1 引言

 

  能源問題已經(jīng)日益成為全球關注焦點, 而能源消耗的主體是城市。能源系統(tǒng)是城市發(fā)展的生命線, 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, 城市化水平為41%。隨著我國的快速城市化進程, 能源問題日益突出。近年來, 我國電力、煤炭、燃氣等能源相繼出現(xiàn)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(guī)劃中已經(jīng)將節(jié)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(zhàn)場, 如何采取具體措施來降低能耗? 城市環(huán)境污染問題日益突出, 能源消耗是大氣污染物的主要來源, 如何最有效地降低能源消耗帶來的大氣污染排放? 隨著西氣東輸、天然氣進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, 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,通過最小的經(jīng)濟代價來實現(xiàn)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題, 也是復雜問題, 還有由此衍生出的諸多詳細問題,包括技術問題等。而解決好這些問題, 需要結合城市能源現(xiàn)狀和未來發(fā)展, 對城市能源進行科學合理地規(guī)劃, 優(yōu)化城市能源系統(tǒng)配置, 從能源安全、環(huán)境保護、能源節(jié)約和經(jīng)濟性等方面綜合評價, 提出城市能源現(xiàn)狀和發(fā)展的解決方案。因此, 城市能源的合理規(guī)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(diào)城市化進程與能源資源合理利用的關鍵。

 

  2 我國城市能源規(guī)劃的現(xiàn)狀

 

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

 

  這兩種現(xiàn)有規(guī)劃方法在解決城市能源問題中, 存在著先天的缺陷, 難以適應當前錯綜復雜的城市能源現(xiàn)狀,獲得更為科學合理的城市能源解決方案。主要表現(xiàn)以下四個方面:

 

  1)能源供需平衡缺乏動態(tài)性

 

  城市能源系統(tǒng)的供需平衡, 不僅表現(xiàn)在一年總量的平衡, 更多地體現(xiàn)在能源需求負荷在一年中動態(tài)變化中如何保障能源供應的可靠性。南方城市夏季會出現(xiàn)電力高峰, 北方城市冬季會出現(xiàn)燃氣供應緊張, 晚間下班后一段時間燃氣管道往往氣壓過低供氣不足等等。以北京為例, 2004年, 冬季日高峰用氣量2441萬立方米, 夏季日均用氣量300萬立方米, 兩者之比約為8∶1, 電力最高負荷943萬千瓦, 最低負荷530萬千瓦,兩者之比約為1.8∶1, 高峰負荷呈大幅增長的態(tài)勢, 電力、天然氣季節(jié)性消費差異突出, 峰值高、持續(xù)時間短,季節(jié)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態(tài)量, 例如北京污染最嚴重的時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態(tài)規(guī)律進行分析?，F(xiàn)有城市能源規(guī)劃通常強調(diào)全年總體能源供需平衡, 這就無法客觀反映以上問題, 也無法針對上述能源供需動態(tài)變化提出合理的規(guī)劃方案。因此, 能源負荷具有全年8760小時的動態(tài)特性, 特別是建筑冷、熱、燃氣和電力負荷需求隨著氣象條件、建筑類型、生活水平等因素而呈現(xiàn)更為明顯的季節(jié)性和日間動態(tài)特性, 宏觀、靜態(tài)單點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(jù)負荷的空間密度、局部負荷規(guī)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(guī)模大, 適宜集中供熱方式, 低密度、規(guī)模小的負荷可選取分散燃氣采暖。

 

  只有能源系統(tǒng)的空間分布, 才會對包括源、網(wǎng)在內(nèi)的能源系統(tǒng)的合理性進行評價。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(qū)可能會出現(xiàn)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, 但可能會出現(xiàn)局部排放嚴重超標等等。而現(xiàn)有城市能源規(guī)劃中對于能源系統(tǒng)及負荷的空間分布問題, 缺乏應有的體現(xiàn)。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示例, 不同建筑類型、建筑密度、容積率和能源負荷數(shù)據(jù)的詳盡情況是支持空間分布特性分析的依據(jù)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)各能源基礎設施專項規(guī)劃之間缺乏協(xié)調(diào)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項規(guī)劃, 普遍存在各規(guī)劃之間缺乏相互協(xié)調(diào)現(xiàn)象。例如, 對于供熱而言, 燃氣供熱的比例問題,燃氣采暖的耗能特性對燃氣輸配系統(tǒng)的影響問題, 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱的規(guī)模和對電網(wǎng)的影響問題, 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(tǒng)的影響等問題, 都需要各能源基礎設施之間的相互協(xié)調(diào), 需要一個城市整體層面的能源規(guī)劃, 以防止各專項規(guī)劃出現(xiàn)片面性的能源規(guī)劃方案。再比如說, 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(diào)有集中式、分布式和分散式等多種方式, 可以通過煤、燃氣、電力、油等能源及其轉換設備來實現(xiàn)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(diào)和電力驅(qū)動的各種熱泵方式等等能源轉換方式對燃氣規(guī)劃和電力規(guī)劃產(chǎn)生影響。另外, 建筑中生活熱水負荷需求可以通過燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器、熱泵、CCHP或城市熱網(wǎng)等方式供應, 不能簡單把生活熱水負荷在各個規(guī)劃中重復計算。此外, 燃氣規(guī)劃中工業(yè)和交通用氣使得建筑能源與城市能源相關聯(lián)起來。再者, 隨著可再生能源政策推進和技術的進步, 可再生能源和傳統(tǒng)能源、清潔能源之間也存在著替代性和優(yōu)化配置問題。

 

  4)能源規(guī)劃缺乏應有的技術支持

 

  現(xiàn)有能源規(guī)劃, 甚至包括專項規(guī)劃, 所提出能源方案往往更多地依靠專家經(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, 沒有管網(wǎng)模擬技術支持, 無法將能源規(guī)劃方案落到實處, 所得到的能源方案也就缺乏充分依據(jù), 最終可能是空洞的、不合理的, 難以實施。

 

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

 

  3 城市能源綜合規(guī)劃的內(nèi)涵

 

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

 

  1)動態(tài)能源負荷分析與預測技術

 

  城市能源負荷是進行能源規(guī)劃的基礎和根本, 在對多個城市進行規(guī)劃的大量調(diào)研數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)分析基礎上進行分類并提煉影響因素, 分析歸納負荷與影響因素之間的定量關系, 形成能源負荷數(shù)據(jù)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間上的分布。為了分析各個能源負荷(需求)對于能源供應方式之間的協(xié)調(diào)和替代性, 需要從能源統(tǒng)計渠道和可獲得調(diào)研數(shù)據(jù)出發(fā), 主要分為供熱熱負荷、空調(diào)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(diào)器、冷凍機和熱泵機組等供熱空調(diào)轉換設備及其系統(tǒng)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(diào)負荷體現(xiàn)在供熱熱負荷和空調(diào)冷負荷需求中, 繼而結合能源系統(tǒng), 從能源供應、能源轉換環(huán)節(jié)或輸配管網(wǎng)系統(tǒng)到能源負荷進行計算得到供熱空調(diào)系統(tǒng)所消耗的燃氣和電力。最后根據(jù)我國城市規(guī)劃中的建筑和城市用地的分類進一步對這些負荷分類進行細分, 形成數(shù)據(jù)庫的基本結構, 比如建筑大類分為居住R、公建C和工業(yè)M, 小類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/商店/市場、飯店/賓館、影劇院/展覽館、托幼兒園/中小學校/大專院校、體育館和醫(yī)院等等, 根據(jù)冷、熱、氣、電負荷的各自特點再細分為子類, 比如分階段節(jié)能建筑、普通公共建筑和大型公共建筑等類型。

 

  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(tǒng)中天然

 

  氣、燃煤和電等不同能源經(jīng)過轉換至輸配環(huán)節(jié)或末端用戶的設備, 其能源轉換特性主要包括熱力學特性、經(jīng)濟學特性、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(tǒng)重要技術支撐, 為單一能源系統(tǒng)功能提升和不同能源轉換系統(tǒng)相互替代提供科學依據(jù)。

 

  3)城市能源系統(tǒng)綜合評價技術

 

  不同能源供應和消費結構以及各種能源子系統(tǒng)的組合而成的城市能源系統(tǒng), 需要一種綜合的評價技術, 選擇合適的評價方法和評價指標, 根據(jù)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(tǒng)評價的能源特性、環(huán)境排放特性和經(jīng)濟性指標, 另外提出能源系統(tǒng)可靠性及承載力等評價指標, 進而對同一城市不同能源規(guī)劃方案進行縱向比較評價, 對不同城市發(fā)展水平的能源現(xiàn)狀或規(guī)劃進行橫向比較評價。

 

  4)城市能源規(guī)劃設計軟件系統(tǒng)

 

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

 

  該軟件系統(tǒng)包括了城市能源負荷數(shù)據(jù)庫、能源轉換數(shù)據(jù)庫和評價體系。

 

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

 

  該流程在規(guī)劃中的調(diào)研、收集資料的基礎上, 綜合城市規(guī)劃中的熱力、燃氣和電力規(guī)劃, 根據(jù)城市能源系統(tǒng)現(xiàn)狀和調(diào)研數(shù)據(jù)選擇能源負荷和轉換特性庫,作為城市能源系統(tǒng)情景設定的輸入條件, 在軟件平臺上實現(xiàn)模擬計算, 并利用評價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(tǒng)GIS和環(huán)境污染物分析等軟件工具以實現(xiàn)規(guī)劃成果的顯示。

 

  4 結束語

 

  城市能源規(guī)劃應成為城市規(guī)劃體系的一個重要組成部分和內(nèi)容, 從動態(tài)的能源負荷分析入手, 以多元的能源轉換特性來分析能源技術, 開發(fā)適用的規(guī)劃軟件來對城市能源系統(tǒng)進行模擬計算, 并利用、集成現(xiàn)有適宜空間分布的GIS等平臺, 形成一個多專業(yè)協(xié)調(diào)、高效率的、技術層面上的綜合規(guī)劃流程和方法。