社區能源綜合規劃及其方法初探

  ０ 引言

 

  社區節能減排不僅要降低用能個(gè)體（如建筑）的碳排放，也需要考慮通過(guò)系統綜合優(yōu)化的方法降低整體（社區）的碳排放。國際能源署建筑和社區節能項目（ＩＥＡ－ＥＣＢＣＳ）的研究指出，社區能源系統整體優(yōu)化所產(chǎn)生的節能潛力遠大于單個(gè)用能對象節能改造所產(chǎn)生的節能效果［１］。因此，如何通過(guò)社區能源規劃對社區范圍內的能源資源實(shí)施有效調控已經(jīng)引起眾多學(xué)者的關(guān)注。本文對國內外社區能源規劃的研究成果進(jìn)行了歸納總結，為深入研究提供參考。

 

  １ 社區能源綜合規劃的概念

 

  社區能源規劃（ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｅｎｅｒｇｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ）一詞來(lái)源于國外，原指通過(guò)對社區空間設計和市政設施規劃的優(yōu)化來(lái)促進(jìn)能源的有效利用。加拿大、英國、丹麥等國對社區能源規劃進(jìn)行了較早的探索和實(shí)踐［２］。國內區域能源規劃和低碳生態(tài)城區規劃研究的重點(diǎn)是實(shí)現城區能源系統效率最大化的方法，以及利用可再生能源、清潔能源替代傳統的化石能源減少社區碳排放的策略。

 

  社區能源規劃研究涉及到社區開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段，各階段能源規劃內容如圖１所示。在低碳生態(tài)城市建設的背景下，總體規劃中一般都包含節能低碳的要求。在詳細規劃階段，針對社區整體和各個(gè)分地塊設定具體的節能目標，提出控制和引導策略是該階段能源規劃的主要目的，也是將低碳目標落實(shí)到規劃地塊和具體項目的重要依據。在后續開(kāi)發(fā)建造階段的主要目標是建筑節能。在社區的運營(yíng)使用階段強調用戶(hù)的行為節能和能源系統設備的運營(yíng)維護。

 

  社區能源規劃可歸結為３個(gè)Ｗ 問(wèn)題：

 

  １）Ｗｈｅｎ：設施建設的時(shí)間進(jìn)度，在什么時(shí)候進(jìn)行相關(guān)的建設。

 

  ２）Ｗｈｅｒｅ：在什么位置進(jìn)行相關(guān)設施建設。

 

  ３）Ｗｈａｔ：建設什么樣的能源設施，選擇多大的容量，能源設施包括鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)機組、制冷機房、房間空調器、太陽(yáng)能光伏板、太陽(yáng)能集熱器、小型風(fēng)電設備、地源熱泵、輸配管網(wǎng)和換熱設備等能源利用相關(guān)設施。

 

  ２ 與一次能源規劃的對比

 

  一次能源規劃基于能源供給必須滿(mǎn)足能源需求的理念，規劃的重點(diǎn)在于通過(guò)統籌協(xié)調獲得足夠的能源供應渠道，并規劃建設相應的能源設施，保證城市能源安全［５］。各類(lèi)能源（燃氣、電力、熱力）由對應的能源部門(mén)分項規劃建設，滿(mǎn)足社區內各類(lèi)用戶(hù)的能源需求。一次能源規劃一般不考慮不同能源種類(lèi)間的相互替代，也較少考慮城市內部可再生能源資源的綜合利用，通過(guò)對一次能源的開(kāi)發(fā)、調運的合理規劃，以經(jīng)濟合理的手段解決能源供需矛盾。

 

  社區能源規劃可視為建立在一次能源規劃基礎上的基于需求側的二次能源規劃，是對一次能源規劃的補充和延伸。規劃對象是可直接供給用戶(hù)側使用的冷、熱、電等二次能源。通過(guò)對靠近用戶(hù)的二次能源的生產(chǎn)、輸配方案的綜合規劃，滿(mǎn)足用戶(hù)的能源需求。二次能源的生產(chǎn)是指將化石燃料、太陽(yáng)能等可再生能源資源轉換為用戶(hù)可以直接使用的冷（熱）量、電力、家用燃料等能源產(chǎn)品。，社區能源綜合規劃是在一次能源規劃的基礎上，對用戶(hù)側的能源轉換利用行為進(jìn)行圖２ 二次能源規劃與一次能源規劃的銜接具體詳細的指導和約束，用能主體通過(guò)能源轉換設備將商品燃料、電力等轉化為滿(mǎn)足生產(chǎn)生活需要的冷量、熱量、電力等二次能源，并通過(guò)低碳節能技術(shù)的合理應用降低社區碳排放。

 

  ３ 社區能源綜合規劃在城市規劃中的地位一次能源規劃通過(guò)統籌協(xié)調，將所需的燃氣、電力等能源輸入城市，驅動(dòng)城市的正常運轉，為城市的發(fā)展提供能源安全的保證。通過(guò)上文的對比分析可以看出，社區能源綜合規劃通過(guò)對社區用戶(hù)側的能量需求進(jìn)行綜合管理，為能源的高效利用提供保證。

 

  社區能源綜合規劃的實(shí)質(zhì)是將城市總體節能減排目標分解落實(shí)到具體的地塊和具體的項目建設中。將總體目標分解細化是實(shí)現城市節能減排總目標的根本保證，有助于切實(shí)降低能源利用所產(chǎn)生的碳排放。社區能源綜合規劃針對各用能對象設定能效提升、可再生能源利用、污染物排放的量化指標，給出實(shí)現方法和措施，對社區用戶(hù)側的能源利用進(jìn)行引導和約束。

 

  ４ 二次能源規劃的工作模式

 

  ４．１ 自上而下的模式

 

  該模式是通過(guò)城市規劃的驅動(dòng)力實(shí)現社區能源規劃的目的。城市詳細規劃文件是城市建設和發(fā)展的總依據，是指導城市各項建設工作的法定文件，具有普遍性和強制性。在城市詳細規劃中增加社區能源結構優(yōu)化、節能技術(shù)應用、綠色建筑的相關(guān)內容可以有力推動(dòng)低碳社區的建設工作，實(shí)現社區能源規劃的目的。通過(guò)城市規劃學(xué)者的努力，在現有的城市規劃體系中，增加節能減排的內容，利用規劃文件的強制性和普遍性推動(dòng)社區能源利用的低碳化［６－９］。通過(guò)“目標—政策和策略—措施”的方式，自上而下推動(dòng)社區采用高效節能的技術(shù)，增加可再生能源利用，減少化石能源消耗。

 

  ４．２ 自下而上模式

 

  該模式是由從事建筑節能技術(shù)研究的學(xué)者構建社區能源系統優(yōu)化模型，通過(guò)定量化計算分析，確定社區能源供應系統中各類(lèi)能源適宜的結構和數量，選擇社區能源系統集中（分散）的結構形式以及技術(shù)方案。這種基于工程技術(shù)發(fā)展水平制定社區能源規劃目標和政策的模式即為自下而上的工作模式。

 

  ５ 社區能源規劃模型

 

  國外學(xué)者將社區能源規劃的研究重點(diǎn)放在區域能源系統優(yōu)化分析模型的開(kāi)發(fā)及對應的計算機工具軟件的編制，Ｇｏｎｃａｌｏ Ｍｅｎｄｅｓ等人對用于社區能源系統綜合規劃的模型和工具進(jìn)行了總結和討論［４］。筆者分析了幾種目前社區能源系統技術(shù)經(jīng)濟模型（又稱(chēng)為自下而上模型ｂｏｔｔｏｍ－ｕｐｍｏｄｅｌ），包括ＨＯＭＥＲ，ＤＥＲ－ＣＡＭ，ＥＡＭ，ＭＡＲＫＡＬ／ＴＩＭＥＳ，ＲＥＴＳｃｒｅｅｎ，Ｈ２ＲＥＳ等，對其開(kāi)發(fā)機構、模型特點(diǎn)、應用時(shí)使用者主觀(guān)性對結果的影響等進(jìn)行了匯總和比較.

 

  這些可用于社區能源系統優(yōu)化的計算機工具的模型結構如圖４所示。按照能源生產(chǎn)、分配和消費環(huán)節進(jìn)行劃分，結合模型內置的能源轉換利用技術(shù)庫，在冷、熱、電等需求確定的情況下，使用者從技術(shù)庫中選擇一種或幾種技術(shù)進(jìn)行組合形成技術(shù)方案，通過(guò)模型模擬計算比較，獲得較優(yōu)的社區能源供應系統。

 

  由于區域能源系統建模對象是一個(gè)復雜的熱力系統，具有多維度、內部關(guān)系復雜、系統龐大等特征，對于不同對象所涉及的能量系統特點(diǎn)不同，基于能源設備構建的能源系統模型不能完全反映出對象能量利用的本質(zhì)特點(diǎn)。特別是在規劃階段的初期，由于能源供需及轉換能力的不確定性，在相關(guān)要素發(fā)生變化時(shí)須重新構建模型，因此該類(lèi)模型存在通用性和靈活性不足的問(wèn)題。此外，因該項工作專(zhuān)業(yè)性強，要求使用者具有豐富的能源規劃經(jīng)驗和能源技術(shù)基礎，大大增加了使用難度，一般用戶(hù)很難利用這些技術(shù)分析軟件。

 

  ６ 社區能源規劃的新模式展望

 

  城市規劃具有公共政策的屬性，具有強制性和法律效力，相對于具體的節能減排技術(shù)，更能在宏觀(guān)方面發(fā)揮其公共政策的作用，作為一種有效的調控工具，對節能減排，降低碳排放起到綜合協(xié)調、上層指導的作用。因此，以社區能源系統模型定量計算為支撐，將社區能源系統分析的結果按照當前城市規劃的模式融入到城市詳細規劃文件中，充分發(fā)揮城市規劃文件普遍性和強制性的優(yōu)勢。這種自上而下與自下而上相融合的模式將有助于更好地解決社區能源規劃問(wèn)題。

 

  兩種模式融合的關(guān)鍵是社區能源系統分析的模型，應具有較好的普遍性，其分析過(guò)程和結果應具有足夠的健壯性。該模型應能從能量轉換利用的本質(zhì)出發(fā)，將能源轉換傳輸利用技術(shù)進(jìn)行數學(xué)抽象，結合情景分析獲得理論上最優(yōu)的能流圖或流圖?；谶@種理論能流圖，探討并確定對應環(huán)節的能量轉換利用效率參數。在情景分析時(shí)，通過(guò)調整關(guān)鍵參數，觀(guān)察能流圖結構的演化和輸出數值的變化范圍?；谕耆橄蠡?、理論化的模型架構，可以減少輸入數據的量，簡(jiǎn)化分析過(guò)程，更適于早期規劃階段應用。

 

  因此，構建適應于城市詳細規劃階段應用的社區能源系統規劃分析模型仍具有重要意義。