中国区域能源规划的研究发展历程

  1 概述

 

  中国在实行改革开放政策的30 多年来，经济不断发展，人民生活水平不断提高，对能源的消耗也不断加大。中国的能源资源总量约为世界的10%，但人均资源占有量仅为世界人均资源占有量的40%，因此能源供应前景不容乐观。2010 年，中国一次能源消费量为32． 5 × 108 t 标准煤，超过美国成为全球第一能源消费大国。种种迹象表明，能源消耗已经成为中国在发展中需要高度重视的一个问题，这个问题会影响到中国今后在经济和社会各方面的发展前景。

 

  能源问题使得能源规划在我国具有重要的实际意义。中国的人口、资源储藏和能源消耗具有明显的地区性差异，因此，对某区域( 小到村镇，大到几个省) 进行有针对性的能源规划尤其必要。在改革开放之前，中国的区域能源规划大多为北方地区的供热规划，都属于行政性条文而没有成为一类研究课题。在改革开放之后，随着经济和社会的进步以及系统科学的兴起，我国对区域能源规划的研究从无到有，并且随着时代的发展不断丰富和深化，呈现出与当时的经济和社会发展状况相对应的特点。本文对中国区域能源规划的研究发展历程进行探述。

 

  2 20 世纪80 年代: 研究的起步

 

  20 世纪70 年代末，我国实行改革开放政策。

 

  与经济改革对应，我国当时的能源发展战略为“在坚持改革、对内搞活、对外开放中，充分发挥资源优势，进行综合开发”［3］。在这一战略思想的指导下，各地区能源规划大多突出了“综合开发”的特点，新能源和可再生能源的利用在地区性的能源规划中得到了充分的重视和应用。1979 年，科学家钱学森在光明日报发表了文章《大力发展系统工程，尽早建立系统科学的体系》; 1980 年，中国运筹学学会成立; 系统工程方法的研究和应用在中国活跃起来，其直接的影响是把系统优化方法引入到经济决策中，各部门纷纷采用最优化技术制定发展规划。

 

  20 世纪80 年代，中国对区域能源规划的研究主要以国家科技成果为主。清华大学在这方面做了很多工作。1985 年，清华大学的核能技术研究所对北京地区的能源系统规划方法及其数学模型进行了研究，将研究成果在北京地区加以应用并在中国部分地区推广。该规划模型运用了系统分析、运筹学方法和计算机技术，可用于地区能源系统规划与政策研究，亦可用于部门和企业，进行能源需求预测、供需平衡、供应系统方案比较与选择、能源与其他资源的优化分配、系统的技术经济指标评价等工作。

 

  1988 年，清华大学经济管理学院研究成功了能源规划( MARKAL) 模型矩阵/报告发生器。该软件使用灵活，方便用户，适应性广，可用于编制各省、区的能源规划。另外，清华大学技术经济能源所承担了“七五”国家科技攻关项目的一个子课题，对县级农村能源建设问题做了研究，总结出一套科学的规划工作程序，建立和发展了一套科学的农村能源规划方法及模型体系，并在12 个试点县的规划和建设中得到了实际应用。

 

  在20 世纪80 年代这10 年间，中国各地方政府的相关部门也对区域能源规划做了许多的工作，发布了相应的国家级科技成果。这些科技成果多以农村能源规划为主，最具有代表性的是江西省玉山县、河北省河间县和黑龙江省哈尔滨市等地。这些地区的农村能源规划在制定时分别应用了层次逐步优化建模法、能源平衡表和网络图、能量消费流程图等工具，统计并分析了所辖区域内农村的各行业能源消费构成，提出了能源消费的优化方案，对区域内各行业的发展和区域经济建设具有重要的指导意义。

 

  除以上国家科技成果外，孟庆福、刘立民对吉林省辉南县总体规划中的能源规划进行了研究。

 

  他们采用系统工程理论的建模方法，以工农业总产值翻两番为目标，对全县的能源供求进行了近期、中期和远期的预测，优化了能源系统的结构，为总体规划提供了能源方面的依据。原华中理工大学( 现已并入华中科技大学) 的刘立平、李开勤以HREM 模型( 农村能源模型，刘立平于1987 年提出) 为基础，经过适当简化、合并和具体化得到新的县级农村能源发展规划的模型体系［5］。该多级模型体系包括效应关联模型、MEDEE 模型( 法国能源经济研究所创建和发展的一种能源需求预测模型) 、能源系统优化模型等，各子模型通过数据库管理系统的媒介作用耦合成一个有机的模型系统。

 

  除农村能源规划外，西安交通大学的乐伟梁等对能源规划中广泛应用的混合规划方法做了研究，并用变量带上界线性规划方法对求解混合规划问题中常用的Benders 算法做了改进，解决了Benders 算法的维数灾难问题，节省了计算量和存储量。改进后的算法对能源开发规划、能源运输规划、厂址选择等实际问题的求解十分有效。

 

  3 20 世纪90 年代: 研究过渡期在20 世纪90 年代这10 年中，我国经济继续迅速发展，地区性经济水平差异开始出现，这使得区域能源规划研究的对象有向一省或多省级别转移的趋势。总体来看，在这一时期旧的研究热点开始消退，新的研究热点尚未形成，并且“系统工程热”也有所减弱。这些原因共同导致了这10 年间关于区域能源规划的研究成果较少。

 

  20 世纪90 年代前期，一些学者相继对大区域

 

  的能源规划进行了研究。1993 年，中国矿业大学的贺祖琪等研究了西南云、贵、川3 省的能源重点建设工程的排序问题。他们先期考虑了重点建设工程的布局，在确定排序基本原则之后，构造了0 － 1整数规划模型来描述3 省的煤炭、火电、核电和水电等重点建设工程的综合排序问题，最后用计算机对模型求解。1994 年，内蒙古工业大学的王林江、邵安综合考虑了多因素的复杂关系，提出了1990—2000 年内蒙古自治区东部的能源规划模型。他们的研究方法是: 建立线性规划模型，在该模型基础上修改得到混合整数规划模型。改进后的模型目标函数与原模型相同，只有一部分约束条件发生变化。

 

  4 21 世纪: 研究趋于兴旺

 

  进入21 世纪后，随着我国经济增长，城市和城市群能源供应紧张的问题开始显现。因此，以城镇区域能源规划为主题的研究工作得到广泛开展。与此同时，能源大量消耗引起的温室效应等环境问题也愈发严重。相应地，对环境的影响也成为了区域能源规划研究工作中新的重点。在21 世纪前10 年中，中国对区域能源规划的研究热点主要集中于“城镇”和“环保”两个关键词，由此形成了以下几个研究热点。

 

  4． 1 热点一: 着眼于建筑能耗的城镇能源规划21 世纪，中国进入城镇化快速增长期。城镇人口和建筑面积均大量增长。庞大的城镇人口导致了巨大的能源消耗，建筑面积的增长使得建筑能耗在城镇能耗总量中所占的比例更大。因此，城镇的能源规划对当前的中国而言意义重大，建筑能耗尤其应当作为城镇能源规划的重点考虑。清华大学和同济大学的学者近年来在这一领域做了许多研究工作，发布了一些领先的研究成果。

 

  2008 年，受国家“十一五”科技支撑计划项目“城市能源基础设施系统优化与模拟技术”支持，清华大学建筑技术科学系的付林等提出了基于动态和空间分布的城市能源规划方法。这种新的规划方法在调研、收集资料的基础上，综合城市规划中的热力、燃气和电力规划，根据城市能源系统现状和调研数据选择能源负荷和转换特性库，作为城市能源系统情景设定的输入条件，在软件平台上实现模拟计算，并利用评价体系判断方案的可行性。该方法应用的软件平台集成了管网输配水力计算软件，并结合地理信息系统( GIS) 和环境污染物分析等软件工具，以实现规划成果的显示。

 

  针对我国城市能源规划缺乏模拟软件平台的状况，该项目组还对城市能源规划模拟软件平台及其模型进行了研究和开发，取得了以下两项成果:

 

  提出了三维分层城市能源系统模型，开发了CEEDS城市能源环境动态模拟工具。陈杰在此研究基础上开发了基于能源设备特性的能源系统仿真平台软件City Energy V1． 0，实现和完善了CEEDS 的功能，具有初步的后处理和模拟结果输出、图表显示功能。

 

  同在2008 年，同济大学以龙惟定教授为首的研究团队对“区域建筑能源规划”做了详细的定义。

 

  以此为基础，该团队引入了一些其他研究领域的理论和方法，近年来进行了以下研究工作:

 

  ① 引入了综合资源规划( IRP) 方法。IRP方法是需求侧管理理论与能源规划相结合的产物，其核心是改变过去单纯以增加资源供给来满足需求的思维定势，把因需求侧能源利用率提高而节约的资源统一作为一种替代资源看待。运用IRP 方法，该团队提出了区域建筑能源规划中包含的各方面所需要遵循的原则以及具体操作方法。

 

  ② 引入能值( emergy) 的概念。能值是指某种资源、产品或人类劳务形成所需直接或间接应用的太阳能总量，表示在时间和空间上进入产品的所有能量。根据能值分析的思想，该团队提出了反映区域建筑能源规划系统特点的能值评价指标，并通过一个实际案例给出了能源资源的能值评估过程。

 

  ③ 运用能源资源潜力分析、碳夹点技术等。

 

  能源资源潜力分析方法包括供应侧与需求侧两方面，是综合资源规划方法所包含的重要内容。碳夹点技术作为初步能源规划工具，可以简单、直观地得到一种可行的能源规划方案，适用于碳约束的低碳区域建筑可利用能源资源优化。该团队于2010 年在文献［14］中为区域建筑可利用能源资源量的评估提供了分析方法，主要介绍了供应侧资源中的可再生能源的资源量评估方法和需求侧资源潜力分析的各种方法。又于2011 年在文献［15］中以情景分析法为基础，对碳排放限制和资源限制的低碳区域建筑可利用能源资源优化问题进行了情景设定，利用一个低碳区域建筑能源规划的案例具体介绍了碳夹点技术的应用方法。

 

  4． 2 热点二: 强调低碳减排的区域能源规划

 

  近年来，碳排放造成的环境负面影响引起了我国政府的高度重视，“低碳”成为我国经济和社会发展的一个关键词。2009 年的哥本哈根会议上，我国政府向世界做出了2020 年单位GDP 的二氧化碳排放量比2005 年下降40% ～ 45% 的承诺。在这种大形势下的许多区域能源规划的研究工作中，经济性指标被弱化，而碳减排则成为了研究的前提和最终目的。

 

  在 碳减排问题上，碳夹点技术是一种行之有效的分析手段。在2009 年，受国家自然科学基金项目和国家高技术研究发展计划项目的双重支持，施小妹等基于夹点分析技术，提出了一种最小化清洁能源用量的图形方法，合成了受碳排放限制的能源规划问题的总组合曲线［16］。他们分别通过总组合曲线方法和与之对应的组合表格算法求得了几个算例的最小零碳能源及低碳能源的用量，并将该图形和表格方法推广到多种清洁能源问题中。同年，受绿色化学产品技术广东省重点实验室开放基金支持。

 

  贾小平等以某化工园区的能源规划为例，运用碳夹点分析方法对能源系统进行分析，运用累积二氧化碳排放量－ 累积能源用量组合曲线图，确定最小清洁能源目标、能源需求结构及其对应的二氧化碳排放量，最终得到了碳减排的量化结果［17］。

 

  长期能源替代规划系统( LEAP) 是一个基于情景分析的能源–环境模型软件，已在150 多个国家得到了应用。2010 年，受国家自然科学基金项目和国家863 资助项目双重支持，贾彦鹏、刘仁志基于LEAP 模型框架，建立起针对基准情景和节能低碳情景的能源消费和二氧化碳排放的预测技术。并以江西省景德镇市为例，预测这两种情景下能源需求和二氧化碳排放变化［18］。

 

  天津中新生态城是中国、新加坡两国政府的战略性合作项目，是世界上第一个国家间合作开发建设的生态城市。2010 年，受国家科技支撑项目“既有建筑综合改造技术集成示范工程”的资助，谈孜超等基于生态城2020 年的发展规划，利用综合资源规划方法对生态城的能耗进行了预测。随后计算了采用比节能标准更严格的节能措施而减少的能耗，又计算了生态城可再生能源的利用量以及由于应用节能措施和可再生能源而减少的二氧化碳排放量［19］。

 

  4． 3 热点三: 区域可再生能源规划

 

  太阳能和生物质能( 以沼气为代表) 等可再生能源在我国20 世纪80 年代的农村能源规划中就已被应用。进入21 世纪，我国政府更加重视可再生能源的开发和利用，2005 年颁布的《可再生能源法》就是一个标志。在进行区域能源规划时，为达到低碳的目标，利用可再生能源是必经之路。前文所提到的区域能源规划的研究工作中，可再生能源都是作为区域能源的一个组成部分而非主要研究对象。一些学者将可再生能源独立出来，开辟了一个新的研究方向。

 

  在省级可再生能源规划方面，国家发改委能源研究所高虎等在2004 年填补了我国的空白。他们利用LEAP 模型，借助湖南省和新疆维吾尔自治区两个案例研究了省级可再生能源规划的具体步骤以及利用LEAP 模型的定量分析方法。根据规划结果，分析了LEAP 模型在省级可再生能源规划方面应用的长处和不足。受国家自然科学基金的资助，清华大学的陈荣等在2006 年以MESSAGE 模型耦合能源需求MAED 模型为基础，提出可再生能源综合规划方法，并以四川省为例进行实证。

 

  4． 4 热点四: 传统意义上的城市能源规划

 

  2002 年，青岛科技大学的雷仲敏以某市居民用能情况的调查资料为依据，采用矩阵规格化处理方法分析了适用于该市居民的4 种用能方案，并将方案按最小成本原则排序，最后对居民的家庭投资能力和投资意向进行了调查和分析。2003 年，中国矿业大学的樊京春等对广西省柳州市进行了能源规划［23］。他们首先制定能源平衡表，随后用能源弹性系数法进行能源需求预测，最后采用线性规划方法进行定量优化，最终实现了能源、环境、经济效益三者的协调统一。

 

  在国家科技成果方面，济南市环境保护科学研究所在2001 年至2003 年期间对济南市进行了环境能源规划研究，成果主要包括: 重点用能单位的实地调查; 利用弹性系数法和部门分析法对济南市2005年能源消费需求进行预测，克服了单一方法的不确定性; 在国内首创了利用对流层高分辨率物质模式，动态地模拟能源消费变化对环境空气质量影响的方法; 针对济南市能源消费结构和工业结构的薄弱环节提出规划方案，并以高能耗行业为重点，提出行业企业层面的技术改造和节能措施。

 

  5 结语

 

  通过我国区域能源规划研究的发展历程可以看出，我国区域能源规划的研究开始于改革开放之后，但总体而言，至今研究工作开展得并不广泛。直至近几年，我国对区域能源规划的研究基本集中于系统工程方法和国外既有能源规划模型的应用以及改进。2008 年前后，清华大学和同济大学的学者几乎同时对区域能源规划进行了新的探索，使我国区域能源规划的研究呈现出了新气象。前者重点研究城市能源规划的模型和软件开发，后者以“区域建筑能源规划”为题目引入其他领域的理论和方法进行研究。这两个研究方向本质上都是对城镇内整体或局部建筑群的能源规划研究。

 

  此外，已经有学者开始关注区域可再生能源规划和中小城镇的能源规划。随着我国能源紧张问题的加剧和城市化的快速进行，这两个方向很可能成为今后几年我国区域能源规划领域新的研究热点。