城区需求侧能源规划_龙惟定

６０　暖通空调ＨＶ＆ＡＣ　２０１５年第４５卷第２

期

城区需求侧能源规划

同济大学　龙惟定☆

摘要　在我国城镇化进程中，能源利用形态发生了很大变化，从而催生了需求侧城区能源规划。需求侧能源规划有３种类型，即以绿色经济为主导的综合能源规划，以绿色建筑为主导的建筑能源规划和以绿色能源为主导的能源系统规划。概括介绍了能源系统规划的关键技术，即规划的６个步骤：目标设定，资源分析，负荷预测，影响因素分析，能源系统配置，经济、能效、环境、碳足迹分析；重点介绍了负荷预测流程和能源微网、能源总线系统的配置。

关键词　城区能源规划　需求侧　负荷预测　能源微网　能源总线

ｅｍａｎｄｉｄｅｕｒｂａｎｅｎｅｒｌａｎｎｉｎＤｓ　　－ｇｙｐｇ　

ｙｏｎｇ　ｅｉｄｉｎｇ★ＢＬＷ　

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１　需求侧能源规划的定义

在我国城市规划体系中，城区电力规划、燃气规划，以及北方城市的集中供热规划都占有重要地位。这些规划都属于能源供应侧规划，由能源供应单位的专业规划机构完成。但在我国新型城镇化进程中，能源应用形态有了很大改变，体现在：）伴随新型城镇化的是产业结构的升级和转１型，重点发展现代服务业和先进制造业。这些产业均以建筑为生产基地，都属于建筑环境依赖型产业。

）我国有很多新建城区（包括各种工业园区、２

科技城和金融商务区）都以发展现代服务业和先进制造业为目标。由于产业结构转型，过去工业化时代高温、高压、高品位能源需求逐渐向后工业时代低温、低压、低品位能源需求转化，能源的主要用途是保障建筑环境的照明、供暖、供冷和供热水。）保障居民衣食住行的城市生活消费性能源３

需求持续增长。我国经济逐渐从投资和出口拉动

转向以消费为主的结构，越来越多的人会追求健康舒适的建筑室内环境，而基本室内环境的保障措施将形成法律条文。应该鼓励并倡导科学合理的能源消费。

）由于能源资源紧缺和环境污染加剧，我国４已作出２０３０年温室气体排放将达到顶峰的承诺，国家将实行更严格的能耗总量控制和排污量控制措施。因此，需要进一步提高能源效率、提高可再生能源的应用比例，能源消费从“少增长”到“多减。少”

）新建城区建设都以绿色生态为目标，需要５

在能源合理利用方面体现节能减排理念。各项能耗和排放指标应优于当地水平。

男，硕士研究生，教授，博士生导师９４６年１１月生，１☆龙惟定，

上海市四平路号同济大学中德工程学院２０００９２２３９１

（）６０２１５９８６９６０

：Ｅ－ｍａｉｌｗｅｉｄｉｎｌｏｎｉ．１２６．ｃｏｍ＠ｖｇｇｐ

收稿日期：０１４－１２－０８２修回日期：０１４－１２－１１２

（）２０１５２龙惟定：城区需求侧能源规划６１　

能源应用形态的特点为城市能源带来一系列新的挑战：

）高密度城镇空间布局与低密度可再生能源１

生产之间的矛盾；

）可再生能源生产的波动性与建筑负荷变动２

的不同步性；

）可再生能源资源的空间分布与用户空间分３

布的不一致性；

）城市空间布局对微环境的影响；４

）城市形态对建筑负荷和能耗的影响；５

）“建筑成为微型发电厂”与城市空间布局的６矛盾；

）日趋个性化的能源应用与集中式能源供应７

之间的矛盾；

）能源领域的市场化进程与高度集中的能源８

供应机制之间的矛盾；

）巨大的能源需求与资源环境容量之间的９矛盾；

）先进的节能技术与落后的管理之间的０１

矛盾。

以上矛盾和问题需要通过规划手段来解决。而以往的能源规划和城市规划都没有相应的内容

供应侧能源规划

技术路线

基于可靠性理论和经济效益最大化原则以化石能源为主单源系统，

大集中系统，垂直化管理

适应工业化时代需求，高温、高压、高品位能源产品稳定的负荷

利用价格杠杆调节，用户节钱不节能或节能不节钱集中产能，远程输送从顶到底的规划思想

方法论

预测极端用能情况下的高峰负荷

最大负荷叠加，保证供应可靠性，机组装机容量大选择大机组、大集中系统，发挥大机组的高能效

１］

，即从需求和措施。由此催生了需求侧能源规划［

角度出发，研究城区能源资源的有效整合和合理应用。目前常见的需求侧能源规划有３种：）综合能源规划，即面向绿色经济的能源规１

。涉及生产性能耗和消费性划（第１种能源规划）能耗，包括产业能耗、建筑能耗和交通能耗三大领域。它主要建立能耗总量和各领域能耗量目标，建立能耗绩效评价指标，建立产业和建筑的能效准入门槛，建立城区的能源管理体系等。

）建筑能源规划，即面向绿色建筑的能源规划２

。包括对各类建筑的能耗预测，（第２种能源规划）

建立各类建筑的能耗基准，建立绿色建筑绩效评价指标，可再生能源与建筑一体化规划，调整城市形态以发挥其节能潜力、自然资源利用的空间协调等。）城区能源系统规划，即面向绿色能源的能３

。包括有效整合城区内源规划（第３种能源规划）各种资源，降低终端用能负荷，以能源效率和经济效益最大化的原则配置能源系统，实现城区内能源资源的互联互通、多源供能、多级利用、多技术集成、多策略运行，以及多元化经营。

需求侧能源规划与供应侧能源规划无论在技术路线上还是在方法学上都有很大不同，见表１。

需求侧能源规划

基于综合资源规划（理论和终端节能资源化原则ＲＰ）Ｉ多源系统，集成可再生能源和未利用能源基于互联网思想，资源共享，扁平化管理

适应后工业化时代需求，低温、低压、低品位能源产品变动的负荷既节能、又节钱

现场产能，用户也是生产者，互联互通从底到顶的规划思想

预测用户采取节能措施后的减量化负荷

逐时负荷叠加，实现负荷平准化和错峰，机组装机容量小分布式产能，灵活运行，适应分散式个性化用能

表１　供应侧与需求侧能源规划的区别

系统大部分时间在部分负荷下运行，输送能耗比例高，利用同时使用率和负荷参差率，系统满负荷运行时段延

系统能效降低。形成节能的悖论：即需求侧用能越长，系统能效提高多，系统能效反而越高，供应侧经济效益也越好热电联产系统，重视余热利用，综合一次能利用效率要热电联产系统，用所发电力驱动热泵，与余热共同承担供

（），求在７热冷负荷综合一次能源利用效率可高达２０％以上００％

列入法定城市规划系列，有成熟的技术标准没有列入法定城市规划体系，未形成技术标准

经济和社会效益

用户对能源品种、供应方式只有唯一选择

用户有多种选择，必须有灵活的价格机制和周到的服务。

系统运行的商业化模式是需求侧能源规划中必须考量的要素计量收费和有吸引力的合理价格

完全是一种服务多个投资主体，多种投资形式，非常适合采取公私合营

）（模式ＰＰＰ

必须与用户分享效益既是供应者，又是用户，

保障供应侧利益，实行按面积收费等不合理收费制度能源供应商带有行政公权力，既当裁判，又当运动员只有一个投资主体上下游利益独享

６２　暖通空调ＨＶ＆ＡＣ　２０１５年第４５卷第２期

专业论坛

一些新建城区尽管都号称绿色生态城　　近年来，区，但往往能耗水平高于当地一般城区。这主要是由于这些城区沿用了供应侧能源规划的思路，盲目引进高能耗产业，贪大求全，建设大集中单一能源的区域能源系统，高估供冷供热负荷，不切实际地提高供应安全系数，不考虑城区能源系统对环境的影响。因此，有必要对需求侧能源规划的技术路线和方法论进行梳理，使今后的城区能源规划更加科学合理、更加节能环保。

２　需求侧能源系统规划的关键技术

目前暖通空调专业人员遇到最多的是需求侧城区能源系统规划。本文主要针对能源系统规划（第３种能源规划）提出规划的指导原则，无论哪一种需求侧能源规划都有以下六大步骤。

的设定ＫＰ１　规划目标和关键性能指标（Ｉ）２．

绿色生态城区的能源规划需要有非常明确的节能目标，作为开发的依据和必须实现的关键性能），要求各利指标ＫＰｋＩ（ｅｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ　ｙｐ　

］３２－

。规划目标和ＫＰ益相关方共同接受和遵守［Ｉ要包括以下内容：

）生产性能耗的效率性指标（如单位产值能１

；耗、能耗总量等））消费性能耗的强度性指标（如单位面积能２

；耗、人均能耗等））区域内能源基础设施的节能减排目标（如３

目标能效值、单位产能的碳足迹、单位产能成本、可；再生能源利用率等）

）区域内利益相关者共同遵守的行为节能准４

则和鼓励节能的各项措施（如公交普及率、网络覆；盖率、绿色建筑达标率等）

）各项能耗的基准线和限额。５

根据目标管理理论，如果一个领域没有特定目标，则这个领域必然会被忽视；如果没有一定的目标指导项目的开展，则项目的规模越大，涉及的专业、人员以及利益相关方越多，发生冲突和浪费的

２］

。因此，合理的目标设定是城区可能性也就越大［

的基础上选择一种资源组合方案，作为城区能源利

５］

。简而言之，用的最终方案［就是节能资源化，将

终端节能视为煤、石油、天然气、核能和可再生能源之外的第６种能源。

供应侧资源包括：

）公用事业网络提供的电力、热水、燃气、蒸１

汽等商品能源，购买得到的石油制品、液化石油气、煤炭等商品能源；

）当地可获得和值得应用的可再生能源，如２

、太生物质能（森林废弃物、农作物秸秆、生活垃圾）阳能、风能、地热能、小水电等资源；

）有应用价值的余热、废热，如污水，以及自３

然界的低品位可再生热源，如空气、土壤、地表水）”。等，即所谓“未利用能源（ｎｔａｅｄｅｎｅｒｕ　ｐｐｇｙ

需求侧资源是指通过降低负荷和提高能源利用效率而得到的虚拟资源，包括：

）新建建筑由于采取了比国家节能设计标准１

更严格的建筑节能措施而降低的能耗；

）用户改变消费行为减少用能而节约的能量；２

）通过规划措施调整城市形态降低供冷供热３

负荷所节约的能量；

）采用区域能源系统，利用负荷错峰和负荷４

参差率而减少的能耗；

）用户采用更高能效的末端设备所降低的能耗。５

）”一词。尤其是可特别注意“可利用（ｖａｉｌａｂｌｅａ再生能源和未利用能源的应用必须因地制宜，根据当时当地条件和应用成本决定用量，不能一刀切，更不能强求某一应用比例。比如太阳能，要考虑区域范围内有多大的太阳能采集面积；比如土壤热源，要考虑有多少可用来埋管的土地面积，以及这些土地的使用性质和与其他地下空间构筑物的关系。在可再生热源中，最容易利用的便是空气。正由于空气无处不在，也就没有必要将空气源热泵系统设计成区域集中系统，增加庞大的冷热水输送系统，增加无谓的能源消耗。如果为避免分散空气源系统所带来／热源塔和辅助加的热岛效应，那么也可以将冷却塔／热泵分散布置，热系统集中设置，将制冷机成为能）系统，源总线（尽量缩短供冷距离。ｎｅｒｂｕｓｅｇｙ　３　负荷和需求预测２．

需求侧能源规划中，城区内建筑的冷热负荷和需求预测是非常重要的环节。负荷预测包括以下）为配置城区集中能源系统用的设计负荷两类：１

需求侧能源规划的重要环节。

２　可利用的能源资源分析２．

４］

，将需求侧的方法［运用综合资源规划（ＲＰ）Ｉ能源利用效率提高而节约的资源视为一种替代资源，并给予像其他传统资源供给方式同等的重视，在比较需求和供给两方面的资源供给费用和效益

（）２０１５２龙惟定：城区需求侧能源规划６３　

（静态负荷）预测；２）为确定系统运行策略和作能耗分析用的运行负荷（动态负荷）预测。

在规划阶段，区域内各单体建筑物的建筑设计还没有开始。尽管规划中确定了建筑的功能用途，但单体建筑具体的负荷变化规律是不确定的。因此，在规划阶段试图用动态负荷模拟软件建立建筑模型，进行精细的冷热负荷模拟是非常困难的。而如果用空调设计中冷热负荷估算指标来估算区域内建筑群的负荷，就会回到供应侧能源规划的老套路上去，一定会造成区域能源系统“大马拉小车”的局面。

负荷预测依据的数据来源包括：

）总体规划和各专项规划（特别是供应侧电１力、燃气和热力规划）的基础数据；）国家和地方建筑节能设计标准和绿色建筑２标准；

）本地或邻近城市能耗统计、能源审计，以及３

能耗监测平台的实测数据；

）典型单体建筑的能耗模拟结果；４

）城区规划指标、能耗目标、关键性能指标５

第２种方法：基于数据挖掘的城区建筑负荷预测方法研究。

）对规划区域所在地公共建筑能耗监测平台１

实测的各类建筑能耗数据进行分析，并结合城区的节能目标和能耗限额，确定某一类建筑的平均或最大能耗值，根据第１种方法中得到的当量满负荷时间推算出此类建筑的负荷指标。

）在此基础上生成负荷指标。２

可见，需要通过模拟与实测、虚与实的两种方法相结合生成负荷指标。负荷指标的生成工作可以离线完成。有志于从事需求侧能源规划的单位，应把建立主要城市和地区的负荷指标数据库作为业务建设的重要工作。在作具体能源规划时选取适当的负荷指标，并根据规划区域整体情况（例如，城区的功能混合度、入住率预测等）确定同时使用系数和负荷参差率。

４　城区建筑基准负荷影响因素分析２．

这是城区总体规划与城区能源规划对接和协调的重要环节，主要影响因素包括：

）气候因素。尤其是全球气候变化带来的未１

来气候的不确定性。气候变暖、气候变冷、极端气候出现频率等都会影响建筑能耗和能源系统的配置。尽管这样的预测也有规律可循，也可以建立相应的模型，但相比负荷预测，准确性更差，不同模型的预测结果相差更大。即便如此，还是可以通过规划区域所在地区的气候趋势性预测，对中长期负荷和能耗的变化作出简单预判。

）规划因素。城区的容积率、功能混合度、建２筑密度、人口等规划要素都会对建筑基准负荷产生影响，同时也会影响能源系统的选择和配置，影响规划区域的微气候。通过规划的合理调整，可以降低负荷。

）建筑因素。建筑高度、体形系数、围护结构３

型式等对建筑负荷有显著影响，特别是影响到建筑对自然资源（如天然采光和自然通风）的利用及被动式节能技术的有效性。建筑设计与节能方案的的重要内容。权衡，应该是建筑信息模型（ＩＭ）Ｂ）政策因素。当地能源政策，如能源价格因４素、能源消费总量控制因素、当地对绿色建筑占比等，都需的要求，以及电力部门的需求管理（ＤＭ）要对负荷加以控制。我国正酝酿中的２０３０年建筑能效提升工程路线图要求建筑供暖供冷的能耗水

ＫＰＩ和区域开发的建设导则。

负荷预测有很多种数学建模方法和解析工具，但基本都是针对单体建筑开发的。目前还没有区域尺度建筑群冷热负荷预测的成熟软件，在规划阶段需要用各种负荷指标预测区域大尺度的负荷。规划用的负荷指标应结合下面两种方法产生。

第１种方法：基于能耗模拟技术的城区建筑负荷预测。

）基准负荷。根据城区总体规划和节能设计标１准，设定各类功能建筑基准负荷的参数，作归一化处

］６

后建立各类型建筑基准负荷预测模型，用计算机理［

模拟。基准负荷的主要影响因素是建筑形态、围护结构热工性能和当地气象参数。基准负荷的模拟工作可以按照不同地区的节能标准，事先离线做好，并建立按地区和建筑类型区分的基准负荷数据库。）变动负荷。影响变动负荷的主要因素是人２员密度、照明设备的功率密度和未来的气候变化。根据规划区建筑功能特点、人口变动趋势，以及气候变化预测确定变动负荷情景参数，模拟不同情景

７］

。下的负荷［

）给出各类建筑在不同情景下的当量满负荷３

运行时间和最大负荷出现时间，并与下述第２种方法的结果进行比对。

６４　暖通空调ＨＶ＆ＡＣ　２０１５年第４５卷第２期

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２

·ａ）／（以下。要实现平达到近零，即１５ｋＷ·ｈｍ使用费或接入费中不应再记入。

）集中设置的城区能源系统的配置，应依据５

逐时叠加的负荷，不应采用以各类建筑最大值叠加的负荷。

）区域供冷供热系统应尽量缩短供冷半径，６

一般应在５最大不得超过１００ｍ以下，００ｍ。０　）集中式城区能源系统的输入和输出的综合７

一次能源效率应大于１．０。

符合下列情况之一并经技术经济的可行性研究，可采用区域供冷供热系统：

）建筑密度在３或建筑容积率在０％以上，１

则区块面积最大不宜超０以上。如有区域供冷，２．

２，以控制供冷半径。过０．５ｋｍ

）区域内建筑负荷（建筑功能）多样化。２

）有可利用的可再生能源或可再生热源的资３

源，包括地表水热源、地热源及可供埋管的土地面积。

）有稳定供应的工业余热、废热资源。４

）严寒和寒冷地区结合市政区域供热管网的５夏季热利用。

）因环境要求不能在建筑上安装冷却塔的区６域。

符合下列情况之一并经技术经济的可行性研究，可采用分布式能源冷热电联供系统：

）建筑密度在３或建筑容积率在０％以上，１

０以上。２．

）混合功能社区，区域内建筑负荷分布多样２化，各类建筑负荷错峰，冷热负荷叠加后的总负荷曲线比较平坦。

）有可利用的可再生能源资源，包括生物质３燃料、气化固体废弃物等。

３

）有稳定的天然气供应，天然气价当地每ｍ４

格不高于当地平均每ｋＷ·ｈ电力价格的４倍。

／这一近零目标，供冷供热负荷就要降低到４０Ｗ

２

以下，单靠围护结构的节能是远远不够的。ｍ

５　能源系统的配置方案和优化２．

在大型园区或建筑群中，供冷供热系统是集中系统还是分散系统，在国外一致看好集中，但在国内却存在争议。原因是国内已建区域供冷供热基本沿用了供应侧能源规划的思路和方法，以保证可靠性为指导思想，再加上粗放的负荷预测，以及我国多数新开发园区空置率很高等原因，导致系统最终运行能效不高，冷热价却偏高。

城区能源系统是一个复杂系统，所以对技术方，不同情

况案需要全方位的、多元的评价（见图１）

图１　对城区能源系统方案需要多元评价

下对各种因素会有不同的侧重，会强调某一方面，忽略某一方面。但任何情况下都不能只顾一点，不及其余。根据中国国情，在任何情况下都应该把节能、减碳置于优先考虑的位置；同时，在任何情况下都不应将单一技术作为确定系统方案的先决条件，例如，不顾负荷特点和气源条件而一定要上热电联产系统。确定城区能源系统方案有以下几条原则：）对节能、减排、环境、经济性、用户体验、技１

术水平等各种影响因素赋以不同权重，综合研究方案的可行性。

）在前述资源分析和负荷预测基础上，根据２

当地资源禀赋和负荷特点确定系统方案。）绿色生态城区的能源系统（无论集中还是３

分散系统）一定是多种能源（包括可再生能源和可再生热源）复合的系统。

）在计算投资回报时，区域供冷供热系统或４

能源总线系统的管网应作为基础设施，由城区开发者投资，并分摊到土地招拍挂的费用之中，在能源

）优先考虑发电自用。以供冷供热为主的系５

统，自发电力优先用来驱动热泵。

在城区能源系统配置中，应优先选用基于清洁能源和可再生能源的能源微网系统和集成应用低品位能源的分布式热泵能源总线系统，实现效率和效益的最大化。

）系统的图２是能源微网（ｉｃｒｏｅｎｅｒｎｅｔｗｏｒｋｍ　ｇｙ　

］８

：／能源总线系统有以下特点［示意图。能源微网

）多源系统。综合利用市政基础设施的电１

力、燃气、热力，以及现场发电的可再生能源和热电