy) 的概念。能值是指某種資源、產(chǎn)品或人類(lèi)勞務(wù)形成所需直接或間接應用的太陽(yáng)能總量，表示在時(shí)間和空間上進(jìn)入產(chǎn)品的所有能量。根據能值分析的思想，該團隊提出了反映區域建筑能源規劃系統特點(diǎn)的能值評價(jià)指標，并通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例給出了能源資源的能值評估過(guò)程。

 

  ③ 運用能源資源潛力分析、碳夾點(diǎn)技術(shù)等。

 

  能源資源潛力分析方法包括供應側與需求側兩方面，是綜合資源規劃方法所包含的重要內容。碳夾點(diǎn)技術(shù)作為初步能源規劃工具，可以簡(jiǎn)單、直觀(guān)地得到一種可行的能源規劃方案，適用于碳約束的低碳區域建筑可利用能源資源優(yōu)化。該團隊于2010 年在文獻［14］中為區域建筑可利用能源資源量的評估提供了分析方法，主要介紹了供應側資源中的可再生能源的資源量評估方法和需求側資源潛力分析的各種方法。又于2011 年在文獻［15］中以情景分析法為基礎，對碳排放限制和資源限制的低碳區域建筑可利用能源資源優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了情景設定，利用一個(gè)低碳區域建筑能源規劃的案例具體介紹了碳夾點(diǎn)技術(shù)的應用方法。

 

  4． 2 熱點(diǎn)二: 強調低碳減排的區域能源規劃

 

  近年來(lái)，碳排放造成的環(huán)境負面影響引起了我國政府的高度重視，“低碳”成為我國經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵詞。2009 年的哥本哈根會(huì )議上，我國政府向世界做出了2020 年單位GDP 的二氧化碳排放量比2005 年下降40% ～ 45% 的承諾。在這種大形勢下的許多區域能源規劃的研究工作中，經(jīng)濟性指標被弱化，而碳減排則成為了研究的前提和最終目的。

 

  在 碳減排問(wèn)題上，碳夾點(diǎn)技術(shù)是一種行之有效的分析手段。在2009 年，受國家自然科學(xué)基金項目和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目的雙重支持，施小妹等基于夾點(diǎn)分析技術(shù)，提出了一種最小化清潔能源用量的圖形方法，合成了受碳排放限制的能源規劃問(wèn)題的總組合曲線(xiàn)［16］。他們分別通過(guò)總組合曲線(xiàn)方法和與之對應的組合表格算法求得了幾個(gè)算例的最小零碳能源及低碳能源的用量，并將該圖形和表格方法推廣到多種清潔能源問(wèn)題中。同年，受綠色化學(xué)產(chǎn)品技術(shù)廣東省重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放基金支持。

 

  賈小平等以某化工園區的能源規劃為例，運用碳夾點(diǎn)分析方法對能源系統進(jìn)行分析，運用累積二氧化碳排放量－ 累積能源用量組合曲線(xiàn)圖，確定最小清潔能源目標、能源需求結構及其對應的二氧化碳排放量，最終得到了碳減排的量化結果［17］。

 

  長(cháng)期能源替代規劃系統( LEAP) 是一個(gè)基于情景分析的能源–環(huán)境模型軟件，已在150 多個(gè)國家得到了應用。2010 年，受國家自然科學(xué)基金項目和國家863 資助項目雙重支持，賈彥鵬、劉仁志基于LEAP 模型框架，建立起針對基準情景和節能低碳情景的能源消費和二氧化碳排放的預測技術(shù)。并以江西省景德鎮市為例，預測這兩種情景下能源需求和二氧化碳排放變化［18］。

 

  天津中新生態(tài)城是中國、新加坡兩國政府的戰略性合作項目，是世界上第一個(gè)國家間合作開(kāi)發(fā)建設的生態(tài)城市。2010 年，受?chē)?a href="http://keyinmall.com/t/科技支撐.html" >科技支撐項目“既有建筑綜合改造技術(shù)集成示范工程”的資助，談孜超等基于生態(tài)城2020 年的發(fā)展規劃，利用綜合資源規劃方法對生態(tài)城的能耗進(jìn)行了預測。隨后計算了采用比節能標準更嚴格的節能措施而減少的能耗，又計算了生態(tài)城可再生能源的利用量以及由于應用節能措施和可再生能源而減少的二氧化碳排放量［19］。

 

  4． 3 熱點(diǎn)三: 區域可再生能源規劃

 

  太陽(yáng)能和生物質(zhì)能( 以沼氣為代表) 等可再生能源在我國20 世紀80 年代的農村能源規劃中就已被應用。進(jìn)入21 世紀，我國政府更加重視可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用，2005 年頒布的《可再生能源法》就是一個(gè)標志。在進(jìn)行區域能源規劃時(shí)，為達到低碳的目標，利用可再生能源是必經(jīng)之路。前文所提到的區域能源規劃的研究工作中，可再生能源都是作為區域能源的一個(gè)組成部分而非主要研究對象。一些學(xué)者將可再生能源獨立出來(lái)，開(kāi)辟了一個(gè)新的研究方向。

 

  在省級可再生能源規劃方面，國家發(fā)改委能源研究所高虎等在2004 年填補了我國的空白。他們利用LEAP 模型，借助湖南省和新疆維吾爾自治區兩個(gè)案例研究了省級可再生能源規劃的具體步驟以及利用LEAP 模型的定量分析方法。根據規劃結果，分析了LEAP 模型在省級可再生能源規劃方面應用的長(cháng)處和不足。受國家自然科學(xué)基金的資助，清華大學(xué)的陳榮等在2006 年以MESSAGE 模型耦合能源需求MAED 模型為基礎，提出可再生能源綜合規劃方法，并以四川省為例進(jìn)行實(shí)證。

 

  4． 4 熱點(diǎn)四: 傳統意義上的城市能源規劃

 

  2002 年，青島科技大學(xué)的雷仲敏以某市居民用能情況的調查資料為依據，采用矩陣規格化處理方法分析了適用于該市居民的4 種用能方案，并將方案按最小成本原則排序，最后對居民的家庭投資能力和投資意向進(jìn)行了調查和分析。2003 年，中國礦業(yè)大學(xué)的樊京春等對廣西省柳州市進(jìn)行了能源規劃［23］。他們首先制定能源平衡表，隨后用能源彈性系數法進(jìn)行能源需求預測，最后采用線(xiàn)性規劃方法進(jìn)行定量?jì)?yōu)化，最終實(shí)現了能源、環(huán)境、經(jīng)濟效益三者的協(xié)調統一。

 

  在國家科技成果方面，濟南市環(huán)境保護科學(xué)研究所在2001 年至2003 年期間對濟南市進(jìn)行了環(huán)境能源規劃研究，成果主要包括: 重點(diǎn)用能單位的實(shí)地調查; 利用彈性系數法和部門(mén)分析法對濟南市2005年能源消費需求進(jìn)行預測，克服了單一方法的不確定性; 在國內首創(chuàng )了利用對流層高分辨率物質(zhì)模式，動(dòng)態(tài)地模擬能源消費變化對環(huán)境空氣質(zhì)量影響的方法; 針對濟南市能源消費結構和工業(yè)結構的薄弱環(huán)節提出規劃方案，并以高能耗行業(yè)為重點(diǎn)，提出行業(yè)企業(yè)層面的技術(shù)改造和節能措施。

 

  5 結語(yǔ)

 

  通過(guò)我國區域能源規劃研究的發(fā)展歷程可以看出，我國區域能源規劃的研究開(kāi)始于改革開(kāi)放之后，但總體而言，至今研究工作開(kāi)展得并不廣泛。直至近幾年，我國對區域能源規劃的研究基本集中于系統工程方法和國外既有能源規劃模型的應用以及改進(jìn)。2008 年前后，清華大學(xué)和同濟大學(xué)的學(xué)者幾乎同時(shí)對區域能源規劃進(jìn)行了新的探索，使我國區域能源規劃的研究呈現出了新氣象。前者重點(diǎn)研究城市能源規劃的模型和軟件開(kāi)發(fā)，后者以“區域建筑能源規劃”為題目引入其他領(lǐng)域的理論和方法進(jìn)行研究。這兩個(gè)研究方向本質(zhì)上都是對城鎮內整體或局部建筑群的能源規劃研究。

 

  此外，已經(jīng)有學(xué)者開(kāi)始關(guān)注區域可再生能源規劃和中小城鎮的能源規劃。隨著(zhù)我國能源緊張問(wèn)題的加劇和城市化的快速進(jìn)行，這兩個(gè)方向很可能成為今后幾年我國區域能源規劃領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。