一種推行區域建筑能源規劃的 模式及工作方法

  科學(xué)合理的區域建筑能源規劃對降低區域化石能源總需求具有重要意義。能源與城市規劃學(xué)科的學(xué)者對如何進(jìn)行區域建筑能源規劃的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探索研究。

 

  對于較小區域的能源規劃問(wèn)題，能源學(xué)科眾多學(xué)者進(jìn)行了理論探討和實(shí)踐探索。龍惟定等人探討了城市建筑能源系統規劃的必要性和方法、區域能源規劃目標設定、可用能源資源量評估、區域建筑負荷預測、區域建筑能源系統模型構建和分析、低品位能源的利用技術(shù)等區域建筑能源規劃的相關(guān)內容。孫冬梅等人對我國的城市能源規劃現狀進(jìn)行了分析，并提出了低碳生態(tài)城市的建筑能源規劃的原則、主要內容、方法及步驟。

 

  規劃學(xué)科討論的重點(diǎn)在于如何通過(guò)改進(jìn)城市規劃方法降低城市能耗。周銀波等人對如何將低碳生態(tài)化目標分解到開(kāi)發(fā)建設的各地塊的指標中并以強制性指標的形式列入控制性詳細規劃指標體系中進(jìn)行了探索［１２］。陳金平指出設計策略應立足于現狀特征、立足于管理政策與空間規劃相結合，并針對上海地區提出減少交通、建筑、產(chǎn)業(yè)三方面能耗的規劃策略［１３］。顧朝林等人提出應在城市詳細規劃中列出可實(shí)施的減少碳排放的技術(shù)和對策。徐彥峰討論了基于低碳生態(tài)理念對市政基礎設施規劃的思路，提出將能源系統作為市政規劃的要點(diǎn)之一。他結合我國實(shí)際情況認為應該合理確定能源利用方式，注重能源的梯級利用，提高能源利用效率。規劃重點(diǎn)在于推廣分布式能源系統，降低輸送損失。林忠航探討了在城市規劃編制的各個(gè)層面應如何考慮能源問(wèn)題，從城市規劃層面探索解決城市能源問(wèn)題的途徑。

 

  在生態(tài)社區的建設實(shí)踐中，ＬＥＥＤ－ＮＤ，ＢＲＥＥＡＭ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ等生態(tài)社區評價(jià)指標體系為國內生態(tài)城區的開(kāi)發(fā)提供了參考。結合生態(tài)城區的建設實(shí)踐，我國頒布了ＨＪ ２７４—２００９《綜合類(lèi)生態(tài)工業(yè)園區標準》和ＨＪ／Ｔ ２７３—２００６《行業(yè)類(lèi)生態(tài)工業(yè)園區標準（試行）》，出版了《中國生態(tài)住宅技術(shù)評估手冊》。這些標準或手冊中都對區域建筑能源利用提出了要求。

 

  但上述相關(guān)研究對區域建筑能源規劃工作推行的具體模式以及區域建筑能源規劃的地位討論較少。本文結合我國的城市規劃工作體系探討了一種推行區域建筑能源規劃工作的模式，以及在該模式下進(jìn)行建筑能源規劃的方法。

 

  １ 區域建筑能源規劃與城市詳細規劃相結合的模式１．１ 結合的意義城市詳細規劃規定了建設用地的各項控制指標和其他規劃管理要求，或者直接對土地開(kāi)發(fā)建設作具體的安排和規劃設計。城市詳細規劃的主體內容是依據城市管理各個(gè)方面（如經(jīng)濟、社會(huì )、交通、生態(tài)、能源等）的一套指標體系確定的。這些指標規定了土地出讓方與承讓方的相關(guān)權利與義務(wù)，是衡量建設是否達到預期目標的重要依據。因此，詳細規劃中關(guān)于能源部分的規劃方案和規劃指標是否科學(xué)合理決定著(zhù)低碳節能的理念是否能落實(shí)到后續的開(kāi)發(fā)建設中。但是，目前的城市詳細規劃規范和導則中缺乏針對較小的區域（幾ｋｍ２）和地塊層面的能源控制指標。

 

  區域建筑能源規劃對于區域－地塊－建筑等幾個(gè)層面的能量利用技術(shù)上的合理性和科學(xué)性已有充分研究。但區域建筑能源規劃工作并沒(méi)有在主流的規劃工作中普遍推廣。

 

  因此，將區域建筑能源規劃以一種普遍的形式

 

  結合到城市詳細規劃中去，借助于城市規劃的前置性和法律強制性以及城市規劃在基礎資料獲取、用地等方面的諸多優(yōu)勢，對促進(jìn)區域建筑能源規劃工作順利實(shí)施具有重要意義。

 

  １．２ 結合方法

 

  自１９８９年《中華人民共和國城市規劃法》頒布實(shí)施以來(lái)，我國的城市規劃形成了一套成熟的工作體系和方法，是城市建設管理的主要手段。區域建筑能源規劃是城市能源規劃的創(chuàng )新內容之一，應隸屬于城市規劃。區域建筑能源規劃與城市詳細規劃相結合不應削弱區域建筑能源規劃內在的創(chuàng )新性，而應是借鑒城市詳細規劃的工作模式，把能源規劃的主要結論和成果融入到城市詳細規劃中去，作為城市詳細規劃的成果之一表達出來(lái)。

 

  １．３ 結合的難點(diǎn)

 

  縱觀(guān)能源規劃領(lǐng)域的研究成果［２０－２３］，比較常見(jiàn)的是采用綜合優(yōu)化的方法，基于常見(jiàn)能源設備，構建含有多個(gè)能源用戶(hù)、多種能源轉換供應方式的數學(xué)模型，基于約束條件（節點(diǎn)能量平衡、設備限制、管網(wǎng)建設的可行性、環(huán)境等），通過(guò)單（多）目標優(yōu)化，得到能源系統優(yōu)化設計方案，以確定最優(yōu)的（一般是經(jīng)濟性）能源轉化技術(shù)和設備組件（微型熱電聯(lián)產(chǎn)單元、光伏發(fā)電陣列、鍋爐、大電網(wǎng)等）的選型和配置參數。通過(guò)利用上述模型和工具對區域能源系統進(jìn)行分析和模擬，得到該區域能源系統的優(yōu)化設計方案。這些研究對于區域能源系統的優(yōu)化設計和系統分析具有重要意義，可以在一定程度上提高區域能源系統的用能效率，降低低碳生態(tài)城區的碳排放。

 

  但是利用目前已有的區域能源系統設計模型和工具得到的結果并不能直接納入城市詳細規劃體系。這是因為：

 

  １）在城市詳細規劃階段難以滿(mǎn)足這些模型所要求的數據輸入精度；２）在一個(gè)區域范圍內用能與產(chǎn)能對象數量過(guò)多，可用的能源轉換技術(shù)和設備眾多，完成優(yōu)化計算所需的技術(shù)知識要求過(guò)高并且工作量過(guò)于龐大；３）這些模型的思路大多是立足于區域能源利用的設計，基于現有的能源轉換設備，通過(guò)數學(xué)規劃求解獲得某一個(gè)（或者幾個(gè)）技術(shù)優(yōu)化組合方案，所得到的結果很難以具體、鳥(niǎo)B(niǎo)~薩B量化的形式落實(shí)到區域和地塊。

 

  因此，需要構建出一種適用于區域能源規劃的模型，該模型應能對整個(gè)能源系統進(jìn)行綜合優(yōu)化分析，將能源系統低碳化的要求以指標的形式表達出來(lái)，并為區域建筑能源規劃方案的制定提供技術(shù)支撐。

 

  ２ 區域建筑能源系統熱力學(xué)分析

 

  ２．１ 建筑能源需求及資源

 

  居住建筑能源需求按照使用功能可分為炊事、照明及家用電器、空調制冷、供暖、生活熱水５個(gè)方面，能源供給主要有電、煤炭、燃油、燃氣（天然氣、液化氣、煤氣及少量的生物質(zhì)燃氣等可燃氣體）、太陽(yáng)能等。其中炊事用能種類(lèi)一般是燃氣和電，照明及家用電器以消耗電能為主，對應的能源需求種類(lèi)比較固定。本研究重點(diǎn)關(guān)注如何滿(mǎn)足建筑供暖、制冷、生活熱水的能源需求。

 

  對于冷／熱／電的需求實(shí)質(zhì)上是對其所含的的需求，因此本文以其所含的為研究對象，將建筑的冷／熱／電負荷分別轉化為對冷、熱及電力３種形式的的需求。

 

  將能源設備生產(chǎn)的冷／熱／電也用對應形式的來(lái)表示，這樣就可以將眾多的能源轉換技術(shù)按照流動(dòng)途徑劃分為２種形式，一種是燃料燃燒釋放熱量用于供暖、制取熱水，另一種是采用逆卡諾循環(huán)進(jìn)行制冷或者制取熱量，這２種形式所消耗的能源主要是電和燃料（煤炭、燃氣、燃油及生物質(zhì)燃料等）。將冷熱量的生產(chǎn)視為產(chǎn)品加工過(guò)程，采用單位冷／熱／電產(chǎn)品的化石能源成本高低來(lái)表示不同冷熱量生產(chǎn)技術(shù)的差異。

 

  ２．２ 區域建筑能源規劃分解

 

  如圖１所示，區域建筑能源規劃主要在區域、地塊、建筑３個(gè)層面制定具體有效的控制和引導措圖１ 區域建筑能源規劃工作的對象層次示意圖施。在建筑層面，內容主要是建筑性能的要求?？梢酝ㄟ^(guò)與建筑性能相關(guān)的設計標準、建筑等級認證標準等對此部分內容提出具體要求。在地塊層面，需要了解同一地塊內有多少建筑，建筑間的空間位置對小區風(fēng)、光、熱環(huán)境的影響，以及建筑間是否需要能量交換等問(wèn)題。上述問(wèn)題可以通過(guò)相關(guān)模擬軟件，在小區規劃和建筑設計階段分析解決。區域層面主要是與能源相關(guān)的市政設施的規劃建設，需要明確各個(gè)地塊之間是否需要能量交換。由于地塊間的設施規劃建設、用地權屬協(xié)調及開(kāi)發(fā)控制等均超出了建筑設計師的工作范圍，因此應在城市詳細規劃階段對這部分內容給出明確的規劃方案。

 

  ３ 區域流模型

 

  ３．１ 基準點(diǎn)

 

  建筑空調供暖系統進(jìn)行分析的系統邊界為規劃項目的地理邊界。如圖２所示，該系統為開(kāi)放系統，外界向系統輸入高品位能源，系統向外部環(huán)境傳遞低品位能量。這里的環(huán)境專(zhuān)指由地球表面、海洋和大氣等所構成的外界，且假設環(huán)境為無(wú)限廣闊的、內部保持均勻一致而且相對靜止。由于地表、海洋和大氣的量可認為是無(wú)限的，認為環(huán)境不受目標系統的擾動(dòng)而發(fā)生變化，即環(huán)境參數（如溫度、壓力等）不會(huì )因為與系統傳遞能量和質(zhì)量而發(fā)生變化。同時(shí)定義外界空氣環(huán)境為值０點(diǎn)，任何季節空調控制目標均為室內值高于外界空氣環(huán)境。

 

  ３．２ 地塊間流網(wǎng)絡(luò )

 

  每個(gè)地塊作為最小單元，視為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，在該節點(diǎn)上既有產(chǎn)品的生產(chǎn)，又有產(chǎn)品的消耗。生產(chǎn)單位所消耗的化石能源量作為該生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)出的成本。各個(gè)地塊由于資源稟賦、技術(shù)設備的差異，生產(chǎn)的成本是不同的。在滿(mǎn)足給定量的需求（ 負荷）情況下，為了降低區域總的化石能源消耗量，需要增加低成本的生產(chǎn)，盡量減少高成本的生產(chǎn)，這樣不同地塊間就有發(fā)生流動(dòng)的可能。區域范圍內以地塊為節點(diǎn)就構成了流網(wǎng)絡(luò )。如圖３所示，圖中１→１表示１號地塊所產(chǎn)用于自己消費的部分，１→２表示１號地塊所產(chǎn)用于２號地塊消費的部分。

 

  目標約束的目標值Ｅ０為第一階段優(yōu)化得到的最優(yōu)解。第一階段的最優(yōu)解是在假定資源量、需求量為預測值時(shí)計算得到的，是一種硬約束。因此，通過(guò)目標規劃討論在各約束量存在偏差時(shí)最優(yōu)解的變化情況是必要的。通過(guò)多次目標優(yōu)化的計算，討論各個(gè)地塊需求變化及各類(lèi)技術(shù)應用程度的變化對區域總成本的影響。通過(guò)上述計算分析，可以對各個(gè)地塊的某一產(chǎn)品生產(chǎn)量和全區的流網(wǎng)絡(luò )有更全面的認識。能夠明確各個(gè)地塊的控制重點(diǎn)是削減負荷還是需要提高該地塊能源利用水平（如技術(shù)效率提高、增加可再生能源利用比例等）。結合其他因素制定出針對各個(gè)地塊的生產(chǎn)成本控制指標（包含可再生能源利用）和提出針對全區的輸送的管網(wǎng)設施建設建議。

 

  ５ 產(chǎn)品成本及懲罰權重的確定

 

  ５．１ 產(chǎn)品成本的確定

 

  各個(gè)地塊某一產(chǎn)品（冷／熱／電） 成本的確定是關(guān)鍵問(wèn)題之一?？赏ㄟ^(guò)式（９）計算：

 

  ｅｉ，ｐ ＝Σ ｑｎ＝１

 

  ｅｎｐｎ，ｉＸｐｉ

 

  （９）式中 ｅｎ為第ｎ 種技術(shù)的成本；ｎ＝１，２，…，ｑ；ｐｎ，ｉ為ｉ地塊采用第ｎ 種技術(shù)的產(chǎn)量；Ｘｐｉ為ｉ 地塊總產(chǎn)量。

 

  該地塊的適用能源技術(shù)包括各種形式的熱泵、鍋爐、冷熱電聯(lián)產(chǎn)、可再生能源利用等所有可用的技術(shù)。各類(lèi)技術(shù)對應的產(chǎn)品產(chǎn)量由該地塊的資源條件確定。

 

  ５．２ 懲罰權重的確定

 

  對各個(gè)地塊負荷變化及產(chǎn)品產(chǎn)量偏離測算值時(shí)懲罰權重的確定需要結合具體的項目進(jìn)行。

 

  懲罰權重值的大小沒(méi)有限制，對結果產(chǎn)生影響的是各個(gè)懲罰權重之間的相對大小?？刂茋栏竦募s束需要較大的懲罰權重，對于控制不嚴格的約束需賦以較小的懲罰權重。為了確定懲罰權重的大小，需要通過(guò)多次的嘗試，根據優(yōu)化結果的可接受程度來(lái)確定最終的懲罰權重。

 

  ６ 結論和展望

 

  本文介紹了區域建筑能源規劃同城市區域詳細規劃相結合的必要性及工作形式，并討論了在該模式下區域建筑能源規劃在區域、地塊、建筑３個(gè)層面的工作。重點(diǎn)介紹了地塊間能量流動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)化方法———兩階段規劃法。通過(guò)此規劃求得最優(yōu)解，以此最優(yōu)解為基礎進(jìn)行目標規劃討論彈性約束條件下的最優(yōu)流網(wǎng)絡(luò )形式。通過(guò)多次計算分析最終得到各個(gè)地塊的規劃指標和規劃方案。

 

  本文對一種推行區域建筑能源規劃的思路和模型工具進(jìn)行了初步的探討，模型的具體細節還需要深入研究，并通過(guò)工程實(shí)踐不斷修正和完善。