能源規(guī)劃
一種推行區(qū)域建筑能源規(guī)劃的 模式及工作方法
文章來源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時(shí)間:2021-10-28 14:45:34瀏覽次數(shù):1526
科學(xué)合理的區(qū)域建筑能源規(guī)劃對降低區(qū)域化石能源總需求具有重要意義。能源與城市規(guī)劃學(xué)科的學(xué)者對如何進(jìn)行區(qū)域建筑能源規(guī)劃的相關(guān)問題進(jìn)行了探索研究。
對于較小區(qū)域的能源規(guī)劃問題,能源學(xué)科眾多學(xué)者進(jìn)行了理論探討和實(shí)踐探索。龍惟定等人探討了城市建筑能源系統(tǒng)規(guī)劃的必要性和方法、區(qū)域能源規(guī)劃目標(biāo)設(shè)定、可用能源資源量評估、區(qū)域建筑負(fù)荷預(yù)測、區(qū)域建筑能源系統(tǒng)模型構(gòu)建和分析、低品位能源的利用技術(shù)等區(qū)域建筑能源規(guī)劃的相關(guān)內(nèi)容。孫冬梅等人對我國的城市能源規(guī)劃現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,并提出了低碳生態(tài)城市的建筑能源規(guī)劃的原則、主要內(nèi)容、方法及步驟。
規(guī)劃學(xué)科討論的重點(diǎn)在于如何通過改進(jìn)城市規(guī)劃方法降低城市能耗。周銀波等人對如何將低碳生態(tài)化目標(biāo)分解到開發(fā)建設(shè)的各地塊的指標(biāo)中并以強(qiáng)制性指標(biāo)的形式列入控制性詳細(xì)規(guī)劃指標(biāo)體系中進(jìn)行了探索[12]。陳金平指出設(shè)計(jì)策略應(yīng)立足于現(xiàn)狀特征、立足于管理政策與空間規(guī)劃相結(jié)合,并針對上海地區(qū)提出減少交通、建筑、產(chǎn)業(yè)三方面能耗的規(guī)劃策略[13]。顧朝林等人提出應(yīng)在城市詳細(xì)規(guī)劃中列出可實(shí)施的減少碳排放的技術(shù)和對策。徐彥峰討論了基于低碳生態(tài)理念對市政基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的思路,提出將能源系統(tǒng)作為市政規(guī)劃的要點(diǎn)之一。他結(jié)合我國實(shí)際情況認(rèn)為應(yīng)該合理確定能源利用方式,注重能源的梯級利用,提高能源利用效率。規(guī)劃重點(diǎn)在于推廣分布式能源系統(tǒng),降低輸送損失。林忠航探討了在城市規(guī)劃編制的各個(gè)層面應(yīng)如何考慮能源問題,從城市規(guī)劃層面探索解決城市能源問題的途徑。
在生態(tài)社區(qū)的建設(shè)實(shí)踐中,LEED-ND,BREEAM Communities等生態(tài)社區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系為國內(nèi)生態(tài)城區(qū)的開發(fā)提供了參考。結(jié)合生態(tài)城區(qū)的建設(shè)實(shí)踐,我國頒布了HJ 274—2009《綜合類生態(tài)工業(yè)園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)》和HJ/T 273—2006《行業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》,出版了《中國生態(tài)住宅技術(shù)評估手冊》。這些標(biāo)準(zhǔn)或手冊中都對區(qū)域建筑能源利用提出了要求。
但上述相關(guān)研究對區(qū)域建筑能源規(guī)劃工作推行的具體模式以及區(qū)域建筑能源規(guī)劃的地位討論較少。本文結(jié)合我國的城市規(guī)劃工作體系探討了一種推行區(qū)域建筑能源規(guī)劃工作的模式,以及在該模式下進(jìn)行建筑能源規(guī)劃的方法。
1 區(qū)域建筑能源規(guī)劃與城市詳細(xì)規(guī)劃相結(jié)合的模式1.1 結(jié)合的意義城市詳細(xì)規(guī)劃規(guī)定了建設(shè)用地的各項(xiàng)控制指標(biāo)和其他規(guī)劃管理要求,或者直接對土地開發(fā)建設(shè)作具體的安排和規(guī)劃設(shè)計(jì)。城市詳細(xì)規(guī)劃的主體內(nèi)容是依據(jù)城市管理各個(gè)方面(如經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、交通、生態(tài)、能源等)的一套指標(biāo)體系確定的。這些指標(biāo)規(guī)定了土地出讓方與承讓方的相關(guān)權(quán)利與義務(wù),是衡量建設(shè)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的重要依據(jù)。因此,詳細(xì)規(guī)劃中關(guān)于能源部分的規(guī)劃方案和規(guī)劃指標(biāo)是否科學(xué)合理決定著低碳節(jié)能的理念是否能落實(shí)到后續(xù)的開發(fā)建設(shè)中。但是,目前的城市詳細(xì)規(guī)劃規(guī)范和導(dǎo)則中缺乏針對較小的區(qū)域(幾km2)和地塊層面的能源控制指標(biāo)。
區(qū)域建筑能源規(guī)劃對于區(qū)域-地塊-建筑等幾個(gè)層面的能量利用技術(shù)上的合理性和科學(xué)性已有充分研究。但區(qū)域建筑能源規(guī)劃工作并沒有在主流的規(guī)劃工作中普遍推廣。
因此,將區(qū)域建筑能源規(guī)劃以一種普遍的形式
結(jié)合到城市詳細(xì)規(guī)劃中去,借助于城市規(guī)劃的前置性和法律強(qiáng)制性以及城市規(guī)劃在基礎(chǔ)資料獲取、用地等方面的諸多優(yōu)勢,對促進(jìn)區(qū)域建筑能源規(guī)劃工作順利實(shí)施具有重要意義。
1.2 結(jié)合方法
自1989年《中華人民共和國城市規(guī)劃法》頒布實(shí)施以來,我國的城市規(guī)劃形成了一套成熟的工作體系和方法,是城市建設(shè)管理的主要手段。區(qū)域建筑能源規(guī)劃是城市能源規(guī)劃的創(chuàng)新內(nèi)容之一,應(yīng)隸屬于城市規(guī)劃。區(qū)域建筑能源規(guī)劃與城市詳細(xì)規(guī)劃相結(jié)合不應(yīng)削弱區(qū)域建筑能源規(guī)劃內(nèi)在的創(chuàng)新性,而應(yīng)是借鑒城市詳細(xì)規(guī)劃的工作模式,把能源規(guī)劃的主要結(jié)論和成果融入到城市詳細(xì)規(guī)劃中去,作為城市詳細(xì)規(guī)劃的成果之一表達(dá)出來。
1.3 結(jié)合的難點(diǎn)
縱觀能源規(guī)劃領(lǐng)域的研究成果[20-23],比較常見的是采用綜合優(yōu)化的方法,基于常見能源設(shè)備,構(gòu)建含有多個(gè)能源用戶、多種能源轉(zhuǎn)換供應(yīng)方式的數(shù)學(xué)模型,基于約束條件(節(jié)點(diǎn)能量平衡、設(shè)備限制、管網(wǎng)建設(shè)的可行性、環(huán)境等),通過單(多)目標(biāo)優(yōu)化,得到能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,以確定最優(yōu)的(一般是經(jīng)濟(jì)性)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)和設(shè)備組件(微型熱電聯(lián)產(chǎn)單元、光伏發(fā)電陣列、鍋爐、大電網(wǎng)等)的選型和配置參數(shù)。通過利用上述模型和工具對區(qū)域能源系統(tǒng)進(jìn)行分析和模擬,得到該區(qū)域能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這些研究對于區(qū)域能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析具有重要意義,可以在一定程度上提高區(qū)域能源系統(tǒng)的用能效率,降低低碳生態(tài)城區(qū)的碳排放。
但是利用目前已有的區(qū)域能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型和工具得到的結(jié)果并不能直接納入城市詳細(xì)規(guī)劃體系。這是因?yàn)椋?/div>
1)在城市詳細(xì)規(guī)劃階段難以滿足這些模型所要求的數(shù)據(jù)輸入精度;2)在一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)用能與產(chǎn)能對象數(shù)量過多,可用的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和設(shè)備眾多,完成優(yōu)化計(jì)算所需的技術(shù)知識要求過高并且工作量過于龐大;3)這些模型的思路大多是立足于區(qū)域能源利用的設(shè)計(jì),基于現(xiàn)有的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備,通過數(shù)學(xué)規(guī)劃求解獲得某一個(gè)(或者幾個(gè))技術(shù)優(yōu)化組合方案,所得到的結(jié)果很難以具體、鳥B~薩B量化的形式落實(shí)到區(qū)域和地塊。
因此,需要構(gòu)建出一種適用于區(qū)域能源規(guī)劃的模型,該模型應(yīng)能對整個(gè)能源系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化分析,將能源系統(tǒng)低碳化的要求以指標(biāo)的形式表達(dá)出來,并為區(qū)域建筑能源規(guī)劃方案的制定提供技術(shù)支撐。
2 區(qū)域建筑能源系統(tǒng)熱力學(xué)分析
2.1 建筑能源需求及資源
居住建筑能源需求按照使用功能可分為炊事、照明及家用電器、空調(diào)制冷、供暖、生活熱水5個(gè)方面,能源供給主要有電、煤炭、燃油、燃?xì)猓?a href="http://www.rijz.cn/t/天然氣.html" >天然氣、液化氣、煤氣及少量的生物質(zhì)燃?xì)獾瓤扇細(xì)怏w)、太陽能等。其中炊事用能種類一般是燃?xì)夂碗?,照明及家用電器以消耗電能為主,對?yīng)的能源需求種類比較固定。本研究重點(diǎn)關(guān)注如何滿足建筑供暖、制冷、生活熱水的能源需求。
對于冷/熱/電的需求實(shí)質(zhì)上是對其所含的的需求,因此本文以其所含的為研究對象,將建筑的冷/熱/電負(fù)荷分別轉(zhuǎn)化為對冷、熱及電力3種形式的的需求。
將能源設(shè)備生產(chǎn)的冷/熱/電也用對應(yīng)形式的來表示,這樣就可以將眾多的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)按照流動(dòng)途徑劃分為2種形式,一種是燃料燃燒釋放熱量用于供暖、制取熱水,另一種是采用逆卡諾循環(huán)進(jìn)行制冷或者制取熱量,這2種形式所消耗的能源主要是電和燃料(煤炭、燃?xì)狻⑷加图?a href="http://www.rijz.cn/t/生物質(zhì)燃料.html" >生物質(zhì)燃料等)。將冷熱量的生產(chǎn)視為產(chǎn)品加工過程,采用單位冷/熱/電產(chǎn)品的化石能源成本高低來表示不同冷熱量生產(chǎn)技術(shù)的差異。
2.2 區(qū)域建筑能源規(guī)劃分解
如圖1所示,區(qū)域建筑能源規(guī)劃主要在區(qū)域、地塊、建筑3個(gè)層面制定具體有效的控制和引導(dǎo)措圖1 區(qū)域建筑能源規(guī)劃工作的對象層次示意圖施。在建筑層面,內(nèi)容主要是建筑性能的要求??梢酝ㄟ^與建筑性能相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建筑等級認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)等對此部分內(nèi)容提出具體要求。在地塊層面,需要了解同一地塊內(nèi)有多少建筑,建筑間的空間位置對小區(qū)風(fēng)、光、熱環(huán)境的影響,以及建筑間是否需要能量交換等問題。上述問題可以通過相關(guān)模擬軟件,在小區(qū)規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)階段分析解決。區(qū)域?qū)用嬷饕桥c能源相關(guān)的市政設(shè)施的規(guī)劃建設(shè),需要明確各個(gè)地塊之間是否需要能量交換。由于地塊間的設(shè)施規(guī)劃建設(shè)、用地權(quán)屬協(xié)調(diào)及開發(fā)控制等均超出了建筑設(shè)計(jì)師的工作范圍,因此應(yīng)在城市詳細(xì)規(guī)劃階段對這部分內(nèi)容給出明確的規(guī)劃方案。
3 區(qū)域流模型
3.1 基準(zhǔn)點(diǎn)
建筑空調(diào)供暖系統(tǒng)進(jìn)行分析的系統(tǒng)邊界為規(guī)劃項(xiàng)目的地理邊界。如圖2所示,該系統(tǒng)為開放系統(tǒng),外界向系統(tǒng)輸入高品位能源,系統(tǒng)向外部環(huán)境傳遞低品位能量。這里的環(huán)境專指由地球表面、海洋和大氣等所構(gòu)成的外界,且假設(shè)環(huán)境為無限廣闊的、內(nèi)部保持均勻一致而且相對靜止。由于地表、海洋和大氣的量可認(rèn)為是無限的,認(rèn)為環(huán)境不受目標(biāo)系統(tǒng)的擾動(dòng)而發(fā)生變化,即環(huán)境參數(shù)(如溫度、壓力等)不會(huì)因?yàn)榕c系統(tǒng)傳遞能量和質(zhì)量而發(fā)生變化。同時(shí)定義外界空氣環(huán)境為值0點(diǎn),任何季節(jié)空調(diào)控制目標(biāo)均為室內(nèi)值高于外界空氣環(huán)境。
3.2 地塊間流網(wǎng)絡(luò)
每個(gè)地塊作為最小單元,視為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),在該節(jié)點(diǎn)上既有產(chǎn)品的生產(chǎn),又有產(chǎn)品的消耗。生產(chǎn)單位所消耗的化石能源量作為該生產(chǎn)過程產(chǎn)出的成本。各個(gè)地塊由于資源稟賦、技術(shù)設(shè)備的差異,生產(chǎn)的成本是不同的。在滿足給定量的需求( 負(fù)荷)情況下,為了降低區(qū)域總的化石能源消耗量,需要增加低成本的生產(chǎn),盡量減少高成本的生產(chǎn),這樣不同地塊間就有發(fā)生流動(dòng)的可能。區(qū)域范圍內(nèi)以地塊為節(jié)點(diǎn)就構(gòu)成了流網(wǎng)絡(luò)。如圖3所示,圖中1→1表示1號地塊所產(chǎn)用于自己消費(fèi)的部分,1→2表示1號地塊所產(chǎn)用于2號地塊消費(fèi)的部分。
目標(biāo)約束的目標(biāo)值E0為第一階段優(yōu)化得到的最優(yōu)解。第一階段的最優(yōu)解是在假定資源量、需求量為預(yù)測值時(shí)計(jì)算得到的,是一種硬約束。因此,通過目標(biāo)規(guī)劃討論在各約束量存在偏差時(shí)最優(yōu)解的變化情況是必要的。通過多次目標(biāo)優(yōu)化的計(jì)算,討論各個(gè)地塊需求變化及各類技術(shù)應(yīng)用程度的變化對區(qū)域總成本的影響。通過上述計(jì)算分析,可以對各個(gè)地塊的某一產(chǎn)品生產(chǎn)量和全區(qū)的流網(wǎng)絡(luò)有更全面的認(rèn)識。能夠明確各個(gè)地塊的控制重點(diǎn)是削減負(fù)荷還是需要提高該地塊能源利用水平(如技術(shù)效率提高、增加可再生能源利用比例等)。結(jié)合其他因素制定出針對各個(gè)地塊的生產(chǎn)成本控制指標(biāo)(包含可再生能源利用)和提出針對全區(qū)的輸送的管網(wǎng)設(shè)施建設(shè)建議。
5 產(chǎn)品成本及懲罰權(quán)重的確定
5.1 產(chǎn)品成本的確定
各個(gè)地塊某一產(chǎn)品(冷/熱/電) 成本的確定是關(guān)鍵問題之一。可通過式(9)計(jì)算:
ei,p =Σ qn=1
enpn,iXpi
(9)式中 en為第n 種技術(shù)的成本;n=1,2,…,q;pn,i為i地塊采用第n 種技術(shù)的產(chǎn)量;Xpi為i 地塊總產(chǎn)量。
該地塊的適用能源技術(shù)包括各種形式的熱泵、鍋爐、冷熱電聯(lián)產(chǎn)、可再生能源利用等所有可用的技術(shù)。各類技術(shù)對應(yīng)的產(chǎn)品產(chǎn)量由該地塊的資源條件確定。
5.2 懲罰權(quán)重的確定
對各個(gè)地塊負(fù)荷變化及產(chǎn)品產(chǎn)量偏離測算值時(shí)懲罰權(quán)重的確定需要結(jié)合具體的項(xiàng)目進(jìn)行。
懲罰權(quán)重值的大小沒有限制,對結(jié)果產(chǎn)生影響的是各個(gè)懲罰權(quán)重之間的相對大小??刂茋?yán)格的約束需要較大的懲罰權(quán)重,對于控制不嚴(yán)格的約束需賦以較小的懲罰權(quán)重。為了確定懲罰權(quán)重的大小,需要通過多次的嘗試,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果的可接受程度來確定最終的懲罰權(quán)重。
6 結(jié)論和展望
本文介紹了區(qū)域建筑能源規(guī)劃同城市區(qū)域詳細(xì)規(guī)劃相結(jié)合的必要性及工作形式,并討論了在該模式下區(qū)域建筑能源規(guī)劃在區(qū)域、地塊、建筑3個(gè)層面的工作。重點(diǎn)介紹了地塊間能量流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法———兩階段規(guī)劃法。通過此規(guī)劃求得最優(yōu)解,以此最優(yōu)解為基礎(chǔ)進(jìn)行目標(biāo)規(guī)劃討論彈性約束條件下的最優(yōu)流網(wǎng)絡(luò)形式。通過多次計(jì)算分析最終得到各個(gè)地塊的規(guī)劃指標(biāo)和規(guī)劃方案。
本文對一種推行區(qū)域建筑能源規(guī)劃的思路和模型工具進(jìn)行了初步的探討,模型的具體細(xì)節(jié)還需要深入研究,并通過工程實(shí)踐不斷修正和完善。