城市建筑能源規(guī)劃模擬軟件的介紹

城市建筑能源規(guī)劃模擬軟件的介紹鄭忠海，付林，江億，狄洪發(fā)，陳杰（清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系，北京，100084）摘要：為了滿足城市中建筑的冷、熱、電和燃氣的用能需求，能源通過源、管網(wǎng)和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備到建筑用戶之間進行轉(zhuǎn)換和分配，而同樣的終端需求可以通過不同類型能源和不同能源轉(zhuǎn)換方式來實現(xiàn)。因此，從城市層面上進行城市建筑能源規(guī)劃，不僅從宏觀上分析城市能源配置的供需平衡、可替代性及其優(yōu)化，也從微觀技術(shù)上綜合分析城市建筑能源系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟性和環(huán)境排放特性。目前，我國急需一個適合城市建筑能源規(guī)劃的模擬軟件平臺，本文介紹了近年來課題組所開發(fā)的基于分層能源系統(tǒng)模型和能流結(jié)構(gòu)的城市建筑能源規(guī)劃模擬軟件平臺。最后以北京市為案例，對北京市建筑能源規(guī)劃中的供熱空調(diào)規(guī)劃進行情景分析。關(guān)鍵詞：城市能源規(guī)劃，建筑能源規(guī)劃模擬軟件，節(jié)能，能流1.前言城市能源系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的主要組成部分，它是為了滿足城市建筑（主要為住宅和公共建筑）、工業(yè)生產(chǎn)以及交通等部門的用能需求，煤、油、氣、電以及可再生能源等能源經(jīng)過城市內(nèi)的輸配（城市電力網(wǎng)、燃氣網(wǎng)、熱力網(wǎng)等）、轉(zhuǎn)換設(shè)備（電廠、鍋爐、制冷機等）直至最終使用環(huán)節(jié)的末端設(shè)備組成的系統(tǒng)。因此，城市能源系統(tǒng)是城市的“血脈”和生命線，從城市層面上進行能源規(guī)劃具有十分重要的意義。在城市中，建筑節(jié)能不僅與單體建筑的圍護結(jié)構(gòu)和能源設(shè)備性能改善等因素有關(guān)，而且與城市規(guī)劃中所采取能源系統(tǒng)方案有關(guān)。從某種意義上講，城市建筑能源規(guī)劃決定了整個城市建筑的能源消耗、投資和運行的經(jīng)濟性以及所引起的環(huán)境排放影響，如果把建筑單體看成微觀技術(shù)的“硬節(jié)能”，對建筑群體進行能源規(guī)劃是一定意義上的宏觀和微觀結(jié)合的“軟節(jié)能”。在我國能源規(guī)劃體系中，從地域上可分為國家能源規(guī)劃、區(qū)域能源規(guī)劃、城市能源規(guī)劃、農(nóng)村能源規(guī)劃和企業(yè)/行業(yè)/部門能源規(guī)劃等，其綜合能源規(guī)劃（IEP，IntegratedEnergyPlanning）的涵義主要指能源、經(jīng)濟和環(huán)境（3E，Energy-Economic-Environment）三方面的綜合[1]。而在我國城市規(guī)劃體系中，所涉及能源基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃（也有稱作能源供給工程規(guī)劃）的有供熱專項規(guī)劃、燃氣專項規(guī)劃和電力專項規(guī)劃。在一定程度上，存在著兩方面主要問題，一方面是宏觀的能源規(guī)劃和指導(dǎo)城市發(fā)展的城市規(guī)劃之間存在脫節(jié)，城市規(guī)劃體系中尚無進行能源規(guī)劃，而能源規(guī)劃體系中尚不能很好地從微觀技術(shù)上解決城市中能源系統(tǒng)問題。本文所提及的城市能源規(guī)劃應(yīng)該屬于城市規(guī)劃和能源規(guī)劃這兩個學(xué)科的交叉學(xué)科，重點指的是城市建筑能源規(guī)劃，它同樣涉及到“3E”的綜合；另一方面是城市規(guī)劃中三個能源專項規(guī)劃之間缺乏互相協(xié)調(diào)，對于相同的建筑冷、熱、燃氣和電力需求，可以選擇不同能源及其轉(zhuǎn)換方式，比如供熱空調(diào)有集中式、分布式和分散式等多種方式，可以實現(xiàn)各種方式之間優(yōu)勢互補和多種能源之間的替代性，如圖1所示。建筑供熱空調(diào)可以通過煤、燃氣、電力、油等能源及其轉(zhuǎn)換設(shè)備來實現(xiàn)。其中燃煤/燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣鍋爐、燃氣直燃機、CCHP、電采暖空調(diào)和電力驅(qū)動的熱泵等等能源轉(zhuǎn)換方式對燃氣規(guī)劃和電力規(guī)劃產(chǎn)生影響，例如北京61.8%的天然氣用于供熱空調(diào)。因此，供熱規(guī)劃需要和燃氣規(guī)劃、電力規(guī)劃進行協(xié)調(diào)以優(yōu)化能源配置。而燃氣規(guī)劃中工業(yè)和交通用氣使得建筑能源與城市能源相關(guān)聯(lián)起來。另外，建筑中生活熱水負荷需求可以通過燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器、熱泵、CCHP或城市熱網(wǎng)等方式供應(yīng)，不能簡單把生活熱水負荷在各個規(guī)劃中重復(fù)計算。再者，隨著可再生能源政策推進和技術(shù)的進步，可再生能源和傳統(tǒng)能源、清潔能源之間也存在著替代性和優(yōu)化配置問題。圖1建筑能源需求和能源供應(yīng)配置的簡圖(不包含其它建筑燃氣負荷需求)然而，城市能源系統(tǒng)是一個多元、復(fù)雜的能源系統(tǒng)工程，亦受城市化水平、城市經(jīng)濟、人口發(fā)展等因素影響，難以建立完整的能源系統(tǒng)模型來描述城市能源問題，更談不上進行城市能源系統(tǒng)的優(yōu)化。因此，首先應(yīng)從逐步建立城市建筑供熱、空調(diào)、燃氣和電力需求的各能源系統(tǒng)模型出發(fā)，然后對城市能源系統(tǒng)的不同方案或?qū)＜曳桨钢g進行模擬計算，通過比較和分析，并對規(guī)劃期內(nèi)的城市能源規(guī)劃引入情景分析方法[2]，是一個適合我國城市能源規(guī)劃的新思路。目前，我國城市能源規(guī)劃還尚缺乏一個模擬軟件平臺，因此，本文主要對課題組近年來所研究的城市能源規(guī)劃模擬軟件平臺及其模型進行了介紹。2.城市能源規(guī)劃模擬軟件介紹清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系李年長、隋軍、付林、江億等人提出了三維分層城市能源系統(tǒng)模型[3][4]，利用VisualBasic6.0工具，開發(fā)了城市能源環(huán)境動態(tài)模擬工具(CEEDS，CityEnergyandEnvironmentDynamicSimulation)，主要面向于城市供熱空調(diào)的能源和環(huán)境兩方面。它基于城市能源系統(tǒng)的能流網(wǎng)絡(luò)圖的連接關(guān)系，輸入末端所需負荷及其負荷指標(biāo)，可進行全年8760小時的動態(tài)模擬，計算結(jié)果存在數(shù)據(jù)庫里。在此研究基礎(chǔ)上，陳杰利用VisualC++6.0編寫了基于能源設(shè)備特性的能源系統(tǒng)仿真平臺軟件（CityEnergyV1.0）[5]，提出描述能源系統(tǒng)的多層有向無環(huán)能流結(jié)構(gòu)，將涉及建筑能源系統(tǒng)分為若干種設(shè)備類，具有可移植性和可擴展性，實現(xiàn)和完善了CEEDS的功能，具有初步的后處理和模擬結(jié)果輸出、圖表顯示功能。該軟件搭建了一個能源系統(tǒng)的模擬仿真平臺，可以作為一種計算工具來輔助城市建筑能源規(guī)劃工作，其界面如圖2所示。下面再簡單介紹一下能源系統(tǒng)模型建立的思路、原理及其處理方法。圖2CityEnergy的主界面三維分層城市能源系統(tǒng)模型和多層有向無環(huán)能流結(jié)構(gòu)基本原理可用圖3來簡單說明，將能源按照源分類分層，共包括基礎(chǔ)層、熱力層（熱水管網(wǎng)、蒸汽管網(wǎng)和生活熱水管網(wǎng)）、煤層、燃氣層、油層、電力層、環(huán)境排放層（NOx、SO2、PM10和CO2）和策略層。其中基礎(chǔ)層顯示所有層類別，其它層只顯示與該層能源相關(guān)聯(lián)的設(shè)備。而將涉及到能源系統(tǒng)的設(shè)備分類為源類（EnergySource，能源視為源，環(huán)境污染物視為匯）、輸配管網(wǎng)類（Network）、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備類（EnergyEquipment），用戶類（Building）以及策略類（Method），各種設(shè)備通過連接線發(fā)生關(guān)系，常見的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備可以通過對話框設(shè)置其屬性，比如能源效率、容量、特性曲線和環(huán)境排放因子等，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型用“黑盒子”方法處理，主要關(guān)心的是該轉(zhuǎn)換設(shè)備的能源輸入與輸出及環(huán)境排放之間的動態(tài)關(guān)系，根據(jù)能源規(guī)劃中的能流網(wǎng)絡(luò)圖基本概念，連線上方的數(shù)據(jù)可表示為能流量，下方表示效率，從源端到建筑末端的能流一般有從能源能源轉(zhuǎn)換設(shè)備管網(wǎng)建筑這一過程。電網(wǎng)網(wǎng)用戶設(shè)備源燃氣鍋爐熱電廠燃油鍋爐熱電廠火電廠燃氣層熱網(wǎng)壁掛爐燃氣鍋爐燃油鍋爐基礎(chǔ)層熱電廠火電廠電力層油層煤層熱力層電網(wǎng)網(wǎng)用戶設(shè)備源燃氣鍋爐熱電廠燃油鍋爐熱電廠火電廠燃氣層熱網(wǎng)壁掛爐燃氣鍋爐燃油鍋爐基礎(chǔ)層熱電廠火電廠電力層油層煤層熱力層糞圖康3廟三維逼分層妙的城菌市能平源系略統(tǒng)的杏能流但網(wǎng)絡(luò)撕圖盾將圖逃3舉的能盼流網(wǎng)考絡(luò)圖狼轉(zhuǎn)化棟成節(jié)梯點拓允撲關(guān)虎系滿，則桶節(jié)點泥的能趨流平伍衡方版程納可用淡下式嘆表達汗。吧式中洋：防k逐ij霞為關(guān)請聯(lián)矩姓陣的考元素潤，節(jié)震點社相連更時，忍流入精為1佳，流異出為乞-1械，不綿相連匠時為讀0；虜x煤為能攀流量田；爛η農(nóng)為效研率。猛就散目前茄，軟僵件中丑搭建遮了我吧國供袖熱空故調(diào)領(lǐng)鈔域中氣常見陡的能歪源轉(zhuǎn)知換設(shè)穿備，肉包括躲集中紹式、元區(qū)域木式、彩分布擋式和成分戶蟲式各敗種轉(zhuǎn)威換設(shè)底備，商比界如誰管網(wǎng)發(fā)、不且同能廈源類刪型和鍵規(guī)模頭的鍋委爐、回水源威/空堅氣源騎熱泵跌、燃錯氣輪帖機或三內(nèi)燃議機循盡環(huán)熱現(xiàn)電機哲組、挨燃氣頂-蒸濫汽聯(lián)卻合循屠環(huán)熱下電機患組、錫背壓睜或抽召凝式瘋CH各P系亡統(tǒng)、耐CC林HP編系統(tǒng)升、燃害氣直漲燃機掉、熱母水/貓蒸汽壇吸收茅式機串組、棋冷水獵機組年等習(xí)。首騙先通虹過糕建立鹽完善懼的城嫩市能才源系艘統(tǒng)能絲流圖按及其膀策略珠調(diào)度抖關(guān)系市，然呢后量導(dǎo)入拜不同竊負荷總類型止的全命年8緣76根0h壯的負舅荷指垃標(biāo)值姿及其拉相應(yīng)賴用戶廁的建纖筑面瘦積可飲進行半動態(tài)鏈計算星。下青面通請過北賀京市警的模物擬實杠例來愈進一噸步了渣解其振功能擋。鼓3淹.癢北京釀市供憤熱空饑調(diào)能涂源系棚統(tǒng)的團情景潮分析彎3.繪1搶城市低供熱太空調(diào)抓能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