0 引言

 

  根據(jù)IEA的估計, 2006 年全球城市能耗達79億t油當量, 占全球總能耗的三分之二, 這一比例到2030年將上升到四分之三。因此, 未來與能源有關的CO2 排放量的增長將主要來自城市。到2030年, 由能耗產(chǎn)生的CO2 排放中將有76%來自城市。

 

  我國正處于快速城市化發(fā)展階段, 城市化率以每年接近1個百分點的速度增長, 2008年達到45.7%。

 

  2020年預期將達到60%以上。根據(jù)2010中國新型城市化報告, 2007年全國GDP排名前100位的地級及以上城市能源消耗驚人, 僅有1個城市能源消耗未過100 萬t標準煤, 有近一半數(shù)量的城市能源消耗超過了1000 萬t標準煤。百強城市用僅占全國2.65%的土地面積, 承載著全國17.57%的人口, 同時貢獻了全國一半以上(達52.52%)的GDP, 但也消耗了53.05%的總能耗。數(shù)據(jù)再一次證實了城市是經(jīng)濟、技術(shù)、人才集聚的高地, 也是國家能源消耗的主體。發(fā)展低碳城市是中國應對氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟、面向“后京都時代”的必然選擇。在快速城市化過程中, 主要的碳排放源來自土地利用和能源利用。探索城市能源利用的最佳途徑是構(gòu)建低碳城市的前提和保障。因此, 要求我們需要用一種全新的視角去審視城市能源的利用模式和方法。

 

  1 國內(nèi)外城市能源系統(tǒng)規(guī)劃模型研究

 

  概況

 

  城市模型技術(shù)經(jīng)過若干年的發(fā)展在相關領域有了廣泛的應用, 但其主要聚焦于土地利用和結(jié)構(gòu)布局兩個方面。Batty曾經(jīng)給出了三個經(jīng)典的城市模塊模型:即土地利用和交通布局模型、城市系統(tǒng)動力學模型、基于城市分區(qū)和用戶活動的模型, 這些模型開始只應用于城市經(jīng)濟和空間規(guī)劃問題, 后來一些研究人員將其應用到應對氣候變化和環(huán)境污染領域, 最著名的一個例子就是Tyndall中心的綜合評價模型正在倫敦空間布局的氣候風險領域發(fā)揮著重要的作用。國外也有研究人員致力于城市能源系統(tǒng)的建模并開發(fā)出一些工具, 包括在建筑和社區(qū)尺度評估能源、水和廢棄物消耗的模型[ 3] , 地理信息系統(tǒng)(GIS)在城市不同空間模式下能源需求評價中的應用模型, 城市熱需求和當?shù)乜衫媚茉戳恐g相互作用關系的模型[ 4] , 城市能源需求預測與能源管理優(yōu)化集成模型等等。然而, 這些模型雖然種類眾多,但都不約而同得彰顯出兩個特點:一是這些模型必然體現(xiàn)了城市能源需求在時間和空間上的變化, 這就需要輸入大量的相關數(shù)據(jù):如來自地理信息系統(tǒng)GIS的數(shù)據(jù), 或者是建筑的設計說明等;二是這些模型均在試圖尋求城市能源在供應測和需求側(cè)的優(yōu)化, 比如給出一些優(yōu)化的供應策略或運行策略等。

 

  除了以上優(yōu)點, 現(xiàn)在的國內(nèi)外的研究實踐也顯示出了一定的局限性, 那就是大多針對既定系統(tǒng)的某單一方面, 并且需要大量的數(shù)據(jù)支持, 這就造成了一些模型細化有余而宏觀指導不足, 一旦離開了具體針對的案例和大規(guī)模的數(shù)據(jù)支持就往往顯得推廣應用性不強, 沒有可復制性。更關鍵的是, 他們不能在城市能源系統(tǒng)的各個設計階段、眾多應用領域給出一個高度宏觀提煉的集成模型, 來指導城市能源系統(tǒng)規(guī)劃建設的各個步驟。

 

  2 SynCity模型簡介

 

  本文的創(chuàng)新點在于設計了一種嶄新的城市能源系統(tǒng)集成模型— SynCity, 它將城市能源系統(tǒng)設計的主要步驟和主要應用對象通過數(shù)學建模的手段集成在一個模塊框架中, 形成了一個工具包, 既能夠展示城市能源利用在時間和空間分布中的變化, 又不依賴于大量的數(shù)據(jù)輸入, 同時具有宏觀的綜合指導意義。

 

  SynCity模型主要包括三個模塊, 每個模塊解決城市能源系統(tǒng)規(guī)劃中的一個主要問題。三個模塊可以序列運行, 為一個低碳生態(tài)城做從規(guī)劃到能源的全程模擬, 有時候由于客觀條件所限,也可以單獨運行某一模塊, 在能源系統(tǒng)的某一方面給出建議。

 

  布局模型(layoutmodel), 主要是在某一目標函數(shù)下, 求解城市中不同類型建筑和交通設施的最佳選址布局, 以達到初投資和運行費用最低, 或者是能耗和碳排放最低。根據(jù)城市規(guī)劃圖將目標城市的土地利用規(guī)劃情況(包括辦公建筑、住宅、工廠、綠地等)、城市交通設施的規(guī)劃情況以及人口數(shù)量等信息輸入模型, 設置城市居民活動的幾種情景, 通過混合線性規(guī)劃技術(shù)(MILP), 給出各種建筑和交通設施在目標函數(shù)下新的布局方案。在這種方案下, 城市建筑既能夠滿足城市居民居住、辦公和生活娛樂的需求, 同時也可以達到造價最低, 或出行距離最短(能耗最低)等。

 

  用戶活動模型(agentactivitymodel), 用來對規(guī)劃城市進行負荷預測。它改變了過去單純以冷、熱、電單位面積指標乘以規(guī)劃面積進行需求預測的方式, 而是通過情景分析設置城市居民的生活活動, 如通過收入調(diào)查將城市居民分作不同種類, 他們出行選用的交通方式不同就會導致他們各自產(chǎn)生的交通能耗不同, 他們的住宅檔次不同亦會產(chǎn)生不同的建筑能耗等等。必須指出的是用戶活動模型里需要輸入的是布局模型的結(jié)果, 如果是三個模塊序列運行,它將按照布局模型生成的優(yōu)化布局進行冷、熱、電的需求預測, 如果是單獨運行此模塊, 即可輸入規(guī)劃方案中的布局進行預測。

 

  資源—技術(shù)—網(wǎng)絡模型(resource-ktechnologynetworkmodel,RTNmodel)是在用戶活動模型負荷預測的基礎上, 探索城市能源的最佳供應模式和方案。模型認為, 每一種城市能源系統(tǒng)均可以表述為某些資源和某些技術(shù)的組合。這些資源可以是化石能源(煤, 石油, 天然氣等), 也可以是可再生能源(太陽能、風能、生物質(zhì)能、海洋能、地熱等), 還可以是城市未利用能源(地鐵排熱、工廠廢熱、淺層土壤或地表水溫差熱等), 而這些技術(shù)是將這些輸入資源轉(zhuǎn)化為另外一些輸出的資源(熱電冷聯(lián)供技術(shù)、熱泵技術(shù)等), 如基于天然氣的熱電冷聯(lián)供技術(shù)(CCHP)是將一定數(shù)量的天然氣轉(zhuǎn)化為電、高品位的熱和廢熱。而高品位的熱可以通過換熱器制取熱水進行冬天建筑供熱, 也可以通過吸收式制冷機制取冷量進行夏季供冷。因為任何城市在空間形態(tài)上都可以分割成一些不同的單元(其優(yōu)化的結(jié)果由布局模型得出), 而每一個單元又有著各自不同的隨時間變化的動態(tài)的負荷分布(其模擬結(jié)果由用戶活動模型得出), 資源技術(shù)網(wǎng)絡模型正是通過混合線性規(guī)劃技術(shù)解決在滿足各個城市單元負荷需求的前提下, 這些技術(shù)如何最佳配置以達到最優(yōu)的供應方案, 以及各個城市單元之間的能流調(diào)度模式。目標函數(shù)同樣可以是費用最低, 能耗最低或者是碳排放最低, 也可以通過設置各目標的權(quán)重, 得到一種綜合的優(yōu)化方案。模型輸出圖將顯示每一種技術(shù)被配置在哪一個城市單元以及能流調(diào)度網(wǎng)絡(包括能源流向和數(shù)量)。

 

  模型里最主要的方程是資源平衡, 即Prit+Qrit+Irit+Srit-Erit-Drit=0, rit, 其中:Prit為區(qū)域i在時間t內(nèi)資源r的凈生產(chǎn)量, 其值可正可負, 為正代表生產(chǎn)量, 為負代表消耗量;Qrit為在時間t內(nèi)從城市其他區(qū)域通過調(diào)度流入?yún)^(qū)域i的資源r總量, 其值同樣可正可負, 為負代表在時間t內(nèi)通過調(diào)度從區(qū)域i流向城市其他區(qū)域的資源r總量;Irit為區(qū)域i在時間t內(nèi)從城市外進口的資源r總量;Srit為區(qū)域i在時間t內(nèi)使用的資源r凈儲存量, 其值為負表示區(qū)域i在時間t內(nèi)儲存多余的資源r總量;Erit為區(qū)域i在時間t內(nèi)的資源r出口量, Drit為區(qū)域i在時間t內(nèi)對資源r的需求量。其中Drit由用戶活動模型通過負荷預測得到, 而其他值的確定則與選擇的技術(shù)有關, 通常需要設定各種技術(shù)的能源效率、運行效率等參數(shù)。

 

  可見, 資源平衡方程可以保證城市每個單元區(qū)域的需求被多種方式滿足, 包括進口、當?shù)厣a(chǎn)、從其他區(qū)域調(diào)入或者使用貯存量等;同理, 如果某個區(qū)域?qū)τ谀撤N資源有著過剩的生產(chǎn)量或者進口量, 也可以調(diào)入其他供應不足的區(qū)域, 或者出口, 或者儲存起來供日后使用。RTN模型就是模擬這種多種資源和多種技術(shù)的最佳組合配置, 通過多目標尋優(yōu)使得各種技術(shù)配置在最合適的區(qū)域, 同時, 不同城市單元之間有著最佳的能流調(diào)度方案。其中技術(shù)的選址配置和網(wǎng)絡的連接與否都可以用二進制變量, 如0代表該技術(shù)不設置在區(qū)域i, 區(qū)域i與區(qū)域j之間沒有能流網(wǎng)絡連接(即沒有能流調(diào)度), 而1則代表相反;而各種技術(shù)的生產(chǎn)量等參數(shù)均可用連續(xù)變量表示。

 

  3 SynCity模型應用實例

 

  3.1 臨港新城簡介

 

  臨港新城是上海繼浦東開發(fā)開放之后獨具輔城作用的又一個戰(zhàn)略重點發(fā)展區(qū)域, 也是市政府確定的上海市三大低碳示范區(qū)域之一(另外兩個為崇明東灘生態(tài)城和虹橋商務區(qū))。規(guī)劃面積約296.6km2 , 規(guī)劃人口83萬。分為四大片區(qū)布局, 分別為中心區(qū)(主城區(qū))、主產(chǎn)業(yè)區(qū)、綜合區(qū)、重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)和物流園區(qū)四大片區(qū)。土地利用規(guī)劃圖見圖1。

 

  3.2 SynCity模擬結(jié)果

 

  3.2.1 布局模型結(jié)果

 

  臨港新城的開發(fā)商已經(jīng)對新城進行了總體規(guī)劃, 而布局模型可以對該總體規(guī)劃結(jié)果的初投資和年運行費用、能耗以及CO2 排放量進行初步估算,進而從多種角度對該設計進行綜合評估, 并給出可替代的規(guī)劃布局。與基準布局相比, 優(yōu)化布局中, 辦公區(qū)域與住宅區(qū)域的相對位置得到調(diào)整, 辦公區(qū)域與住宅區(qū)域的空間距離大幅縮短, 這樣有助于降低交通能耗, 而娛樂區(qū)域的數(shù)量被略微削減, 這是因為模型認為在滿足規(guī)劃區(qū)域人口娛樂需求的前提下,不需要更多的娛樂功能建筑。

 

  3.2.2 用戶活動模型結(jié)果

 

  將模型預測結(jié)果, 與按照不同功能類型建筑的冷、熱、電負荷指標乘以建筑面積得到的負荷計算結(jié)果相比, 吻合性在80%以上, 說明用戶活動模型在負荷預測方面的功能可以信賴。

 

  3.2.3 資源技術(shù)網(wǎng)絡模型結(jié)果

 

  比較了7 種冬季采暖技術(shù), 即燃氣鍋爐(boiler),電鍋爐(eheater), 空氣源熱泵用于采暖(ASHPh),土壤源熱泵用于采暖(GSHP-h), 燃氣發(fā)動機熱泵用于采暖(GHP-h), 燃氣直燃型吸收式熱泵用于采暖(AHP-h), 及建筑熱電冷三聯(lián)供用于發(fā)電采暖(BCHP-hp);5種夏季供冷技術(shù), 即空氣源熱泵用于供冷(ASHP-c), 土壤源熱泵用于供冷(GSHP-c), 燃氣發(fā)動機熱泵用于供冷(GHP-c), 燃氣直燃型吸收式熱泵用于供冷(AHP-c), 及建筑熱電冷三聯(lián)供用于發(fā)電供冷(BCHP-cp)。Heatex表示換熱裝置。優(yōu)化目標為CO2 排放量最低。網(wǎng)絡圖中, 網(wǎng)絡線表示資源流向調(diào)度情況, 線寬與資源流動量成比例。其中, 紅色代表燃氣流, 綠色代表電力流, 深藍色代表區(qū)域熱流, 淺藍色代表區(qū)域冷流。

 

  (1)需要輸入模型的各種技術(shù)的能源效率及CO2 排放量參數(shù)。

 

  (2)CO2 排放量最低目標下的資源技術(shù)網(wǎng)絡圖現(xiàn)構(gòu)件的異地操作。

 

  懸臂剛架梁柱節(jié)點的設計要解決以下三個問題,首先該結(jié)構(gòu)中柱子和梁分屬兩種不同的材料, 節(jié)點的連接須保證兩種材料可靠連接;其次, 柱與懸臂梁連接, 節(jié)點須能很好的傳遞彎矩且具有足夠的剛度;再次, 節(jié)點構(gòu)造須實現(xiàn)異地拆裝和制作。鑒于上述要求, 鋼柱與鋁鎂合金梁采用高強螺栓連接。

 

  4 結(jié)語

 

  本文以2010年世博會山東館序廳大懸挑剛架為研究對象, 從靜力、動力、穩(wěn)定性三方面對結(jié)構(gòu)進行分析, 并完成了對關鍵構(gòu)件及節(jié)點的設計, 得出以下結(jié)論:

 

  (1)通過在各懸臂剛架側(cè)面增加橫向聯(lián)系的方式, 解決了大懸臂剛架豎向剛度不足的問題, 保證了各懸臂剛架變形后整體曲面的流暢、協(xié)調(diào)。

 

  (2)序廳懸臂剛架的橫梁和立柱均采用箱形截面, 提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性, 同時增強了構(gòu)件的豎向剛度, 改善了結(jié)構(gòu)的動力特性。

 

  (3)在材料的選取上, 通過材料對比分析, 立柱部分采用鋼板焊接的剛度較大的箱形柱, 橫梁部分采用材質(zhì)較輕的鋁鎂合金, 滿足了結(jié)構(gòu)受力與變形要求。