城市能源系統綜合規劃模型的研究與應用

  0 引言

 

  根據IEA的估計, 2006 年全球城市能耗達79億t油當量, 占全球總能耗的三分之二, 這一比例到2030年將上升到四分之三。因此, 未來(lái)與能源有關(guān)的CO2 排放量的增長(cháng)將主要來(lái)自城市。到2030年, 由能耗產(chǎn)生的CO2 排放中將有76%來(lái)自城市。

 

  我國正處于快速城市化發(fā)展階段, 城市化率以每年接近1個(gè)百分點(diǎn)的速度增長(cháng), 2008年達到45.7%。

 

  2020年預期將達到60%以上。根據2010中國新型城市化報告, 2007年全國GDP排名前100位的地級及以上城市能源消耗驚人, 僅有1個(gè)城市能源消耗未過(guò)100 萬(wàn)t標準煤, 有近一半數量的城市能源消耗超過(guò)了1000 萬(wàn)t標準煤。百強城市用僅占全國2.65%的土地面積, 承載著(zhù)全國17.57%的人口, 同時(shí)貢獻了全國一半以上(達52.52%)的GDP, 但也消耗了53.05%的總能耗。數據再一次證實(shí)了城市是經(jīng)濟、技術(shù)、人才集聚的高地, 也是國家能源消耗的主體。發(fā)展低碳城市是中國應對氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟、面向“后京都時(shí)代”的必然選擇。在快速城市化過(guò)程中, 主要的碳排放源來(lái)自土地利用和能源利用。探索城市能源利用的最佳途徑是構建低碳城市的前提和保障。因此, 要求我們需要用一種全新的視角去審視城市能源的利用模式和方法。

 

  1 國內外城市能源系統規劃模型研究

 

  概況

 

  城市模型技術(shù)經(jīng)過(guò)若干年的發(fā)展在相關(guān)領(lǐng)域有了廣泛的應用, 但其主要聚焦于土地利用和結構布局兩個(gè)方面。Batty曾經(jīng)給出了三個(gè)經(jīng)典的城市模塊模型:即土地利用和交通布局模型、城市系統動(dòng)力學(xué)模型、基于城市分區和用戶(hù)活動(dòng)的模型, 這些模型開(kāi)始只應用于城市經(jīng)濟和空間規劃問(wèn)題, 后來(lái)一些研究人員將其應用到應對氣候變化和環(huán)境污染領(lǐng)域, 最著(zhù)名的一個(gè)例子就是Tyndall中心的綜合評價(jià)模型正在倫敦空間布局的氣候風(fēng)險領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要的作用。國外也有研究人員致力于城市能源系統的建模并開(kāi)發(fā)出一些工具, 包括在建筑和社區尺度評估能源、水和廢棄物消耗的模型[ 3] , 地理信息系統(GIS)在城市不同空間模式下能源需求評價(jià)中的應用模型, 城市熱需求和當地可利用能源量之間相互作用關(guān)系的模型[ 4] , 城市能源需求預測與能源管理優(yōu)化集成模型等等。然而, 這些模型雖然種類(lèi)眾多,但都不約而同得彰顯出兩個(gè)特點(diǎn):一是這些模型必然體現了城市能源需求在時(shí)間和空間上的變化, 這就需要輸入大量的相關(guān)數據:如來(lái)自地理信息系統GIS的數據, 或者是建筑的設計說(shuō)明等;二是這些模型均在試圖尋求城市能源在供應測和需求側的優(yōu)化, 比如給出一些優(yōu)化的供應策略或運行策略等。

 

  除了以上優(yōu)點(diǎn), 現在的國內外的研究實(shí)踐也顯示出了一定的局限性, 那就是大多針對既定系統的某單一方面, 并且需要大量的數據支持, 這就造成了一些模型細化有余而宏觀(guān)指導不足, 一旦離開(kāi)了具體針對的案例和大規模的數據支持就往往顯得推廣應用性不強, 沒(méi)有可復制性。更關(guān)鍵的是, 他們不能在城市能源系統的各個(gè)設計階段、眾多應用領(lǐng)域給出一個(gè)高度宏觀(guān)提煉的集成模型, 來(lái)指導城市能源系統規劃建設的各個(gè)步驟。

 

  2 SynCity模型簡(jiǎn)介

 

  本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于設計了一種嶄新的城市能源系統集成模型— SynCity, 它將城市能源系統設計的主要步驟和主要應用對象通過(guò)數學(xué)建模的手段集成在一個(gè)模塊框架中, 形成了一個(gè)工具包, 既能夠展示城市能源利用在時(shí)間和空間分布中的變化, 又不依賴(lài)于大量的數據輸入, 同時(shí)具有宏觀(guān)的綜合指導意義。

 

  SynCity模型主要包括三個(gè)模塊, 每個(gè)模塊解決城市能源系統規劃中的一個(gè)主要問(wèn)題。三個(gè)模塊可以序列運行, 為一個(gè)低碳生態(tài)城做從規劃到能源的全程模擬, 有時(shí)候由于客觀(guān)條件所限,也可以單獨運行某一模塊, 在能源系統的某一方面給出建議。

 

  布局模型(layoutmodel), 主要是在某一目標函數下, 求解城市中不同類(lèi)型建筑和交通設施的最佳選址布局, 以達到初投資和運行費用最低, 或者是能耗和碳排放最低。根據城市規劃圖將目標城市的土地利用規劃情況(包括辦公建筑、住宅、工廠(chǎng)、綠地等)、城市交通設施的規劃情況以及人口數量等信息輸入模型, 設置城市居民活動(dòng)的幾種情景, 通過(guò)混合線(xiàn)性規劃技術(shù)(MILP), 給出各種建筑和交通設施在目標函數下新的布局方案。在這種方案下, 城市建筑既能夠滿(mǎn)足城市居民居住、辦公和生活娛樂(lè )的需求, 同時(shí)也可以達到造價(jià)最低, 或出行距離最短(能耗最低)等。

 

  用戶(hù)活動(dòng)模型(agentactivitymodel), 用來(lái)對規劃城市進(jìn)行負荷預測。它改變了過(guò)去單純以冷、熱、電單位面積指標乘以規劃面積進(jìn)行需求預測的方式, 而是通過(guò)情景分析設置城市居民的生活活動(dòng), 如通過(guò)收入調查將城市居民分作不同種類(lèi), 他們出行選用的交通方式不同就會(huì )導致他們各自產(chǎn)生的交通能耗不同, 他們的住宅檔次不同亦會(huì )產(chǎn)生不同的建筑能耗等等。必須指出的是用戶(hù)活動(dòng)模型里需要輸入的是布局模型的結果, 如果是三個(gè)模塊序列運行,它將按照布局模型生成的優(yōu)化布局進(jìn)行冷、熱、電的需求預測, 如果是單獨運行此模塊, 即可輸入規劃方案中的布局進(jìn)行預測。

 

  資源—技術(shù)—網(wǎng)絡(luò )模型(resource-ktechnologynetworkmodel,RTNmodel)是在用戶(hù)活動(dòng)模型負荷預測的基礎上, 探索城市能源的最佳供應模式和方案。模型認為, 每一種城市能源系統均可以表述為某些資源和某些技術(shù)的組合。這些資源可以是化石能源(煤, 石油, 天然氣等), 也可以是可再生能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地熱等), 還可以是城市未利用能源(地鐵排熱、工廠(chǎng)廢熱、淺層土壤或地表水溫差熱等), 而這些技術(shù)是將這些輸入資源轉化為另外一些輸出的資源(熱電冷聯(lián)供技術(shù)、熱泵技術(shù)等), 如基于天然氣的熱電冷聯(lián)供技術(shù)(CCHP)是將一定數量的天然氣轉化為電、高品位的熱和廢熱。而高品位的熱可以通過(guò)換熱器制取熱水進(jìn)行冬天建筑供熱, 也可以通過(guò)吸收式制冷機制取冷量進(jìn)行夏季供冷。因為任何城市在空間形態(tài)上都可以分割成一些不同的單元(其優(yōu)化的結果由布局模型得出), 而每一個(gè)單元又有著(zhù)各自不同的隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)的負荷分布(其模擬結果由用戶(hù)活動(dòng)模型得出), 資源技術(shù)網(wǎng)絡(luò )模型正是通過(guò)混合線(xiàn)性規劃技術(shù)解決在滿(mǎn)足各個(gè)城市單元負荷需求的前提下, 這些技術(shù)如何最佳配置以達到最優(yōu)的供應方案, 以及各個(gè)城市單元之間的能流調度模式。目標函數同樣可以是費用最低, 能耗最低或者是碳排放最低, 也可以通過(guò)設置各目標的權重, 得到一種綜合的優(yōu)化方案。模型輸出圖將顯示每一種技術(shù)被配置在哪一個(gè)城市單元以及能流調度網(wǎng)絡(luò )(包括能源流向和數量)。

 

  模型里最主要的方程是資源平衡, 即Prit+Qrit+Irit+Srit-Erit-Drit=0, rit, 其中:Prit為區域i在時(shí)間t內資源r的凈生產(chǎn)量, 其值可正可負, 為正代表生產(chǎn)量, 為負代表消耗量;Qrit為在時(shí)間t內從城市其他區域通過(guò)調度流入區域i的資源r總量, 其值同樣可正可負, 為負代表在時(shí)間t內通過(guò)調度從區域i流向城市其他區域的資源r總量;Irit為區域i在時(shí)間t內從城市外進(jìn)口的資源r總量;Srit為區域i在時(shí)間t內使用的資源r凈儲存量, 其值為負表示區域i在時(shí)間t內儲存多余的資源r總量;Erit為區域i在時(shí)間t內的資源r出口量, Drit為區域i在時(shí)間t內對資源r的需求量。其中Drit由用戶(hù)活動(dòng)模型通過(guò)負荷預測得到, 而其他值的確定則與選擇的技術(shù)有關(guān), 通常需要設定各種技術(shù)的能源效率、運行效率等參數。

 

  可見(jiàn), 資源平衡方程可以保證城市每個(gè)單元區域的需求被多種方式滿(mǎn)足, 包括進(jìn)口、當地生產(chǎn)、從其他區域調入或者使用貯存量等;同理, 如果某個(gè)區域對于某種資源有著(zhù)過(guò)剩的生產(chǎn)量或者進(jìn)口量, 也可以調入其他供應不足的區域, 或者出口, 或者儲存起來(lái)供日后使用。RTN模型就是模擬這種多種資源和多種技術(shù)的最佳組合配置, 通過(guò)多目標尋優(yōu)使得各種技術(shù)配置在最合適的區域, 同時(shí), 不同城市單元之間有著(zhù)最佳的能流調度方案。其中技術(shù)的選址配置和網(wǎng)絡(luò )的連接與否都可以用二進(jìn)制變量, 如0代表該技術(shù)不設置在區域i, 區域i與區域j之間沒(méi)有能流網(wǎng)絡(luò )連接(即沒(méi)有能流調度), 而1則代表相反;而各種技術(shù)的生產(chǎn)量等參數均可用連續變量表示。

 

  3 SynCity模型應用實(shí)例

 

  3.1 臨港新城簡(jiǎn)介

 

  臨港新城是上海繼浦東開(kāi)發(fā)開(kāi)放之后獨具輔城作用的又一個(gè)戰略重點(diǎn)發(fā)展區域, 也是市政府確定的上海市三大低碳示范區域之一(另外兩個(gè)為崇明東灘生態(tài)城和虹橋商務(wù)區)。規劃面積約296.6km2 , 規劃人口83萬(wàn)。分為四大片區布局, 分別為中心區(主城區)、主產(chǎn)業(yè)區、綜合區、重裝備產(chǎn)業(yè)區和物流園區四大片區。土地利用規劃圖見(jiàn)圖1。

 

  3.2 SynCity模擬結果

 

  3.2.1 布局模型結果

 

  臨港新城的開(kāi)發(fā)商已經(jīng)對新城進(jìn)行了總體規劃, 而布局模型可以對該總體規劃結果的初投資和年運行費用、能耗以及CO2 排放量進(jìn)行初步估算,進(jìn)而從多種角度對該設計進(jìn)行綜合評估, 并給出可替代的規劃布局。與基準布局相比, 優(yōu)化布局中, 辦公區域與住宅區域的相對位置得到調整, 辦公區域與住宅區域的空間距離大幅縮短, 這樣有助于降低交通能耗, 而娛樂(lè )區域的數量被略微削減, 這是因為模型認為在滿(mǎn)足規劃區域人口娛樂(lè )需求的前提下,不需要更多的娛樂(lè )功能建筑。

 

  3.2.2 用戶(hù)活動(dòng)模型結果

 

  將模型預測結果, 與按照不同功能類(lèi)型建筑的冷、熱、電負荷指標乘以建筑面積得到的負荷計算結果相比, 吻合性在80%以上, 說(shuō)明用戶(hù)活動(dòng)模型在負荷預測方面的功能可以信賴(lài)。

 

  3.2.3 資源技術(shù)網(wǎng)絡(luò )模型結果

 

  比較了7 種冬季采暖技術(shù), 即燃氣鍋爐(boiler),電鍋爐(eheater), 空氣源熱泵用于采暖(ASHPh),土壤源熱泵用于采暖(GSHP-h), 燃氣發(fā)動(dòng)機熱泵用于采暖(GHP-h), 燃氣直燃型吸收式熱泵用于采暖(AHP-h), 及建筑熱電冷三聯(lián)供用于發(fā)電采暖(BCHP-hp);5種夏季供冷技術(shù), 即空氣源熱泵用于供冷(ASHP-c), 土壤源熱泵用于供冷(GSHP-c), 燃氣發(fā)動(dòng)機熱泵用于供冷(GHP-c), 燃氣直燃型吸收式熱泵用于供冷(AHP-c), 及建筑熱電冷三聯(lián)供用于發(fā)電供冷(BCHP-cp)。Heatex表示換熱裝置。優(yōu)化目標為CO2 排放量最低。網(wǎng)絡(luò )圖中, 網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)表示資源流向調度情況, 線(xiàn)寬與資源流動(dòng)量成比例。其中, 紅色代表燃氣流, 綠色代表電力流, 深藍色代表區域熱流, 淺藍色代表區域冷流。

 

  (1)需要輸入模型的各種技術(shù)的能源效率及CO2 排放量參數。

 

  (2)CO2 排放量最低目標下的資源技術(shù)網(wǎng)絡(luò )圖現構件的異地操作。

 

  懸臂剛架梁柱節點(diǎn)的設計要解決以下三個(gè)問(wèn)題,首先該結構中柱子和梁分屬兩種不同的材料, 節點(diǎn)的連接須保證兩種材料可靠連接;其次, 柱與懸臂梁連接, 節點(diǎn)須能很好的傳遞彎矩且具有足夠的剛度;再次, 節點(diǎn)構造須實(shí)現異地拆裝和制作。鑒于上述要求, 鋼柱與鋁鎂合金梁采用高強螺栓連接。

 

  4 結語(yǔ)

 

  本文以2010年世博會(huì )山東館序廳大懸挑剛架為研究對象, 從靜力、動(dòng)力、穩定性三方面對結構進(jìn)行分析, 并完成了對關(guān)鍵構件及節點(diǎn)的設計, 得出以下結論:

 

  (1)通過(guò)在各懸臂剛架側面增加橫向聯(lián)系的方式, 解決了大懸臂剛架豎向剛度不足的問(wèn)題, 保證了各懸臂剛架變形后整體曲面的流暢、協(xié)調。

 

  (2)序廳懸臂剛架的橫梁和立柱均采用箱形截面, 提高結構的穩定性, 同時(shí)增強了構件的豎向剛度, 改善了結構的動(dòng)力特性。

 

  (3)在材料的選取上, 通過(guò)材料對比分析, 立柱部分采用鋼板焊接的剛度較大的箱形柱, 橫梁部分采用材質(zhì)較輕的鋁鎂合金, 滿(mǎn)足了結構受力與變形要求。