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)劃的要點之一。他結(jié)合我國實際情況認(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(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)實踐中，ＬＥＥＤ－ＮＤ，ＢＲＥＥＡＭ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ等生態(tài)社區(qū)評價指標(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。城市詳細(xì)規(guī)劃的主體內(nèi)容是依據(jù)城市管理各個方面（如經(jīng)濟(jì)、社會、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

 

  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)計方案。這些研究對于區(qū)域能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)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(shè)計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。這是因為：

 

  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，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（或者幾個）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個方面，能源供給主要有電、煤炭、燃油、燃?xì)猓?a href="http://kaichele.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)?、燃油?a href="http://kaichele.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。可以通過與建筑性能相關(guān)的設(shè)計標(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

 

  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)的擾動而發(fā)生變化，即環(huán)境參數(shù)（如溫度、壓力等）不會因為與系統(tǒng)傳遞能量和質(zhì)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(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)

 

  每個地塊作為最小單元，視為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在該節(jié)點上既有產(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)生流動的可能。區(qū)域范圍內(nèi)以地塊為節(jié)點就構(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)用于自己消費的部分，１→２表示１號地塊所產(chǎn)用于２號地塊消費的部分。

 

  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)測值時計算得到的，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)化的計算，討論各個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。通過上述計算分析，可以對各個地塊的某一產(chǎn)品生產(chǎn)量和全區(qū)的流網(wǎng)絡(luò)有更全面的認(rèn)識。能夠明確各個地塊的控制重點是削減負(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

 

  對各個地塊負(fù)荷變化及產(chǎn)品產(chǎn)量偏離測算值時懲罰權(quán)重的確定需要結(jié)合具體的項目進(jìn)行。

 

  懲罰權(quán)重值的大小沒有限制，對結(jié)果產(chǎn)生影響的是各個懲罰權(quán)重之間的相對大小。控制嚴(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個層面的工作。重點介紹了地塊間能量流動網(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。通過多次計算分析最終得到各個地塊的規(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，并通過工程實踐不斷修正和完善。