科學合理的區(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)劃學科的學者對如何進行區(qū)域建筑能源規(guī)劃的相關問題進行了探索研究。

 

  對于較小區(qū)域的能源規(guī)劃問題，能源學科眾多學者進行了理論探討和實踐探索。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)劃目標設定、可用能源資源量評估、區(qū)域建筑負荷預測、區(qū)域建筑能源系統(tǒng)模型構建和分析、低品位能源的利用技術等區(qū)域建筑能源規(guī)劃的相關內容。孫冬梅等人對我國的城市能源規(guī)劃現(xiàn)狀進行了分析，并提出了低碳生態(tài)城市的建筑能源規(guī)劃的原則、主要內容、方法及步驟。

 

  規(guī)劃學科討論的重點在于如何通過改進城市規(guī)劃方法降低城市能耗。周銀波等人對如何將低碳生態(tài)化目標分解到開發(fā)建設的各地塊的指標中并以強制性指標的形式列入控制性詳細規(guī)劃指標體系中進行了探索［１２］。陳金平指出設計策略應立足于現(xiàn)狀特征、立足于管理政策與空間規(guī)劃相結合，并針對上海地區(qū)提出減少交通、建筑、產業(yè)三方面能耗的規(guī)劃策略［１３］。顧朝林等人提出應在城市詳細規(guī)劃中列出可實施的減少碳排放的技術和對策。徐彥峰討論了基于低碳生態(tài)理念對市政基礎設施規(guī)劃的思路，提出將能源系統(tǒng)作為市政規(guī)劃的要點之一。他結合我國實際情況認為應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)劃編制的各個層面應如何考慮能源問題，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)的建設實踐中，ＬＥＥＤ－ＮＤ，ＢＲＥＥＡＭ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ等生態(tài)社區(qū)評價指標體系為國內生態(tài)城區(qū)的開發(fā)提供了參考。結合生態(tài)城區(qū)的建設實踐，我國頒布了ＨＪ ２７４—２００９《綜合類生態(tài)工業(yè)園區(qū)標準》和ＨＪ／Ｔ ２７３—２００６《行業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)標準（試行）》，出版了《中國生態(tài)住宅技術評估手冊》。這些標準或手冊中都對區(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)劃與城市詳細規(guī)劃相結合的模式１．１ 結合的意義城市詳細規(guī)劃規(guī)定了建設用地的各項控制指標和其他規(guī)劃管理要求，或者直接對土地開發(fā)建設作具體的安排和規(guī)劃設計。城市詳細規(guī)劃的主體內容是依據城市管理各個方面（如經濟、社會、交通、生態(tài)、能源等）的一套指標體系確定的。這些指標規(guī)定了土地出讓方與承讓方的相關權利與義務，是衡量建設是否達到預期目標的重要依據。因此，詳細規(guī)劃中關于能源部分的規(guī)劃方案和規(guī)劃指標是否科學合理決定著低碳節(jié)能的理念是否能落實到后續(xù)的開發(fā)建設中。但是，目前的城市詳細規(guī)劃規(guī)范和導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。

 

  區(qū)域建筑能源規(guī)劃對于區(qū)域－地塊－建筑等幾個層面的能量利用技術上的合理性和科學性已有充分研究。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

 

  結合到城市詳細規(guī)劃中去，借助于城市規(guī)劃的前置性和法律強制性以及城市規(guī)劃在基礎資料獲取、用地等方面的諸多優(yōu)勢，對促進區(qū)域建筑能源規(guī)劃工作順利實施具有重要意義。

 

  １．２ 結合方法

 

  自１９８９年《中華人民共和國城市規(guī)劃法》頒布實施以來，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)新內容之一，應隸屬于城市規(guī)劃。區(qū)域建筑能源規(guī)劃與城市詳細規(guī)劃相結合不應削弱區(qū)域建筑能源規(guī)劃內在的創(chuàng)新性，而應是借鑒城市詳細規(guī)劃的工作模式，把能源規(guī)劃的主要結論和成果融入到城市詳細規(guī)劃中去，作為城市詳細規(guī)劃的成果之一表達出來。

 

  １．３ 結合的難點

 

  縱觀能源規(guī)劃領域的研究成果［２０－２３］，比較常見的是采用綜合優(yōu)化的方法，基于常見能源設備，構建含有多個能源用戶、多種能源轉換供應方式的數學模型，基于約束條件（節(jié)點能量平衡、設備限制、管網建設的可行性、環(huán)境等），通過單（多）目標優(yōu)化，得到能源系統(tǒng)優(yōu)化設計方案，以確定最優(yōu)的（一般是經濟性）能源轉化技術和設備組件（微型熱電聯(lián)產單元、光伏發(fā)電陣列、鍋爐、大電網等）的選型和配置參數。通過利用上述模型和工具對區(qū)域能源系統(tǒng)進行分析和模擬，得到該區(qū)域能源系統(tǒng)的優(yōu)化設計方案。這些研究對于區(qū)域能源系統(tǒng)的優(yōu)化設計和系統(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)設計模型和工具得到的結果并不能直接納入城市詳細規(guī)劃體系。這是因為：

 

  １）在城市詳細規(guī)劃階段難以滿足這些模型所要求的數據輸入精度；２）在一個區(qū)域范圍內用能與產能對象數量過多，可用的能源轉換技術和設備眾多，完成優(yōu)化計算所需的技術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)域能源利用的設計，基于現(xiàn)有的能源轉換設備，通過數學規(guī)劃求解獲得某一個（或者幾個）技術優(yōu)化組合方案，所得到的結果很難以具體、鳥B~薩B量化的形式落實到區(qū)域和地塊。

 

  因此，需要構建出一種適用于區(qū)域能源規(guī)劃的模型，該模型應能對整個能源系統(tǒng)進行綜合優(yōu)化分析，將能源系統(tǒng)低碳化的要求以指標的形式表達出來，并為區(qū)域建筑能源規(guī)劃方案的制定提供技術支撐。

 

  ２ 區(qū)域建筑能源系統(tǒng)熱力學分析

 

  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、空調制冷、供暖、生活熱水５個方面，能源供給主要有電、煤炭、燃油、燃氣（天然氣、液化氣、煤氣及少量的生物質燃氣等可燃氣體）、太陽能等。其中炊事用能種類一般是燃氣和電，照明及家用電器以消耗電能為主，對應的能源需求種類比較固定。本研究重點關注如何滿足建筑供暖、制冷、生活熱水的能源需求。

 

  對于冷／熱／電的需求實質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／電負荷分別轉化為對冷、熱及電力３種形式的的需求。

 

  將能源設備生產的冷／熱／電也用對應形式的來表示，這樣就可以將眾多的能源轉換技術按照流動途徑劃分為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、燃氣、燃油及生物質燃料等）。將冷熱量的生產視為產品加工過程，采用單位冷／熱／電產品的化石能源成本高低來表示不同冷熱量生產技術的差異。

 

  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個層面制定具體有效的控制和引導措圖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，內容主要是建筑性能的要求?？梢酝ㄟ^與建筑性能相關的設計標準、建筑等級認證標準等對此部分內容提出具體要求。在地塊層面，需要了解同一地塊內有多少建筑，建筑間的空間位置對小區(qū)風、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模擬軟件，在小區(qū)規(guī)劃和建筑設計階段分析解決。區(qū)域層面主要是與能源相關的市政設施的規(guī)劃建設，需要明確各個地塊之間是否需要能量交換。由于地塊間的設施規(guī)劃建設、用地權屬協(xié)調及開發(fā)控制等均超出了建筑設計師的工作范圍，因此應在城市詳細規(guī)劃階段對這部分內容給出明確的規(guī)劃方案。

 

  ３ 區(qū)域流模型

 

  ３．１ 基準點

 

  建筑空調供暖系統(tǒng)進行分析的系統(tǒng)邊界為規(guī)劃項目的地理邊界。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、海洋和大氣等所構成的外界，且假設環(huán)境為無限廣闊的、內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為是無限的，認為環(huán)境不受目標系統(tǒng)的擾動而發(fā)生變化，即環(huán)境參數（如溫度、壓力等）不會因為與系統(tǒng)傳遞能量和質量而發(fā)生變化。同時定義外界空氣環(huán)境為值０點，任何季節(jié)空調控制目標均為室內值高于外界空氣環(huán)境。

 

  ３．２ 地塊間流網絡

 

  每個地塊作為最小單元，視為一個網絡節(jié)點，在該節(jié)點上既有產品的生產，又有產品的消耗。生產單位所消耗的化石能源量作為該生產過程產出的成本。各個地塊由于資源稟賦、技術設備的差異，生產的成本是不同的。在滿足給定量的需求（ 負荷）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，盡量減少高成本的生產，這樣不同地塊間就有發(fā)生流動的可能。區(qū)域范圍內以地塊為節(jié)點就構成了流網絡。如圖３所示，圖中１→１表示１號地塊所產用于自己消費的部分，１→２表示１號地塊所產用于２號地塊消費的部分。

 

  目標約束的目標值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、需求量為預測值時計算得到的，是一種硬約束。因此，通過目標規(guī)劃討論在各約束量存在偏差時最優(yōu)解的變化情況是必要的。通過多次目標優(yōu)化的計算，討論各個地塊需求變化及各類技術應用程度的變化對區(qū)域總成本的影響。通過上述計算分析，可以對各個地塊的某一產品生產量和全區(qū)的流網絡有更全面的認識。能夠明確各個地塊的控制重點是削減負荷還是需要提高該地塊能源利用水平（如技術效率提高、增加可再生能源利用比例等）。結合其他因素制定出針對各個地塊的生產成本控制指標（包含可再生能源利用）和提出針對全區(qū)的輸送的管網設施建設建議。

 

  ５ 產品成本及懲罰權重的確定

 

  ５．１ 產品成本的確定

 

  各個地塊某一產品（冷／熱／電） 成本的確定是關鍵問題之一。可通過式（９）計算：

 

  ｅｉ，ｐ ＝Σ ｑｎ＝１

 

  ｅｎｐｎ，ｉＸｐｉ

 

  （９）式中 ｅｎ為第ｎ 種技術的成本；ｎ＝１，２，…，ｑ；ｐｎ，ｉ為ｉ地塊采用第ｎ 種技術的產量；Ｘｐｉ為ｉ 地塊總產量。

 

  該地塊的適用能源技術包括各種形式的熱泵、鍋爐、冷熱電聯(lián)產、可再生能源利用等所有可用的技術。各類技術對應的產品產量由該地塊的資源條件確定。

 

  ５．２ 懲罰權重的確定

 

  對各個地塊負荷變化及產品產量偏離測算值時懲罰權重的確定需要結合具體的項目進行。

 

  懲罰權重值的大小沒有限制，對結果產生影響的是各個懲罰權重之間的相對大小。控制嚴格的約束需要較大的懲罰權重，對于控制不嚴格的約束需賦以較小的懲罰權重。為了確定懲罰權重的大小，需要通過多次的嘗試，根據優(yōu)化結果的可接受程度來確定最終的懲罰權重。

 

  ６ 結論和展望

 

  本文介紹了區(qū)域建筑能源規(guī)劃同城市區(qū)域詳細規(guī)劃相結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個層面的工作。重點介紹了地塊間能量流動網絡的優(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)解為基礎進行目標規(guī)劃討論彈性約束條件下的最優(yōu)流網絡形式。通過多次計算分析最終得到各個地塊的規(guī)劃指標和規(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行了初步的探討，模型的具體細節(jié)還需要深入研究，并通過工程實踐不斷修正和完善。