科學合理的區域建筑能源規劃對降低區域化石能源總需求具有重要意義。能源與城市規劃學科的學者對如何進行區域建筑能源規劃的相關問題進行了探索研究。

 

  對于較小區域的能源規劃問題，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規劃的必要性和方法、區域能源規劃目標設定、可用能源資源量評估、區域建筑負荷預測、區域建筑能源系統模型構建和分析、低品位能源的利用技術等區域建筑能源規劃的相關內容。孫冬梅等人對我國的城市能源規劃現狀進行了分析，并提出了低碳生態城市的建筑能源規劃的原則、主要內容、方法及步驟。

 

  規劃學科討論的重點在于如何通過改進城市規劃方法降低城市能耗。周銀波等人對如何將低碳生態化目標分解到開發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狀特征、立足于管理政策與空間規劃相結合，并針對上海地區提出減少交通、建筑、產業三方面能耗的規劃策略［１３］。顧朝林等人提出應在城市詳細規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理念對市政基礎設施規劃的思路，提出將能源系統作為市政規劃的要點之一。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。規劃重點在于推廣分布式能源系統，降低輸送損失。林忠航探討了在城市規劃編制的各個層面應如何考慮能源問題，從城市規劃層面探索解決城市能源問題的途徑。

 

  在生態社區的建設實踐中，ＬＥＥＤ－ＮＤ，ＢＲＥＥＡＭ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ等生態社區評價指標體系為國內生態城區的開發提供了參考。結合生態城區的建設實踐，我國頒布了ＨＪ ２７４—２００９《綜合類生態工業園區標準》和ＨＪ／Ｔ ２７３—２００６《行業類生態工業園區標準（試行）》，出版了《中國生態住宅技術評估手冊》。這些標準或手冊中都對區域建筑能源利用提出了要求。

 

  但上述相關研究對區域建筑能源規劃工作推行的具體模式以及區域建筑能源規劃的地位討論較少。本文結合我國的城市規劃工作體系探討了一種推行區域建筑能源規劃工作的模式，以及在該模式下進行建筑能源規劃的方法。

 

  １ 區域建筑能源規劃與城市詳細規劃相結合的模式１．１ 結合的意義城市詳細規劃規定了建設用地的各項控制指標和其他規劃管理要求，或者直接對土地開發建設作具體的安排和規劃設計。城市詳細規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、能源等）的一套指標體系確定的。這些指標規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，詳細規劃中關于能源部分的規劃方案和規劃指標是否科學合理決定著低碳節能的理念是否能落實到后續的開發建設中。但是，目前的城市詳細規劃規范和導則中缺乏針對較小的區域（幾ｋｍ２）和地塊層面的能源控制指標。

 

  區域建筑能源規劃對于區域－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。但區域建筑能源規劃工作并沒有在主流的規劃工作中普遍推廣。

 

  因此，將區域建筑能源規劃以一種普遍的形式

 

  結合到城市詳細規劃中去，借助于城市規劃的前置性和法律強制性以及城市規劃在基礎資料獲取、用地等方面的諸多優勢，對促進區域建筑能源規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劃法》頒布實施以來，我國的城市規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。區域建筑能源規劃是城市能源規劃的創新內容之一，應隸屬于城市規劃。區域建筑能源規劃與城市詳細規劃相結合不應削弱區域建筑能源規劃內在的創新性，而應是借鑒城市詳細規劃的工作模式，把能源規劃的主要結論和成果融入到城市詳細規劃中去，作為城市詳細規劃的成果之一表達出來。

 

  １．３ 結合的難點

 

  縱觀能源規劃領域的研究成果［２０－２３］，比較常見的是采用綜合優化的方法，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（節點能量平衡、設備限制、管網建設的可行性、環境等），通過單（多）目標優化，得到能源系統優化設計方案，以確定最優的（一般是經濟性）能源轉化技術和設備組件（微型熱電聯產單元、光伏發電陣列、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域能源系統進行分析和模擬，得到該區域能源系統的優化設計方案。這些研究對于區域能源系統的優化設計和系統分析具有重要意義，可以在一定程度上提高區域能源系統的用能效率，降低低碳生態城區的碳排放。

 

  但是利用目前已有的區域能源系統設計模型和工具得到的結果并不能直接納入城市詳細規劃體系。這是因為：

 

  １）在城市詳細規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域能源利用的設計，基于現有的能源轉換設備，通過數學規劃求解獲得某一個（或者幾個）技術優化組合方案，所得到的結果很難以具體、鳥B~薩B量化的形式落實到區域和地塊。

 

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

 

  ２ 區域建筑能源系統熱力學分析

 

  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 區域建筑能源規劃分解

 

  如圖１所示，區域建筑能源規劃主要在區域、地塊、建筑３個層面制定具體有效的控制和引導措圖１ 區域建筑能源規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。可以通過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風、光、熱環境的影響，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，在小區規劃和建筑設計階段分析解決。區域層面主要是與能源相關的市政設施的規劃建設，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劃建設、用地權屬協調及開發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劃階段對這部分內容給出明確的規劃方案。

 

  ３ 區域流模型

 

  ３．１ 基準點

 

  建筑空調供暖系統進行分析的系統邊界為規劃項目的地理邊界。如圖２所示，該系統為開放系統，外界向系統輸入高品位能源，系統向外部環境傳遞低品位能量。這里的環境專指由地球表面、海洋和大氣等所構成的外界，且假設環境為無限廣闊的、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，認為環境不受目標系統的擾動而發生變化，即環境參數（如溫度、壓力等）不會因為與系統傳遞能量和質量而發生變化。同時定義外界空氣環境為值０點，任何季節空調控制目標均為室內值高于外界空氣環境。

 

  ３．２ 地塊間流網絡

 

  每個地塊作為最小單元，視為一個網絡節點，在該節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生流動的可能。區域范圍內以地塊為節點就構成了流網絡。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為第一階段優化得到的最優解。第一階段的最優解是在假定資源量、需求量為預測值時計算得到的，是一種硬約束。因此，通過目標規劃討論在各約束量存在偏差時最優解的變化情況是必要的。通過多次目標優化的計算，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

 

  本文介紹了區域建筑能源規劃同城市區域詳細規劃相結合的必要性及工作形式，并討論了在該模式下區域建筑能源規劃在區域、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化方法———兩階段規劃法。通過此規劃求得最優解，以此最優解為基礎進行目標規劃討論彈性約束條件下的最優流網絡形式。通過多次計算分析最終得到各個地塊的規劃指標和規劃方案。

 

  本文對一種推行區域建筑能源規劃的思路和模型工具進行了初步的探討，模型的具體細節還需要深入研究，并通過工程實踐不斷修正和完善。