城市能源系统综合规划模型的研究与应用

  0 引言

 

  根据IEA的估计, 2006 年全球城市能耗达79亿t油当量, 占全球总能耗的三分之二, 这一比例到2030年将上升到四分之三。因此, 未来与能源有关的CO2 排放量的增长将主要来自城市。到2030年, 由能耗产生的CO2 排放中将有76%来自城市。

 

  我国正处于快速城市化发展阶段, 城市化率以每年接近1个百分点的速度增长, 2008年达到45.7%。

 

  2020年预期将达到60%以上。根据2010中国新型城市化报告, 2007年全国GDP排名前100位的地级及以上城市能源消耗惊人, 仅有1个城市能源消耗未过100 万t标准煤, 有近一半数量的城市能源消耗超过了1000 万t标准煤。百强城市用仅占全国2.65%的土地面积, 承载着全国17.57%的人口, 同时贡献了全国一半以上(达52.52%)的GDP, 但也消耗了53.05%的总能耗。数据再一次证实了城市是经济、技术、人才集聚的高地, 也是国家能源消耗的主体。发展低碳城市是中国应对气候变化、发展低碳经济、面向“后京都时代”的必然选择。在快速城市化过程中, 主要的碳排放源来自土地利用和能源利用。探索城市能源利用的最佳途径是构建低碳城市的前提和保障。因此, 要求我们需要用一种全新的视角去审视城市能源的利用模式和方法。

 

  1 国内外城市能源系统规划模型研究

 

  概况

 

  城市模型技术经过若干年的发展在相关领域有了广泛的应用, 但其主要聚焦于土地利用和结构布局两个方面。Batty曾经给出了三个经典的城市模块模型:即土地利用和交通布局模型、城市系统动力学模型、基于城市分区和用户活动的模型, 这些模型开始只应用于城市经济和空间规划问题, 后来一些研究人员将其应用到应对气候变化和环境污染领域, 最著名的一个例子就是Tyndall中心的综合评价模型正在伦敦空间布局的气候风险领域发挥着重要的作用。国外也有研究人员致力于城市能源系统的建模并开发出一些工具, 包括在建筑和社区尺度评估能源、水和废弃物消耗的模型[ 3] , 地理信息系统(GIS)在城市不同空间模式下能源需求评价中的应用模型, 城市热需求和当地可利用能源量之间相互作用关系的模型[ 4] , 城市能源需求预测与能源管理优化集成模型等等。然而, 这些模型虽然种类众多,但都不约而同得彰显出两个特点:一是这些模型必然体现了城市能源需求在时间和空间上的变化, 这就需要输入大量的相关数据:如来自地理信息系统GIS的数据, 或者是建筑的设计说明等;二是这些模型均在试图寻求城市能源在供应测和需求侧的优化, 比如给出一些优化的供应策略或运行策略等。

 

  除了以上优点, 现在的国内外的研究实践也显示出了一定的局限性, 那就是大多针对既定系统的某单一方面, 并且需要大量的数据支持, 这就造成了一些模型细化有余而宏观指导不足, 一旦离开了具体针对的案例和大规模的数据支持就往往显得推广应用性不强, 没有可复制性。更关键的是, 他们不能在城市能源系统的各个设计阶段、众多应用领域给出一个高度宏观提炼的集成模型, 来指导城市能源系统规划建设的各个步骤。

 

  2 SynCity模型简介

 

  本文的创新点在于设计了一种崭新的城市能源系统集成模型— SynCity, 它将城市能源系统设计的主要步骤和主要应用对象通过数学建模的手段集成在一个模块框架中, 形成了一个工具包, 既能够展示城市能源利用在时间和空间分布中的变化, 又不依赖于大量的数据输入, 同时具有宏观的综合指导意义。

 

  SynCity模型主要包括三个模块, 每个模块解决城市能源系统规划中的一个主要问题。三个模块可以序列运行, 为一个低碳生态城做从规划到能源的全程模拟, 有时候由于客观条件所限,也可以单独运行某一模块, 在能源系统的某一方面给出建议。

 

  布局模型(layoutmodel), 主要是在某一目标函数下, 求解城市中不同类型建筑和交通设施的最佳选址布局, 以达到初投资和运行费用最低, 或者是能耗和碳排放最低。根据城市规划图将目标城市的土地利用规划情况(包括办公建筑、住宅、工厂、绿地等)、城市交通设施的规划情况以及人口数量等信息输入模型, 设置城市居民活动的几种情景, 通过混合线性规划技术(MILP), 给出各种建筑和交通设施在目标函数下新的布局方案。在这种方案下, 城市建筑既能够满足城市居民居住、办公和生活娱乐的需求, 同时也可以达到造价最低, 或出行距离最短(能耗最低)等。

 

  用户活动模型(agentactivitymodel), 用来对规划城市进行负荷预测。它改变了过去单纯以冷、热、电单位面积指标乘以规划面积进行需求预测的方式, 而是通过情景分析设置城市居民的生活活动, 如通过收入调查将城市居民分作不同种类, 他们出行选用的交通方式不同就会导致他们各自产生的交通能耗不同, 他们的住宅档次不同亦会产生不同的建筑能耗等等。必须指出的是用户活动模型里需要输入的是布局模型的结果, 如果是三个模块序列运行,它将按照布局模型生成的优化布局进行冷、热、电的需求预测, 如果是单独运行此模块, 即可输入规划方案中的布局进行预测。

 

  资源—技术—网络模型(resource-ktechnologynetworkmodel,RTNmodel)是在用户活动模型负荷预测的基础上, 探索城市能源的最佳供应模式和方案。模型认为, 每一种城市能源系统均可以表述为某些资源和某些技术的组合。这些资源可以是化石能源(煤, 石油, 天然气等), 也可以是可再生能源(太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热等), 还可以是城市未利用能源(地铁排热、工厂废热、浅层土壤或地表水温差热等), 而这些技术是将这些输入资源转化为另外一些输出的资源(热电冷联供技术、热泵技术等), 如基于天然气的热电冷联供技术(CCHP)是将一定数量的天然气转化为电、高品位的热和废热。而高品位的热可以通过换热器制取热水进行冬天建筑供热, 也可以通过吸收式制冷机制取冷量进行夏季供冷。因为任何城市在空间形态上都可以分割成一些不同的单元(其优化的结果由布局模型得出), 而每一个单元又有着各自不同的随时间变化的动态的负荷分布(其模拟结果由用户活动模型得出), 资源技术网络模型正是通过混合线性规划技术解决在满足各个城市单元负荷需求的前提下, 这些技术如何最佳配置以达到最优的供应方案, 以及各个城市单元之间的能流调度模式。目标函数同样可以是费用最低, 能耗最低或者是碳排放最低, 也可以通过设置各目标的权重, 得到一种综合的优化方案。模型输出图将显示每一种技术被配置在哪一个城市单元以及能流调度网络(包括能源流向和数量)。

 

  模型里最主要的方程是资源平衡, 即Prit+Qrit+Irit+Srit-Erit-Drit=0, rit, 其中:Prit为区域i在时间t内资源r的净生产量, 其值可正可负, 为正代表生产量, 为负代表消耗量;Qrit为在时间t内从城市其他区域通过调度流入区域i的资源r总量, 其值同样可正可负, 为负代表在时间t内通过调度从区域i流向城市其他区域的资源r总量;Irit为区域i在时间t内从城市外进口的资源r总量;Srit为区域i在时间t内使用的资源r净储存量, 其值为负表示区域i在时间t内储存多余的资源r总量;Erit为区域i在时间t内的资源r出口量, Drit为区域i在时间t内对资源r的需求量。其中Drit由用户活动模型通过负荷预测得到, 而其他值的确定则与选择的技术有关, 通常需要设定各种技术的能源效率、运行效率等参数。

 

  可见, 资源平衡方程可以保证城市每个单元区域的需求被多种方式满足, 包括进口、当地生产、从其他区域调入或者使用贮存量等;同理, 如果某个区域对于某种资源有着过剩的生产量或者进口量, 也可以调入其他供应不足的区域, 或者出口, 或者储存起来供日后使用。RTN模型就是模拟这种多种资源和多种技术的最佳组合配置, 通过多目标寻优使得各种技术配置在最合适的区域, 同时, 不同城市单元之间有着最佳的能流调度方案。其中技术的选址配置和网络的连接与否都可以用二进制变量, 如0代表该技术不设置在区域i, 区域i与区域j之间没有能流网络连接(即没有能流调度), 而1则代表相反;而各种技术的生产量等参数均可用连续变量表示。

 

  3 SynCity模型应用实例

 

  3.1 临港新城简介

 

  临港新城是上海继浦东开发开放之后独具辅城作用的又一个战略重点发展区域, 也是市政府确定的上海市三大低碳示范区域之一(另外两个为崇明东滩生态城和虹桥商务区)。规划面积约296.6km2 , 规划人口83万。分为四大片区布局, 分别为中心区(主城区)、主产业区、综合区、重装备产业区和物流园区四大片区。土地利用规划图见图1。

 

  3.2 SynCity模拟结果

 

  3.2.1 布局模型结果

 

  临港新城的开发商已经对新城进行了总体规划, 而布局模型可以对该总体规划结果的初投资和年运行费用、能耗以及CO2 排放量进行初步估算,进而从多种角度对该设计进行综合评估, 并给出可替代的规划布局。与基准布局相比, 优化布局中, 办公区域与住宅区域的相对位置得到调整, 办公区域与住宅区域的空间距离大幅缩短, 这样有助于降低交通能耗, 而娱乐区域的数量被略微削减, 这是因为模型认为在满足规划区域人口娱乐需求的前提下,不需要更多的娱乐功能建筑。

 

  3.2.2 用户活动模型结果

 

  将模型预测结果, 与按照不同功能类型建筑的冷、热、电负荷指标乘以建筑面积得到的负荷计算结果相比, 吻合性在80%以上, 说明用户活动模型在负荷预测方面的功能可以信赖。

 

  3.2.3 资源技术网络模型结果

 

  比较了7 种冬季采暖技术, 即燃气锅炉(boiler),电锅炉(eheater), 空气源热泵用于采暖(ASHPh),土壤源热泵用于采暖(GSHP-h), 燃气发动机热泵用于采暖(GHP-h), 燃气直燃型吸收式热泵用于采暖(AHP-h), 及建筑热电冷三联供用于发电采暖(BCHP-hp);5种夏季供冷技术, 即空气源热泵用于供冷(ASHP-c), 土壤源热泵用于供冷(GSHP-c), 燃气发动机热泵用于供冷(GHP-c), 燃气直燃型吸收式热泵用于供冷(AHP-c), 及建筑热电冷三联供用于发电供冷(BCHP-cp)。Heatex表示换热装置。优化目标为CO2 排放量最低。网络图中, 网络线表示资源流向调度情况, 线宽与资源流动量成比例。其中, 红色代表燃气流, 绿色代表电力流, 深蓝色代表区域热流, 浅蓝色代表区域冷流。

 

  (1)需要输入模型的各种技术的能源效率及CO2 排放量参数。

 

  (2)CO2 排放量最低目标下的资源技术网络图现构件的异地操作。

 

  悬臂刚架梁柱节点的设计要解决以下三个问题,首先该结构中柱子和梁分属两种不同的材料, 节点的连接须保证两种材料可靠连接;其次, 柱与悬臂梁连接, 节点须能很好的传递弯矩且具有足够的刚度;再次, 节点构造须实现异地拆装和制作。鉴于上述要求, 钢柱与铝镁合金梁采用高强螺栓连接。

 

  4 结语

 

  本文以2010年世博会山东馆序厅大悬挑刚架为研究对象, 从静力、动力、稳定性三方面对结构进行分析, 并完成了对关键构件及节点的设计, 得出以下结论:

 

  (1)通过在各悬臂刚架侧面增加横向联系的方式, 解决了大悬臂刚架竖向刚度不足的问题, 保证了各悬臂刚架变形后整体曲面的流畅、协调。

 

  (2)序厅悬臂刚架的横梁和立柱均采用箱形截面, 提高结构的稳定性, 同时增强了构件的竖向刚度, 改善了结构的动力特性。

 

  (3)在材料的选取上, 通过材料对比分析, 立柱部分采用钢板焊接的刚度较大的箱形柱, 横梁部分采用材质较轻的铝镁合金, 满足了结构受力与变形要求。