基于動(dòng)態(tài)和空間分布的城市能源規劃方法

  1 引言

 

  能源問(wèn)題已經(jīng)日益成為全球關(guān)注焦點(diǎn), 而能源消耗的主體是城市。能源系統是城市發(fā)展的生命線(xiàn), 是城市基礎設施的主要組成部分。至2005年, 我國共有設市城市661個(gè), 城市化水平為41%。隨著(zhù)我國的快速城市化進(jìn)程, 能源問(wèn)題日益突出。近年來(lái), 我國電力、煤炭、燃氣等能源相繼出現短缺, 這種短缺直接危及到城市, 如何保證城市用能的供需平衡和安全供能呢? 在我國“十一五”規劃中已經(jīng)將節約資源上升到基本國策, 并明確提出單位GDP降低能耗20%的指標, 城市作為能耗的主戰場(chǎng), 如何采取具體措施來(lái)降低能耗? 城市環(huán)境污染問(wèn)題日益突出, 能源消耗是大氣污染物的主要來(lái)源, 如何最有效地降低能源消耗帶來(lái)的大氣污染排放? 隨著(zhù)西氣東輸、天然氣進(jìn)京以及可再生能源的利用, 我國主要城市的能源結構正在發(fā)生重大變化, 清潔能源在取代燃煤的同時(shí), 也給城市增加了沉重的經(jīng)濟負擔, 如何在保證城市用能安全的同時(shí),通過(guò)最小的經(jīng)濟代價(jià)來(lái)實(shí)現能源利用效率地提高和改善大氣環(huán)境? ……這些都是城市能源需要回答的大問(wèn)題, 也是復雜問(wèn)題, 還有由此衍生出的諸多詳細問(wèn)題,包括技術(shù)問(wèn)題等。而解決好這些問(wèn)題, 需要結合城市能源現狀和未來(lái)發(fā)展, 對城市能源進(jìn)行科學(xué)合理地規劃, 優(yōu)化城市能源系統配置, 從能源安全、環(huán)境保護、能源節約和經(jīng)濟性等方面綜合評價(jià), 提出城市能源現狀和發(fā)展的解決方案。因此, 城市能源的合理規劃與優(yōu)化配置是解決城市快速發(fā)展與能源短缺的矛盾, 協(xié)調城市化進(jìn)程與能源資源合理利用的關(guān)鍵。

 

  2 我國城市能源規劃的現狀

 

  目前, 我國對城市能源發(fā)展的研究主要從兩個(gè)層面上開(kāi)展:一是宏觀(guān)的能源規劃[ 1～ 4] , 強調能源供需總量平衡, 缺乏具體技術(shù)支持, 與城市規劃存在一定的脫節, 因而無(wú)法形成具體實(shí)施方案, 可操作性差;二是能源基礎設施專(zhuān)項規劃[ 5] , 在我國城市規劃體系中主要包括電力規劃、熱力規劃和燃氣規劃三方面內容, 這些專(zhuān)項規劃由于各專(zhuān)業(yè)相互之間缺乏協(xié)調, 使得規劃方案有專(zhuān)業(yè)局限性, 得不到客觀(guān)的整體能源解決方案。

 

  這兩種現有規劃方法在解決城市能源問(wèn)題中, 存在著(zhù)先天的缺陷, 難以適應當前錯綜復雜的城市能源現狀,獲得更為科學(xué)合理的城市能源解決方案。主要表現以下四個(gè)方面:

 

  1)能源供需平衡缺乏動(dòng)態(tài)性

 

  城市能源系統的供需平衡, 不僅表現在一年總量的平衡, 更多地體現在能源需求負荷在一年中動(dòng)態(tài)變化中如何保障能源供應的可靠性。南方城市夏季會(huì )出現電力高峰, 北方城市冬季會(huì )出現燃氣供應緊張, 晚間下班后一段時(shí)間燃氣管道往往氣壓過(guò)低供氣不足等等。以北京為例, 2004年, 冬季日高峰用氣量2441萬(wàn)立方米, 夏季日均用氣量300萬(wàn)立方米, 兩者之比約為8∶1, 電力最高負荷943萬(wàn)千瓦, 最低負荷530萬(wàn)千瓦,兩者之比約為1.8∶1, 高峰負荷呈大幅增長(cháng)的態(tài)勢, 電力、天然氣季節性消費差異突出, 峰值高、持續時(shí)間短,季節性平衡難度大。在環(huán)境方面, 污染排放不僅僅是控制污染排放總量, 而且要看污染排放的落地濃度, 這就需要看污染排放的動(dòng)態(tài)量, 例如北京污染最嚴重的時(shí)間一般是冬季采暖高峰期, 而夏季相對空氣質(zhì)量較好, 這都需要對能源消耗的動(dòng)態(tài)規律進(jìn)行分析?，F有城市能源規劃通常強調全年總體能源供需平衡, 這就無(wú)法客觀(guān)反映以上問(wèn)題, 也無(wú)法針對上述能源供需動(dòng)態(tài)變化提出合理的規劃方案。因此, 能源負荷具有全年8760小時(shí)的動(dòng)態(tài)特性, 特別是建筑冷、熱、燃氣和電力負荷需求隨著(zhù)氣象條件、建筑類(lèi)型、生活水平等因素而呈現更為明顯的季節性和日間動(dòng)態(tài)特性, 宏觀(guān)、靜態(tài)單點(diǎn)的能源需求總量分析預測具有一定的局限性。

 

  2)能源供需平衡缺乏空間分布特性

 

  能源供應源、管網(wǎng)拓撲和動(dòng)態(tài)的能源負荷需求又是在城市地理空間域上分布, 只有負荷和周邊狀況反映為空間分布, 才能根據負荷的空間密度、局部負荷規模、周邊環(huán)境要求和資源狀況等選取合理的能源方案,例如對于供熱而言, 負荷密度高、規模大, 適宜集中供熱方式, 低密度、規模小的負荷可選取分散燃氣采暖。

 

  只有能源系統的空間分布, 才會(huì )對包括源、網(wǎng)在內的能源系統的合理性進(jìn)行評價(jià)。例如, 在安全性方面, 雖然城市整體能達到供需平衡, 但局部地區可能會(huì )出現諸如輸配管網(wǎng)局部管道輸送能力受限等瓶頸, 再如在環(huán)境方面, 整體排放量小, 但可能會(huì )出現局部排放嚴重超標等等。而現有城市能源規劃中對于能源系統及負荷的空間分布問(wèn)題, 缺乏應有的體現。圖1為應用GIS軟件對熱負荷密度和供熱方式空間分布顯示的一個(gè)示例, 不同建筑類(lèi)型、建筑密度、容積率和能源負荷數據的詳盡情況是支持空間分布特性分析的依據和基礎。

 

  圖1 天津中新生態(tài)城的熱負荷密度

 

  和供熱方式空間分布

 

  3)各能源基礎設施專(zhuān)項規劃之間缺乏協(xié)調性

 

  對于目前各城市所作的電力、熱力和燃氣等能源基礎設施專(zhuān)項規劃, 普遍存在各規劃之間缺乏相互協(xié)調現象。例如, 對于供熱而言, 燃氣供熱的比例問(wèn)題,燃氣采暖的耗能特性對燃氣輸配系統的影響問(wèn)題, 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱的規模和對電網(wǎng)的影響問(wèn)題, 天然氣分布式發(fā)電在城市如何利用及對燃氣、供熱和電力輸配系統的影響等問(wèn)題, 都需要各能源基礎設施之間的相互協(xié)調, 需要一個(gè)城市整體層面的能源規劃, 以防止各專(zhuān)項規劃出現片面性的能源規劃方案。再比如說(shuō), 對于相同的建筑冷、熱、燃氣和電力需求, 可以選擇不同能源供應及其轉換方式, 建筑供熱空調有集中式、分布式和分散式等多種方式, 可以通過(guò)煤、燃氣、電力、油等能源及其轉換設備來(lái)實(shí)現各種方式之間優(yōu)勢互補和多種能源之間的替代性, 其中燃煤/燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣鍋爐、燃氣直燃機、熱電冷三聯(lián)供(CCHP)、電采暖空調和電力驅動(dòng)的各種熱泵方式等等能源轉換方式對燃氣規劃和電力規劃產(chǎn)生影響。另外, 建筑中生活熱水負荷需求可以通過(guò)燃氣熱水器、電熱水器、太陽(yáng)能熱水器、熱泵、CCHP或城市熱網(wǎng)等方式供應, 不能簡(jiǎn)單把生活熱水負荷在各個(gè)規劃中重復計算。此外, 燃氣規劃中工業(yè)和交通用氣使得建筑能源與城市能源相關(guān)聯(lián)起來(lái)。再者, 隨著(zhù)可再生能源政策推進(jìn)和技術(shù)的進(jìn)步, 可再生能源和傳統能源、清潔能源之間也存在著(zhù)替代性和優(yōu)化配置問(wèn)題。

 

  4)能源規劃缺乏應有的技術(shù)支持

 

  現有能源規劃, 甚至包括專(zhuān)項規劃, 所提出能源方案往往更多地依靠專(zhuān)家經(jīng)驗, 方案論證定性的成分多,定量分析缺乏。特別是城市能源基礎設施, 沒(méi)有管網(wǎng)模擬技術(shù)支持, 無(wú)法將能源規劃方案落到實(shí)處, 所得到的能源方案也就缺乏充分依據, 最終可能是空洞的、不合理的, 難以實(shí)施。

 

  為了克服上述城市能源規劃中存在的問(wèn)題, 本文提出城市能源規劃的新方法, 即基于動(dòng)態(tài)和空間分布的城市能源綜合規劃方法。相對于傳統的能源規劃而言, 該方法體現能源負荷在空間和時(shí)間的分布, 并基于具體技術(shù)層面的能源方案的規劃與優(yōu)化, 使得規劃更加具體和實(shí)際, 實(shí)現了能源系統方案在技術(shù)上的可操作性。相對于專(zhuān)項規劃而言, 是專(zhuān)項規劃之上的更高層次的綜合規劃, 將會(huì )更加突出各能源基礎設施系統的協(xié)調配置和運行, 獲得的規劃方案將更加全面合理。

 

  3 城市能源綜合規劃的內涵

 

  基于動(dòng)態(tài)和空間分布的城市能源綜合規劃方法是一種全新的規劃方法, 需要從能源供應、能源轉換環(huán)節和輸配管網(wǎng)到能源負荷需求等多方面內容的深入研究, 并形成多個(gè)工具的利用和開(kāi)發(fā), 我們認為主要包括以下內容:

 

  1)動(dòng)態(tài)能源負荷分析與預測技術(shù)

 

  城市能源負荷是進(jìn)行能源規劃的基礎和根本, 在對多個(gè)城市進(jìn)行規劃的大量調研數據積累和數據分析基礎上進(jìn)行分類(lèi)并提煉影響因素, 分析歸納負荷與影響因素之間的定量關(guān)系, 形成能源負荷數據庫和負荷預測模型, 并分析預測城市能源的總需求量及其在空間與時(shí)間上的分布。為了分析各個(gè)能源負荷(需求)對于能源供應方式之間的協(xié)調和替代性, 需要從能源統計渠道和可獲得調研數據出發(fā), 主要分為供熱熱負荷、空調冷負荷、生活熱水負荷、燃氣分項負荷(炊事用氣、工業(yè)工藝用氣和交通用氣)、電力分項負荷(包括空調器、冷凍機和熱泵機組等供熱空調轉換設備及其系統輸配用電負荷, 其它電力負荷如照明電梯等)。其中燃氣和電力供熱空調負荷體現在供熱熱負荷和空調冷負荷需求中, 繼而結合能源系統, 從能源供應、能源轉換環(huán)節或輸配管網(wǎng)系統到能源負荷進(jìn)行計算得到供熱空調系統所消耗的燃氣和電力。最后根據我國城市規劃中的建筑和城市用地的分類(lèi)進(jìn)一步對這些負荷分類(lèi)進(jìn)行細分, 形成數據庫的基本結構, 比如建筑大類(lèi)分為居住R、公建C和工業(yè)M, 小類(lèi)住宅可分為普通住宅、高級住宅和別墅;公建可分為辦公/科研單位、商業(yè)金融、商場(chǎng)/商店/市場(chǎng)、飯店/賓館、影劇院/展覽館、托幼兒園/中小學(xué)校/大專(zhuān)院校、體育館和醫院等等, 根據冷、熱、氣、電負荷的各自特點(diǎn)再細分為子類(lèi), 比如分階段節能建筑、普通公共建筑和大型公共建筑等類(lèi)型。

 

  2)城市能源轉換特性

 

  定義城市能源轉換設備為城市能源系統中天然

 

  氣、燃煤和電等不同能源經(jīng)過(guò)轉換至輸配環(huán)節或末端用戶(hù)的設備, 其能源轉換特性主要包括熱力學(xué)特性、經(jīng)濟學(xué)特性、環(huán)境排放特性等。城市能源轉換特性的研究是城市能源系統重要技術(shù)支撐, 為單一能源系統功能提升和不同能源轉換系統相互替代提供科學(xué)依據。

 

  3)城市能源系統綜合評價(jià)技術(shù)

 

  不同能源供應和消費結構以及各種能源子系統的組合而成的城市能源系統, 需要一種綜合的評價(jià)技術(shù), 選擇合適的評價(jià)方法和評價(jià)指標, 根據2)中建立的能源效率、環(huán)境排放、經(jīng)濟成本模型綜合模擬計算形成適合城市能源系統評價(jià)的能源特性、環(huán)境排放特性和經(jīng)濟性指標, 另外提出能源系統可靠性及承載力等評價(jià)指標, 進(jìn)而對同一城市不同能源規劃方案進(jìn)行縱向比較評價(jià), 對不同城市發(fā)展水平的能源現狀或規劃進(jìn)行橫向比較評價(jià)。

 

  4)城市能源規劃設計軟件系統

 

  由于城市能源系統的多元化和復雜性, 對于能源配置進(jìn)行優(yōu)化很難實(shí)現, 而對能源系統進(jìn)行模擬仿真計算可實(shí)現方案對比和情景分析, 是確實(shí)可行的。綜合以上基礎和理論研究, 進(jìn)而開(kāi)發(fā)城市能源規劃設計軟件平臺, 為設計師和規劃師提供一個(gè)平臺和工具。

 

  該軟件系統包括了城市能源負荷數據庫、能源轉換數據庫和評價(jià)體系。

 

  總之, 基于動(dòng)態(tài)和空間分布的城市能源綜合規劃方法以能源負荷數據庫和能源轉換特性為基礎, 以模擬計算為手段, 借助規劃軟件平臺.

 

  該流程在規劃中的調研、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。該軟件平臺集成管網(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。

 

  4 結束語(yǔ)

 

  城市能源規劃應成為城市規劃體系的一個(gè)重要組成部分和內容, 從動(dòng)態(tài)的能源負荷分析入手, 以多元的能源轉換特性來(lái)分析能源技術(shù), 開(kāi)發(fā)適用的規劃軟件來(lái)對城市能源系統進(jìn)行模擬計算, 并利用、集成現有適宜空間分布的GIS等平臺, 形成一個(gè)多專(zhuān)業(yè)協(xié)調、高效率的、技術(shù)層面上的綜合規劃流程和方法。