基于动态和空间分布的城市能源规划方法

  1 引言

 

  能源问题已经日益成为全球关注焦点, 而能源消耗的主体是城市。能源系统是城市发展的生命线, 是城市基础设施的主要组成部分。至2005年, 我国共有设市城市661个, 城市化水平为41%。随着我国的快速城市化进程, 能源问题日益突出。近年来, 我国电力、煤炭、燃气等能源相继出现短缺, 这种短缺直接危及到城市, 如何保证城市用能的供需平衡和安全供能呢? 在我国“十一五”规划中已经将节约资源上升到基本国策, 并明确提出单位GDP降低能耗20%的指标, 城市作为能耗的主战场, 如何采取具体措施来降低能耗? 城市环境污染问题日益突出, 能源消耗是大气污染物的主要来源, 如何最有效地降低能源消耗带来的大气污染排放? 随着西气东输、天然气进京以及可再生能源的利用, 我国主要城市的能源结构正在发生重大变化, 清洁能源在取代燃煤的同时, 也给城市增加了沉重的经济负担, 如何在保证城市用能安全的同时,通过最小的经济代价来实现能源利用效率地提高和改善大气环境? ……这些都是城市能源需要回答的大问题, 也是复杂问题, 还有由此衍生出的诸多详细问题,包括技术问题等。而解决好这些问题, 需要结合城市能源现状和未来发展, 对城市能源进行科学合理地规划, 优化城市能源系统配置, 从能源安全、环境保护、能源节约和经济性等方面综合评价, 提出城市能源现状和发展的解决方案。因此, 城市能源的合理规划与优化配置是解决城市快速发展与能源短缺的矛盾, 协调城市化进程与能源资源合理利用的关键。

 

  2 我国城市能源规划的现状

 

  目前, 我国对城市能源发展的研究主要从两个层面上开展:一是宏观的能源规划[ 1～ 4] , 强调能源供需总量平衡, 缺乏具体技术支持, 与城市规划存在一定的脱节, 因而无法形成具体实施方案, 可操作性差;二是能源基础设施专项规划[ 5] , 在我国城市规划体系中主要包括电力规划、热力规划和燃气规划三方面内容, 这些专项规划由于各专业相互之间缺乏协调, 使得规划方案有专业局限性, 得不到客观的整体能源解决方案。

 

  这两种现有规划方法在解决城市能源问题中, 存在着先天的缺陷, 难以适应当前错综复杂的城市能源现状,获得更为科学合理的城市能源解决方案。主要表现以下四个方面:

 

  1)能源供需平衡缺乏动态性

 

  城市能源系统的供需平衡, 不仅表现在一年总量的平衡, 更多地体现在能源需求负荷在一年中动态变化中如何保障能源供应的可靠性。南方城市夏季会出现电力高峰, 北方城市冬季会出现燃气供应紧张, 晚间下班后一段时间燃气管道往往气压过低供气不足等等。以北京为例, 2004年, 冬季日高峰用气量2441万立方米, 夏季日均用气量300万立方米, 两者之比约为8∶1, 电力最高负荷943万千瓦, 最低负荷530万千瓦,两者之比约为1.8∶1, 高峰负荷呈大幅增长的态势, 电力、天然气季节性消费差异突出, 峰值高、持续时间短,季节性平衡难度大。在环境方面, 污染排放不仅仅是控制污染排放总量, 而且要看污染排放的落地浓度, 这就需要看污染排放的动态量, 例如北京污染最严重的时间一般是冬季采暖高峰期, 而夏季相对空气质量较好, 这都需要对能源消耗的动态规律进行分析。现有城市能源规划通常强调全年总体能源供需平衡, 这就无法客观反映以上问题, 也无法针对上述能源供需动态变化提出合理的规划方案。因此, 能源负荷具有全年8760小时的动态特性, 特别是建筑冷、热、燃气和电力负荷需求随着气象条件、建筑类型、生活水平等因素而呈现更为明显的季节性和日间动态特性, 宏观、静态单点的能源需求总量分析预测具有一定的局限性。

 

  2)能源供需平衡缺乏空间分布特性

 

  能源供应源、管网拓扑和动态的能源负荷需求又是在城市地理空间域上分布, 只有负荷和周边状况反映为空间分布, 才能根据负荷的空间密度、局部负荷规模、周边环境要求和资源状况等选取合理的能源方案,例如对于供热而言, 负荷密度高、规模大, 适宜集中供热方式, 低密度、规模小的负荷可选取分散燃气采暖。

 

  只有能源系统的空间分布, 才会对包括源、网在内的能源系统的合理性进行评价。例如, 在安全性方面, 虽然城市整体能达到供需平衡, 但局部地区可能会出现诸如输配管网局部管道输送能力受限等瓶颈, 再如在环境方面, 整体排放量小, 但可能会出现局部排放严重超标等等。而现有城市能源规划中对于能源系统及负荷的空间分布问题, 缺乏应有的体现。图1为应用GIS软件对热负荷密度和供热方式空间分布显示的一个示例, 不同建筑类型、建筑密度、容积率和能源负荷数据的详尽情况是支持空间分布特性分析的依据和基础。

 

  图1 天津中新生态城的热负荷密度

 

  和供热方式空间分布

 

  3)各能源基础设施专项规划之间缺乏协调性

 

  对于目前各城市所作的电力、热力和燃气等能源基础设施专项规划, 普遍存在各规划之间缺乏相互协调现象。例如, 对于供热而言, 燃气供热的比例问题,燃气采暖的耗能特性对燃气输配系统的影响问题, 热电联产供热的规模和对电网的影响问题, 天然气分布式发电在城市如何利用及对燃气、供热和电力输配系统的影响等问题, 都需要各能源基础设施之间的相互协调, 需要一个城市整体层面的能源规划, 以防止各专项规划出现片面性的能源规划方案。再比如说, 对于相同的建筑冷、热、燃气和电力需求, 可以选择不同能源供应及其转换方式, 建筑供热空调有集中式、分布式和分散式等多种方式, 可以通过煤、燃气、电力、油等能源及其转换设备来实现各种方式之间优势互补和多种能源之间的替代性, 其中燃煤/燃气热电联产、燃气锅炉、燃气直燃机、热电冷三联供(CCHP)、电采暖空调和电力驱动的各种热泵方式等等能源转换方式对燃气规划和电力规划产生影响。另外, 建筑中生活热水负荷需求可以通过燃气热水器、电热水器、太阳能热水器、热泵、CCHP或城市热网等方式供应, 不能简单把生活热水负荷在各个规划中重复计算。此外, 燃气规划中工业和交通用气使得建筑能源与城市能源相关联起来。再者, 随着可再生能源政策推进和技术的进步, 可再生能源和传统能源、清洁能源之间也存在着替代性和优化配置问题。

 

  4)能源规划缺乏应有的技术支持

 

  现有能源规划, 甚至包括专项规划, 所提出能源方案往往更多地依靠专家经验, 方案论证定性的成分多,定量分析缺乏。特别是城市能源基础设施, 没有管网模拟技术支持, 无法将能源规划方案落到实处, 所得到的能源方案也就缺乏充分依据, 最终可能是空洞的、不合理的, 难以实施。

 

  为了克服上述城市能源规划中存在的问题, 本文提出城市能源规划的新方法, 即基于动态和空间分布的城市能源综合规划方法。相对于传统的能源规划而言, 该方法体现能源负荷在空间和时间的分布, 并基于具体技术层面的能源方案的规划与优化, 使得规划更加具体和实际, 实现了能源系统方案在技术上的可操作性。相对于专项规划而言, 是专项规划之上的更高层次的综合规划, 将会更加突出各能源基础设施系统的协调配置和运行, 获得的规划方案将更加全面合理。

 

  3 城市能源综合规划的内涵

 

  基于动态和空间分布的城市能源综合规划方法是一种全新的规划方法, 需要从能源供应、能源转换环节和输配管网到能源负荷需求等多方面内容的深入研究, 并形成多个工具的利用和开发, 我们认为主要包括以下内容:

 

  1)动态能源负荷分析与预测技术

 

  城市能源负荷是进行能源规划的基础和根本, 在对多个城市进行规划的大量调研数据积累和数据分析基础上进行分类并提炼影响因素, 分析归纳负荷与影响因素之间的定量关系, 形成能源负荷数据库和负荷预测模型, 并分析预测城市能源的总需求量及其在空间与时间上的分布。为了分析各个能源负荷(需求)对于能源供应方式之间的协调和替代性, 需要从能源统计渠道和可获得调研数据出发, 主要分为供热热负荷、空调冷负荷、生活热水负荷、燃气分项负荷(炊事用气、工业工艺用气和交通用气)、电力分项负荷(包括空调器、冷冻机和热泵机组等供热空调转换设备及其系统输配用电负荷, 其它电力负荷如照明电梯等)。其中燃气和电力供热空调负荷体现在供热热负荷和空调冷负荷需求中, 继而结合能源系统, 从能源供应、能源转换环节或输配管网系统到能源负荷进行计算得到供热空调系统所消耗的燃气和电力。最后根据我国城市规划中的建筑和城市用地的分类进一步对这些负荷分类进行细分, 形成数据库的基本结构, 比如建筑大类分为居住R、公建C和工业M, 小类住宅可分为普通住宅、高级住宅和别墅;公建可分为办公/科研单位、商业金融、商场/商店/市场、饭店/宾馆、影剧院/展览馆、托幼儿园/中小学校/大专院校、体育馆和医院等等, 根据冷、热、气、电负荷的各自特点再细分为子类, 比如分阶段节能建筑、普通公共建筑和大型公共建筑等类型。

 

  2)城市能源转换特性

 

  定义城市能源转换设备为城市能源系统中天然

 

  气、燃煤和电等不同能源经过转换至输配环节或末端用户的设备, 其能源转换特性主要包括热力学特性、经济学特性、环境排放特性等。城市能源转换特性的研究是城市能源系统重要技术支撑, 为单一能源系统功能提升和不同能源转换系统相互替代提供科学依据。

 

  3)城市能源系统综合评价技术

 

  不同能源供应和消费结构以及各种能源子系统的组合而成的城市能源系统, 需要一种综合的评价技术, 选择合适的评价方法和评价指标, 根据2)中建立的能源效率、环境排放、经济成本模型综合模拟计算形成适合城市能源系统评价的能源特性、环境排放特性和经济性指标, 另外提出能源系统可靠性及承载力等评价指标, 进而对同一城市不同能源规划方案进行纵向比较评价, 对不同城市发展水平的能源现状或规划进行横向比较评价。

 

  4)城市能源规划设计软件系统

 

  由于城市能源系统的多元化和复杂性, 对于能源配置进行优化很难实现, 而对能源系统进行模拟仿真计算可实现方案对比和情景分析, 是确实可行的。综合以上基础和理论研究, 进而开发城市能源规划设计软件平台, 为设计师和规划师提供一个平台和工具。

 

  该软件系统包括了城市能源负荷数据库、能源转换数据库和评价体系。

 

  总之, 基于动态和空间分布的城市能源综合规划方法以能源负荷数据库和能源转换特性为基础, 以模拟计算为手段, 借助规划软件平台.

 

  该流程在规划中的调研、收集资料的基础上, 综合城市规划中的热力、燃气和电力规划, 根据城市能源系统现状和调研数据选择能源负荷和转换特性库,作为城市能源系统情景设定的输入条件, 在软件平台上实现模拟计算, 并利用评价体系判断方案的可行性。该软件平台集成管网输配水力计算软件, 并结合地理信息系统GIS和环境污染物分析等软件工具以实现规划成果的显示。

 

  4 结束语

 

  城市能源规划应成为城市规划体系的一个重要组成部分和内容, 从动态的能源负荷分析入手, 以多元的能源转换特性来分析能源技术, 开发适用的规划软件来对城市能源系统进行模拟计算, 并利用、集成现有适宜空间分布的GIS等平台, 形成一个多专业协调、高效率的、技术层面上的综合规划流程和方法。