一种推行区域建筑能源规划的 模式及工作方法

  科学合理的区域建筑能源规划对降低区域化石能源总需求具有重要意义。能源与城市规划学科的学者对如何进行区域建筑能源规划的相关问题进行了探索研究。

 

  对于较小区域的能源规划问题，能源学科众多学者进行了理论探讨和实践探索。龙惟定等人探讨了城市建筑能源系统规划的必要性和方法、区域能源规划目标设定、可用能源资源量评估、区域建筑负荷预测、区域建筑能源系统模型构建和分析、低品位能源的利用技术等区域建筑能源规划的相关内容。孙冬梅等人对我国的城市能源规划现状进行了分析，并提出了低碳生态城市的建筑能源规划的原则、主要内容、方法及步骤。

 

  规划学科讨论的重点在于如何通过改进城市规划方法降低城市能耗。周银波等人对如何将低碳生态化目标分解到开发建设的各地块的指标中并以强制性指标的形式列入控制性详细规划指标体系中进行了探索［１２］。陈金平指出设计策略应立足于现状特征、立足于管理政策与空间规划相结合，并针对上海地区提出减少交通、建筑、产业三方面能耗的规划策略［１３］。顾朝林等人提出应在城市详细规划中列出可实施的减少碳排放的技术和对策。徐彦峰讨论了基于低碳生态理念对市政基础设施规划的思路，提出将能源系统作为市政规划的要点之一。他结合我国实际情况认为应该合理确定能源利用方式，注重能源的梯级利用，提高能源利用效率。规划重点在于推广分布式能源系统，降低输送损失。林忠航探讨了在城市规划编制的各个层面应如何考虑能源问题，从城市规划层面探索解决城市能源问题的途径。

 

  在生态社区的建设实践中，ＬＥＥＤ－ＮＤ，ＢＲＥＥＡＭ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ等生态社区评价指标体系为国内生态城区的开发提供了参考。结合生态城区的建设实践，我国颁布了ＨＪ ２７４—２００９《综合类生态工业园区标准》和ＨＪ／Ｔ ２７３—２００６《行业类生态工业园区标准（试行）》，出版了《中国生态住宅技术评估手册》。这些标准或手册中都对区域建筑能源利用提出了要求。

 

  但上述相关研究对区域建筑能源规划工作推行的具体模式以及区域建筑能源规划的地位讨论较少。本文结合我国的城市规划工作体系探讨了一种推行区域建筑能源规划工作的模式，以及在该模式下进行建筑能源规划的方法。

 

  １ 区域建筑能源规划与城市详细规划相结合的模式１．１ 结合的意义城市详细规划规定了建设用地的各项控制指标和其他规划管理要求，或者直接对土地开发建设作具体的安排和规划设计。城市详细规划的主体内容是依据城市管理各个方面（如经济、社会、交通、生态、能源等）的一套指标体系确定的。这些指标规定了土地出让方与承让方的相关权利与义务，是衡量建设是否达到预期目标的重要依据。因此，详细规划中关于能源部分的规划方案和规划指标是否科学合理决定着低碳节能的理念是否能落实到后续的开发建设中。但是，目前的城市详细规划规范和导则中缺乏针对较小的区域（几ｋｍ２）和地块层面的能源控制指标。

 

  区域建筑能源规划对于区域－地块－建筑等几个层面的能量利用技术上的合理性和科学性已有充分研究。但区域建筑能源规划工作并没有在主流的规划工作中普遍推广。

 

  因此，将区域建筑能源规划以一种普遍的形式

 

  结合到城市详细规划中去，借助于城市规划的前置性和法律强制性以及城市规划在基础资料获取、用地等方面的诸多优势，对促进区域建筑能源规划工作顺利实施具有重要意义。

 

  １．２ 结合方法

 

  自１９８９年《中华人民共和国城市规划法》颁布实施以来，我国的城市规划形成了一套成熟的工作体系和方法，是城市建设管理的主要手段。区域建筑能源规划是城市能源规划的创新内容之一，应隶属于城市规划。区域建筑能源规划与城市详细规划相结合不应削弱区域建筑能源规划内在的创新性，而应是借鉴城市详细规划的工作模式，把能源规划的主要结论和成果融入到城市详细规划中去，作为城市详细规划的成果之一表达出来。

 

  １．３ 结合的难点

 

  纵观能源规划领域的研究成果［２０－２３］，比较常见的是采用综合优化的方法，基于常见能源设备，构建含有多个能源用户、多种能源转换供应方式的数学模型，基于约束条件（节点能量平衡、设备限制、管网建设的可行性、环境等），通过单（多）目标优化，得到能源系统优化设计方案，以确定最优的（一般是经济性）能源转化技术和设备组件（微型热电联产单元、光伏发电阵列、锅炉、大电网等）的选型和配置参数。通过利用上述模型和工具对区域能源系统进行分析和模拟，得到该区域能源系统的优化设计方案。这些研究对于区域能源系统的优化设计和系统分析具有重要意义，可以在一定程度上提高区域能源系统的用能效率，降低低碳生态城区的碳排放。

 

  但是利用目前已有的区域能源系统设计模型和工具得到的结果并不能直接纳入城市详细规划体系。这是因为：

 

  １）在城市详细规划阶段难以满足这些模型所要求的数据输入精度；２）在一个区域范围内用能与产能对象数量过多，可用的能源转换技术和设备众多，完成优化计算所需的技术知识要求过高并且工作量过于庞大；３）这些模型的思路大多是立足于区域能源利用的设计，基于现有的能源转换设备，通过数学规划求解获得某一个（或者几个）技术优化组合方案，所得到的结果很难以具体、鳥B~萨B量化的形式落实到区域和地块。

 

  因此，需要构建出一种适用于区域能源规划的模型，该模型应能对整个能源系统进行综合优化分析，将能源系统低碳化的要求以指标的形式表达出来，并为区域建筑能源规划方案的制定提供技术支撑。

 

  ２ 区域建筑能源系统热力学分析

 

  ２．１ 建筑能源需求及资源

 

  居住建筑能源需求按照使用功能可分为炊事、照明及家用电器、空调制冷、供暖、生活热水５个方面，能源供给主要有电、煤炭、燃油、燃气（天然气、液化气、煤气及少量的生物质燃气等可燃气体）、太阳能等。其中炊事用能种类一般是燃气和电，照明及家用电器以消耗电能为主，对应的能源需求种类比较固定。本研究重点关注如何满足建筑供暖、制冷、生活热水的能源需求。

 

  对于冷／热／电的需求实质上是对其所含的的需求，因此本文以其所含的为研究对象，将建筑的冷／热／电负荷分别转化为对冷、热及电力３种形式的的需求。

 

  将能源设备生产的冷／热／电也用对应形式的来表示，这样就可以将众多的能源转换技术按照流动途径划分为２种形式，一种是燃料燃烧释放热量用于供暖、制取热水，另一种是采用逆卡诺循环进行制冷或者制取热量，这２种形式所消耗的能源主要是电和燃料（煤炭、燃气、燃油及生物质燃料等）。将冷热量的生产视为产品加工过程，采用单位冷／热／电产品的化石能源成本高低来表示不同冷热量生产技术的差异。

 

  ２．２ 区域建筑能源规划分解

 

  如图１所示，区域建筑能源规划主要在区域、地块、建筑３个层面制定具体有效的控制和引导措图１ 区域建筑能源规划工作的对象层次示意图施。在建筑层面，内容主要是建筑性能的要求。可以通过与建筑性能相关的设计标准、建筑等级认证标准等对此部分内容提出具体要求。在地块层面，需要了解同一地块内有多少建筑，建筑间的空间位置对小区风、光、热环境的影响，以及建筑间是否需要能量交换等问题。上述问题可以通过相关模拟软件，在小区规划和建筑设计阶段分析解决。区域层面主要是与能源相关的市政设施的规划建设，需要明确各个地块之间是否需要能量交换。由于地块间的设施规划建设、用地权属协调及开发控制等均超出了建筑设计师的工作范围，因此应在城市详细规划阶段对这部分内容给出明确的规划方案。

 

  ３ 区域流模型

 

  ３．１ 基准点

 

  建筑空调供暖系统进行分析的系统边界为规划项目的地理边界。如图２所示，该系统为开放系统，外界向系统输入高品位能源，系统向外部环境传递低品位能量。这里的环境专指由地球表面、海洋和大气等所构成的外界，且假设环境为无限广阔的、内部保持均匀一致而且相对静止。由于地表、海洋和大气的量可认为是无限的，认为环境不受目标系统的扰动而发生变化，即环境参数（如温度、压力等）不会因为与系统传递能量和质量而发生变化。同时定义外界空气环境为值０点，任何季节空调控制目标均为室内值高于外界空气环境。

 

  ３．２ 地块间流网络

 

  每个地块作为最小单元，视为一个网络节点，在该节点上既有产品的生产，又有产品的消耗。生产单位所消耗的化石能源量作为该生产过程产出的成本。各个地块由于资源禀赋、技术设备的差异，生产的成本是不同的。在满足给定量的需求（ 负荷）情况下，为了降低区域总的化石能源消耗量，需要增加低成本的生产，尽量减少高成本的生产，这样不同地块间就有发生流动的可能。区域范围内以地块为节点就构成了流网络。如图３所示，图中１→１表示１号地块所产用于自己消费的部分，１→２表示１号地块所产用于２号地块消费的部分。

 

  目标约束的目标值Ｅ０为第一阶段优化得到的最优解。第一阶段的最优解是在假定资源量、需求量为预测值时计算得到的，是一种硬约束。因此，通过目标规划讨论在各约束量存在偏差时最优解的变化情况是必要的。通过多次目标优化的计算，讨论各个地块需求变化及各类技术应用程度的变化对区域总成本的影响。通过上述计算分析，可以对各个地块的某一产品生产量和全区的流网络有更全面的认识。能够明确各个地块的控制重点是削减负荷还是需要提高该地块能源利用水平（如技术效率提高、增加可再生能源利用比例等）。结合其他因素制定出针对各个地块的生产成本控制指标（包含可再生能源利用）和提出针对全区的输送的管网设施建设建议。

 

  ５ 产品成本及惩罚权重的确定

 

  ５．１ 产品成本的确定

 

  各个地块某一产品（冷／热／电） 成本的确定是关键问题之一。可通过式（９）计算：

 

  ｅｉ，ｐ ＝Σ ｑｎ＝１

 

  ｅｎｐｎ，ｉＸｐｉ

 

  （９）式中 ｅｎ为第ｎ 种技术的成本；ｎ＝１，２，…，ｑ；ｐｎ，ｉ为ｉ地块采用第ｎ 种技术的产量；Ｘｐｉ为ｉ 地块总产量。

 

  该地块的适用能源技术包括各种形式的热泵、锅炉、冷热电联产、可再生能源利用等所有可用的技术。各类技术对应的产品产量由该地块的资源条件确定。

 

  ５．２ 惩罚权重的确定

 

  对各个地块负荷变化及产品产量偏离测算值时惩罚权重的确定需要结合具体的项目进行。

 

  惩罚权重值的大小没有限制，对结果产生影响的是各个惩罚权重之间的相对大小。控制严格的约束需要较大的惩罚权重，对于控制不严格的约束需赋以较小的惩罚权重。为了确定惩罚权重的大小，需要通过多次的尝试，根据优化结果的可接受程度来确定最终的惩罚权重。

 

  ６ 结论和展望

 

  本文介绍了区域建筑能源规划同城市区域详细规划相结合的必要性及工作形式，并讨论了在该模式下区域建筑能源规划在区域、地块、建筑３个层面的工作。重点介绍了地块间能量流动网络的优化方法———两阶段规划法。通过此规划求得最优解，以此最优解为基础进行目标规划讨论弹性约束条件下的最优流网络形式。通过多次计算分析最终得到各个地块的规划指标和规划方案。

 

  本文对一种推行区域建筑能源规划的思路和模型工具进行了初步的探讨，模型的具体细节还需要深入研究，并通过工程实践不断修正和完善。