城区需求侧能源规划的内涵分析及规划应对

2016 中国城市规划年会论文集 城区需求侧能源规划的内涵分析及规划应对 同济大学 黄子硕 于航 彭震伟 摘要 ： 随着能源利用技术的进步 和社会经济的发展 ，城区能源利用形态发生了较大的变化， 主要表现为 用户的 低品位冷热 量需求强度减小但总量增加 、 用户端能源转换利用技术方案 愈加多样、 用户间 二次能源交易市场逐步形成 。 为使城区需求侧能源规划能够应对上述变化 并对需求侧能源利用起到引导和约束的作用 ， 明确了 城区需求侧能源规划在 “减需”、“提效”和“开源” 三个方面的工作内容 。通过城区需求侧能源规划与传统城市能源规划的对比 ， 指出城区需求侧能源规划是传统城市能源供应 规划的补充和延伸 。在 城区需求侧能源规划的内涵和功能 分析的基础上 ，结合我国城市规划的实际 ，给出 了 城区需求侧能源规划 作用于 城市 能源基础设施规划、 城市能源利用控制指标制定及用地规划 间的形式和内容 。 关键词： 需求侧能源规划，能源利用形态 ,内涵，规划指标， 能源基础 设施 1需求侧能源规划的提出 联合国开发计划署发布的 2013 中国人类发展报告 1指出，到 2030 年，中国将新增3.1 亿城镇居民，届时，中国城镇人口总数将超过 10 亿，中国城镇化率将达 70%。 城市作为人口和生产活动高度集中的区域，其建设和运营需要大量的能 源和资源作为支撑。 遵循 绿色生态的理念进行城市规划和建设，是应对 当前 资源和环境压力 提高城市人居环境质量 的 必然选择。 在绿色生态发展目标的引导下，城区能源利用形态也有所变化，主要体现在以下几个方面：一是随着绿色建筑 、生产工艺改造以及节能电器 的 推广 ，人均 /单位建筑面积或者单位产品的能耗强度下降，但是由于生活水平的提高，用于提升生活质量 非生产性 能源需求 的 总量仍在增加 ； 二是 热泵、热电联产以及光伏光热等设备技术性能不断进步，价格不断降低，利用范围更加广泛，用户端制冷、制热及供电技术方案多样化；三是为克服 太阳能、浅表地热 能等本地可再生能源 资源的不稳定性，几个平方公里范围内用户综合供能的区域尺度的可再生能源与化石能源混合利用的分布式能源系统增加，部分地区甚至出现了脱离集中电网的孤岛能源系统 。 一方面， 城区能源利用形态的变化使按照传统城市能源供应规划建设的能源供应设施难以精准满足需求侧个性化需求，能源供需的不平衡不匹配不利于能源利用效率的提升，也影响了能源建设项目的经济性。 另一方面，城区能源利用形态的优化也需要顶层规划的引导和促进。以分布式能源建设2016 中国城市规划年会论文集 为例 ，基于分布式能源系统的集中供能将多个地块的能源利用行为集合在一起，该层面的 能源系统优化和统筹建设由于面临用地、政策、权属、法律地位等诸多方面的问题，需要宏观层面的顶层设计进行协调，甚至于政策强制力的保证。通过需求侧能源规划对社区范围内的能源资源利用的问题进行协调管理，在早期阶段对城区能源利用进行统筹规划，使政策、用地、产权等有利于城区能源系统的设计建造，这对于城区低碳高效能源系统的构建具有重要意义。 因此，城区需求侧能源规划 通过对城区能源利用行为的引导和控制，是解决城区能源供需 矛盾 ， 提升能源利用效率， 确保城区能源 利用 目标实现的重要 环节 。 2城区需求侧能源规划的内涵 从需求侧能源规 划产生的背景可以看出，城区需求侧能源规划是从需求侧出发，基于对用户需求特征的分析，采用系统的观点将城区能源转换、分配及利用作为一个整体进行统筹考虑，以明确城区能源利用引导和管控的要点以及相应的政策诉求。 通过减少需求（减需）、提升效率（提效）以及增加本地可再生能源利用（开源）来促进节能减排目标的实现。“减需”、“提效”及“开源”三者的相互关系如图 1 所示。 本节结合需求侧能源规划 在“减需”、“提效”以及“开源”三个方面 的重点内容来明确城区需求侧能源的具体内涵。 能量需求（ 减需 ）能源转换系统效率（ 提效 ）化石能源能源消耗能源供应（ 开源 ）能量需求 能源转换效率 - 本地可再生能源 = 化石能源消耗图 1 “减需”、“提效”及“开源” 之间的 相互作用关系 2.1 减需 减少城区冷、热、电、燃料需求可分为两个维度的工作 。第一个维度是通过降低 用户能量需求强度的方式减少既有需求 。降低用户能量需求强度的主要措施： 1）通过合理的空间规划（如建筑间距、朝向、表皮颜色等）、用地规划（如职住平衡、混合用地 等 ）等减少建筑、交通的能量需求； 2）绿色建筑、被动式建筑等低能耗建筑规划建设； 3）用户节能意识和行为的培养，减少能量浪费 ； 4）较高能效标准的交通工具、家用电器、办公设备以及生产设备的普及； 5） 规划区域内 工商业企业、行业 能耗基准的提高。 第二个维度 是通过用地规划 控制 ，减少规划区内高耗能产业的比重，减少能源用户。 目前，第一个维度的工作在较2016 中国城市规划年会论文集 多的规划项目中已得以体现，但是第二个维度的工作 目前 只有在 某些 特定 区域 能源利用 受到特殊限制 的情形下 才得以 开展。 2.2 提效 城区节能减排不仅要降低用能个体（如建筑）的能源需求，也要考虑通过系统综合优化的方法提升城区整体的能源利用效率。国际能源署建筑和社区节能项目（ IEA-ECBCS）的研究指出，城区 能源系统整体优化所产生的节能潜力远大于单个用能对象节能改造所具有的节能效果 2。随着分布式能源系 统的应用以及能源转换利用技术的进步，城区低品位能、可再生能源的利用引起广泛的关注。由于低品位能源、可再生能源资源供需 空间及时间 分布 上的不 平衡性 ，忽略用能单位间联系的各个能源系统 各自 独立设计 并 不 能 完全 发挥出资源的价值 。 因此， 通过 城区整体 优化设计，将多个用能、产能对象的能源利用综合考虑，构建集中与分布式协同、可再生能源与化石能源相融合的区域能源系统更能充分利用本地可再生能源，提高能源综合利用效率 3。 在上述背景下， 城区需求侧能源规划应采取的措施主要 有 ： 1）通过构建城区能量系统优化分析模型，确定城区最优的能源 系统的形态； 2）基于最优的能源系统形态，在用地、政策以及管理机制方面 做出 相应的安排。该方面的工作 通过宏观层面的顶层设计进行协调，主要解决城区能源系 统筹建设 过程中 存在 的 用地属性、政策、权属、法律地位等诸多方面的问题 。为了促进能效目标的实现，可制定规划控制指标以及重要的能源设施建设规划来推动最优的城区能源系统形态的实现 。 2.3 开源 城区 余废热、浅层地热 、太阳能、生物质能以及风能等资源的利用不仅可以丰富城区能源供应渠道，还有利于减少城区能源利用所导致温室气体和污染物排放。这些靠近用户的能源资源可以通过热泵、太阳 能光电光热以及生物质燃料发电等方式进行利用。城区需求侧能源规 划的内容之一就是通过用户需求与当地可再生能源资源的综合 分析， 得到本地资源经济化利用的资源量和利用方式。基于资源潜力分析的结果，制定城区可再生能源以及低品位能源资源利用的规划方案，通过控制指标以及设施建设促进该类能源资源的利用。 3城区需求侧 能源规划与城市能源供应 规划 的比较 城区需求侧 能源规划与宏观的城市能源规划、国家或者区域尺度的一次能源规划功能不同。 宏观的城市 能源规划立足于供应侧，目标要求是能源供给满足能源需求，规划的重点在于通过 对供需的 统筹协调 ， 确定 能源供应渠道并规划建设相应的能源设施，保证国家、区域2016 中国城市规划年会论文集 或城市能源安全 4。通过对能源的开发调运等手段解决能源供需矛盾，一般不考虑不同能源种类间的相互替代，各类能源（燃气、电力、热力）由对应的能源部门分项规划建设，满足各类用户的能源需求。 城区需求侧 能源规划的目标是 对需求侧能源转换、分配及利用进行 的综合管理， 以减少 能源 的输入需求 。 3.1 规划边界 从城区需求侧能源规划的内容可以看出，城区需求侧能源规划是 建立在能源 供应 规划基础上， 对 供应侧 能源规划 的 补充和延伸。如图 2 所示，城区 需求侧 能源规划 的 空间对象都是紧邻 用户 的 ， 对用户附近的冷热电等 二次能源的地生产 、 输配 及利用进行综合协调，因此也可称之为城区二次能源规划 。 城区需求侧能源规划与初 次能源 供应 规划的对比见表 1。 表 1 社区能源规划与一次能源规划的对比 5 城区 能源规划 能源生产 能源消费 能源运输 时空尺度 城区供应侧能源规划 矿藏开发，火电、水电、核电、风电等电厂建设 化石燃料需求，电力需求 公路、铁路、水运运输，长距离燃气管网，国家电网骨干网 国家，地区，城市等10km 以上空间尺度，10 年或者 20 年中长期能源战略规划 城区 需求侧 能源规划 热量、冷量、燃料 、部分电力生产 冷量、热量、电力及燃料 城市市政热力管网、配电网络、燃气输配管网 城区，社区，相邻建筑等 10km2以下的空间尺度。较短期内能源设施建设规划 城区初次 能源规划 依据城区功能、类型、开发强度等数据确定需要供应 的燃气、电力等能源 总量，为城市的发展提供能源安全的保障；城区需求侧 能源规划以 初 次能源 供应 规划的物质输出为基础，从具体的需求出发，为能源的高效利用提供保证。因此， 城区 需求侧 能源规划是在城市初次 能源规划工作的基础上，对 城 区内 具体 的能源 转换、分配及利用行为进行的更为具体的规划和引导 。 2016 中国城市规划年会论文集 主 要 内 容空 间 对 象一 次 能 源 规 划（ 供 应 侧 规 划 ）社 区 二 次 能 源 规 划（ 需 求 侧 规 划 ）一 次 能 源 开 发 、 发 电厂 、 电 网 燃 气 管 网 规划 建 设 ， 煤 炭 、 石 油等 一 次 能 源 运 输 方 案区 域 、 整 个 城 市区 域 、 整 个 城 市社 区 、 街 区 、 建筑 、 用 户社 区 、 街 区 、 建筑 、 用 户冷 热 电 等 二 次 能 源生 产 、 分 配 、 储 存方 案 和 设 施 建 设输 出商 品 燃 料 、 大 电 网 电 力输 入商 品 燃 料 、 电 网 接入 、 本 地 可 再 生 能 源及 低 品 位 能 源输 出冷 量 、 热 量 、 电 、 燃 料输 入 输 出输 入能 源 矿 产 、 大 型 电站图 2 城区需求侧 能源规划与 供应测 能源规划的衔接 5 3.2 方法和工具 3.2.1 供应侧 能源规划 供应侧能源规划从确保供应的角度对城市能源供需进行统筹协调。 首先 采用弹性系数法、回归分析法以及指标法等宏观的需求预测方法确定城市中长期的能源需求 。然后结合环境、经济以及资源约束构建分析模型。从供应侧的角度进行城市能源规划的模型主要有能源经济 MARKAL 模型、能源环境模型（ AIM），部门能源模型 LEAP、 MESSAGE、 RETSCreen、REEAM 等针对国家或者地区、 城市中长期能源规划的模型 6。所构建的模型可 计算能源系统中一次能源供应、二次转换能源、终端能源和能源需求 等 不同层次的能源平衡 ， 在满足给定的污染物排放限制条件下 ，以系统整体成本最低来满足系统终端能源的需求， 安排能源供应。模型分析 的结果 用于 城市的能源与环境政策制定提供参考 ， 也 为 能源项目 建设 决策 提供依据 。 3.2.2 需求侧能源规划 需求侧能源规划在确定需求和进行能源资源利用潜力评估时时，由于对象的基本信息（如各个地块的用地类型、规模、开发强度、开发进度以及自然和社会环境信息等）更为具体，可以对近期的需求和攻击进 行更为具体详细的描述。所采用的分析模型描述也更为准确和具体。用于城区 能源系统综合 分析优化 的模型和工具 有 HOMER 、 DER-CAM、 EAM、MARKAL/TIMES、 RETScreen 和 H2RES 等 。这些模型的构建思路：对 用户侧可生产冷热电等二次 能源 的 技术进行数学描述，构建 可用技术数据库，通过不同技术模块的组合运用，得到 最优的 城区 能源 系统 形态及其对应的技术 方案 7。 然后依据模型优化计算得到的最优的2016 中国城市规划年会论文集 城区能源系统形态，制定相关的政策和设施保障措施，促成城区最优能源利用形态的实现。 3.2.3 比较分析 从供应 测出发进行的能源规划由于对象空间尺度较大（城市），难以对其内内部的能源利用过程进行详细的描述。用于城市供应测能源规划的模型仅就 宏观层面上 主要 因素 间的 相互影响 进行了数学描述 ， 反映了经济、资源及环境间总体的关系 。 规划所依据的数据以统计数据、经验指标数据为主 ，并未考虑具体用户的能源利用行为。而需求侧能源规划所采用的模型通过对具体用户的行为进行详细的描述，对更为具体的能源转换、分配及利用行为进行了综合优化分析，可以具体确定需求侧最优的能源利用形态。 供应侧与需求侧能源规划所采取的方法思路是一致的，但是所依据的数据基础 以及 量化分析模型存在较大的差异。 4规划应对 4.1 城区能源基础设施规划 城市规划中增加需求侧能源规划之后，在能源需求增加时，除了增加供应这一措施之外，还可以通过需求侧控制，减少需求，提升能效，挖掘可再生能源、城区低品位能源的利用潜力来减小能源供应。需求侧能源规划与供应侧能源规划的相互作用机制如图 3 所示，通过供应侧与需求侧的有机结合，使城市能源规划为城市节能低碳目标的实现提供更强有力的保证。 能源供应规划需求侧能源规划能源需求增加增加供应 刺激需求控制需求维持 / 削减供应提升效率近用户侧可再生能源 、低品位能源图 3 需求侧能源规划的作用机制示意图 需求侧能源规划对一次 能源和电力供给规划的影响如图 3 所示。需求侧能源规划由于对用户侧用能的综合优化，使得用户对一次能源和电力的需求结构和需求数量均发生变化，相2016 中国城市规划年会论文集 应的，能源需求预测需对应的进行调整。因此，需求侧能源规划基于对需求侧能源利用的深刻认识，将用户侧更加科学合理的需求信息进行反馈，为一次能源和电力供应规划的制定提供信息支持，促进供应侧能源系统规划方案更加科学和经济。 传统的城市能源基础设施规划思路如图 4 所示，电力、燃气等能源部门根据历史经验指标来计算用户的需求，并分别安排各类能源的供应设施。 基于 城区需求侧能源规划确定城区能源 基础设施规划的思路 如图 4 所示。 通过对区域内冷热电等 负荷需求 的详细 描述， 将能量需求按照是否可以被其他能源种类替代进行分类。然后 结合区 域内可再生能源资源、气象数据等自然条件和社会、环境等约束信息，通过区域能量系统分析模型得到满足城区 内 各个 用户能源需求所需 额外输入 的一次能源和电力。 各个地块建筑面积 、 人口数据城区用地规划燃气需求指标电力需求指标供热指标各个地块位置数据及电力需求量各个地块位置数据及燃气需求量各个地块位置数据及供热需求量计算得到电力管线及附属设施容量 、 位置计算得到燃气管线及附属设施容量 、 位置计算得到热力管网及附属设施容量 、 位置图 4 传统城区能源基础设施规划思路 固定电力需求 （ 照明 、 通信 、 电器及办公设备 ）空调冷量需求供暖 / 热水热量需求加气站 、 炊事 、 工业化工等燃气需求城区各个地块冷热电制取及交易综合优化模型各个地块冷热电制取量各个地块之间冷热交易网络各个地块用于制冷制热的燃气 、电力需求量各个地块冷热电制取成本城区用地规划各个地块总的燃气 、 电力需求量计算得到各个地块间冷热交易管网及附属设施容量 、 位置计算得到各个地块间电力 、 燃气管线及附属设施容量 、 位置计算得到能源站房规模及其用地需求 、 位置优化计算当地用能数据调研图 5 基于城区需求侧能源规划的城区能源基础设施规划思路 通过两种城区能源基础设施规划 的思路可以看出 ， 传统的城区能源基础设施规划方法所构建的城区能源基础设施 ， 难以 满足 城区能源利用向最优形态演化时 对能源 基础设施的要求 。 2016 中国城市规划年会论文集 4.2 能源指标纳入控规指标体系 自 1990 年中华人民共和国城市规划法颁布实施以来，我国的城市规划形成了一套成熟的工作体系和方法，是城市建设管理的主要手段。因此，城市规划具有公共政策的属性，具有强制性和法律效力，在宏观方面发挥其公共政策的作用。作为一种有效的调控工具，对节能减排，降低碳排放起到综合协调、上层指导的作用， 需求侧 能源规划融入城市详细规划可以对城市开发建设具有更加普 遍的指导意义。 城区需求侧能源规划通过对 靠 近用户端 的 能源转换、消费及分配系统的统筹考虑，通过模型计算获得了最佳的能源系统配置方案，进而可获得城区能源利用相关的指标数据。 这一过程所需的数据是 从详细规划中提取 的 。 城区需求侧能源规划 依据城区详细规划的信息，通过城区能源系统优化分析模型的量化输出，获得城区层面和地块层面可再生能源占比、能源消耗强度等控制性指标，以及城区能源系统的结构形态 。 将来自于城市详细规划的基础数据经过能源系统模型的分析，得到能源利用的信息和指标重新反馈给城市详细规划，这一循环的实现有利于加深规划 师对城区能源利用本质规律的认识，引导低碳节能城市的建设。 5结论 城区需求侧能源规划基于对用户侧能源利用行为的深入分析 ，对城区未来最优的能源利用形态进行了预判， 是对传统城市能源规划的延伸和补充 。城区需求侧能源规划对于提升城市能效，增加可再生能源利用具有重要的意义。 为充分发挥城区需求侧能源规划的效用，在当前的 城市规划体系 中纳入需求侧能源规划的成果 将有利于 社区节能减排理念的落实 。城区需求侧能源规划