243城市建筑能源规划模拟软件的介绍

1、城市建筑能源规划模拟软件的介绍郑忠海，付林，江亿，狄洪发，陈杰（清华大学建筑技术科学系，北京，100084）摘 要：为了满足城市中建筑的冷、热、电和燃气的用能需求，能源通过源、管网和能源转换设备到建筑用户之间进行转换和分配，而同样的终端需求可以通过不同类型能源和不同能源转换方式来实现。因此，从城市层面上进行城市建筑能源规划，不仅从宏观上分析城市能源配置的供需平衡、可替代性及其优化，也从微观技术上综合分析城市建筑能源系统的节能性、经济性和环境排放特性。目前，我国急需一个适合城市建筑能源规划的模拟软件平台，本文介绍了近年来课题组所开发的基于分层能源系统模型和能流结构的城市建筑能源规划模拟软件平台。

2、最后以北京市为案例，对北京市建筑能源规划中的供热空调规划进行情景分析。关键词：城市能源规划，建筑能源规划模拟软件，节能，能流1. 前言城市能源系统是城市基础设施的主要组成部分，它是为了满足城市建筑（主要为住宅和公共建筑）、工业生产以及交通等部门的用能需求，煤、油、气、电以及可再生能源等能源经过城市内的输配（城市电力网、燃气网、热力网等）、转换设备（电厂、锅炉、制冷机等）直至最终使用环节的末端设备组成的系统。因此，城市能源系统是城市的“血脉”和生命线，从城市层面上进行能源规划具有十分重要的意义。在城市中，建筑节能不仅与单体建筑的围护结构和能源设备性能改善等因素有关，而且与城市规划中所采取能源系统

3、方案有关。从某种意义上讲，城市建筑能源规划决定了整个城市建筑的能源消耗、投资和运行的经济性以及所引起的环境排放影响，如果把建筑单体看成微观技术的“硬节能”，对建筑群体进行能源规划是一定意义上的宏观和微观结合的“软节能”。在我国能源规划体系中，从地域上可分为国家能源规划、区域能源规划、城市能源规划、农村能源规划和企业/行业/部门能源规划等，其综合能源规划（IEP，Integrated Energy Planning）的涵义主要指能源、经济和环境（3E，Energy-Economic-Environment）三方面的综合1。而在我国城市规划体系中，所涉及能源基础设施规划（也有称作能源供给工程规划）

4、的有供热专项规划、燃气专项规划和电力专项规划。在一定程度上，存在着两方面主要问题，一方面是宏观的能源规划和指导城市发展的城市规划之间存在脱节，城市规划体系中尚无进行能源规划，而能源规划体系中尚不能很好地从微观技术上解决城市中能源系统问题。本文所提及的城市能源规划应该属于城市规划和能源规划这两个学科的交叉学科，重点指的是城市建筑能源规划，它同样涉及到“3E”的综合；另一方面是城市规划中三个能源专项规划之间缺乏互相协调，对于相同的建筑冷、热、燃气和电力需求，可以选择不同能源及其转换方式，比如供热空调有集中式、分布式和分散式等多种方式，可以实现各种方式之间优势互补和多种能源之间的替代性，如图1所示。

5、建筑供热空调可以通过煤、燃气、电力、油等能源及其转换设备来实现。其中燃煤/燃气热电联产、燃气锅炉、燃气直燃机、CCHP、电采暖空调和电力驱动的热泵等等能源转换方式对燃气规划和电力规划产生影响，例如北京61.8%的天然气用于供热空调。因此，供热规划需要和燃气规划、电力规划进行协调以优化能源配置。而燃气规划中工业和交通用气使得建筑能源与城市能源相关联起来。另外，建筑中生活热水负荷需求可以通过燃气热水器、电热水器、太阳能热水器、热泵、CCHP或城市热网等方式供应，不能简单把生活热水负荷在各个规划中重复计算。再者，随着可再生能源政策推进和技术的进步，可再生能源和传统能源、清洁能源之间也存在着替代性和优

6、化配置问题。图1建筑能源需求和能源供应配置的简图(不包含其它建筑燃气负荷需求)然而，城市能源系统是一个多元、复杂的能源系统工程，亦受城市化水平、城市经济、人口发展等因素影响，难以建立完整的能源系统模型来描述城市能源问题，更谈不上进行城市能源系统的优化。因此，首先应从逐步建立城市建筑供热、空调、燃气和电力需求的各能源系统模型出发，然后对城市能源系统的不同方案或专家方案之间进行模拟计算，通过比较和分析，并对规划期内的城市能源规划引入情景分析方法2，是一个适合我国城市能源规划的新思路。目前，我国城市能源规划还尚缺乏一个模拟软件平台，因此，本文主要对课题组近年来所研究的城市能源规划模拟软件平台及其模型

7、进行了介绍。2. 城市能源规划模拟软件介绍清华大学建筑技术科学系李年长、隋军、付林、江亿等人提出了三维分层城市能源系统模型34，利用Visual Basic 6.0工具，开发了城市能源环境动态模拟工具(CEEDS，City Energy and Environment Dynamic Simulation)，主要面向于城市供热空调的能源和环境两方面。它基于城市能源系统的能流网络图的连接关系，输入末端所需负荷及其负荷指标，可进行全年8760小时的动态模拟，计算结果存在数据库里。在此研究基础上，陈杰利用Visual C+6.0编写了基于能源设备特性的能源系统仿真平台软件（City Energy V

8、1.0）5，提出描述能源系统的多层有向无环能流结构，将涉及建筑能源系统分为若干种设备类，具有可移植性和可扩展性，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。该软件搭建了一个能源系统的模拟仿真平台，可以作为一种计算工具来辅助城市建筑能源规划工作，其界面如图2所示。下面再简单介绍一下能源系统模型建立的思路、原理及其处理方法。图2 City Energy的主界面三维分层城市能源系统模型和多层有向无环能流结构基本原理可用图3来简单说明，将能源按照源分类分层，共包括基础层、热力层（热水管网、蒸汽管网和生活热水管网）、煤层、燃气层、油层、电力层、环境排放层（NOx、SO2、

9、PM10和CO2）和策略层。其中基础层显示所有层类别，其它层只显示与该层能源相关联的设备。而将涉及到能源系统的设备分类为源类（Energy Source，能源视为源，环境污染物视为汇）、输配管网类（Network）、能源转换设备类（Energy Equipment），用户类（Building）以及策略类（Method），各种设备通过连接线发生关系，常见的能源转换设备可以通过对话框设置其属性，比如能源效率、容量、特性曲线和环境排放因子等，能源转换设备模型用“黑盒子”方法处理，主要关心的是该转换设备的能源输入与输出及环境排放之间的动态关系，根据能源规划中的能流网络图基本概念，连线上方的数据可表示为

10、能流量，下方表示效率，从源端到建筑末端的能流一般有从能源能源转换设备管网建筑这一过程。电网网用户设备源燃气锅炉热电厂燃油锅炉热电厂火电厂燃气层热网壁挂炉燃气锅炉燃油锅炉基础层热电厂火电厂电力层油层煤层热力层图3三维分层的城市能源系统的能流网络图将图3的能流网络图转化成节点拓扑关系，则节点的能流平衡方程可用下式表达。式中：kij为关联矩阵的元素，节点相连时，流入为1，流出为-1，不相连时为0；x为能流量；为效率。 目前，软件中搭建了我国供热空调领域中常见的能源转换设备，包括集中式、区域式、分布式和分户式各种转换设备，比如管网、不同能源类型和规模的锅炉、水源/空气源热泵、燃气轮机或内燃机循环热电机

11、组、燃气-蒸汽联合循环热电机组、背压或抽凝式CHP系统、CCHP系统、燃气直燃机、热水/蒸汽吸收式机组、冷水机组等。首先通过建立完善的城市能源系统能流图及其策略调度关系，然后导入不同负荷类型的全年8760h的负荷指标值及其相应用户的建筑面积可进行动态计算。下面通过北京市的模拟实例来进一步了解其功能。3. 北京市供热空调能源系统的情景分析3.1 城市供热空调能源系统模型的建立根据北京市（城八区，以下同）供热空调能源系统的能流网络图4建立北京市供热空调能源系统的设备类及其连接关系，共有25种采暖方式，13种空调方式，6种集中生活热水方式。涉及耗煤的能源转换设备有8类：高碑店、一热燃煤、石景山和高井

12、热电机组，双井燃煤蒸汽厂、区域燃煤锅炉、燃煤小锅炉、小煤炉。耗气的有13类：左家庄、方庄和双榆树燃气供热厂，太阳宫、草桥、郑常庄和京丰燃气热电机组，区域燃气锅炉、区域燃气CCHP、楼宇燃气CCHP、燃气直燃机、燃气小锅炉、小型燃气炉。耗油的有8类：高碑店、一热和二热燃油调峰锅炉，二热燃油热电机组、区域燃油锅炉、燃油小锅炉、小型燃油炉、燃油直燃机。发电的有11类：高碑店、一热、石景山和高井燃煤热电机组，太阳宫、草桥、郑常庄和京丰燃气热电机组，二热燃油热电机组、区域燃气CCHP、楼宇燃气CCHP。耗电的有7类：区域电锅炉、直接电热器、小型电锅炉、风冷热泵、水源热泵、单冷空调器、水冷空调机组。负荷指

13、标分成住宅和公共建筑2种共9类。根据奥运行动规划能源专项规划及其改进方案、2021年城市热网集中供热设施远景发展规划、北京市民用建筑供热方式与发展研究和北京市统计年鉴等资料进行负荷情景设定及修正，如图46所示。情景总体设定思路为：20012021年是城市快速化建设过程，20212021年是北京城区建设平稳时期（采用线性增长）。关于供热，充分利用并发展城市热网，鼓励以燃气为源的CCHP和电力驱动的水源热泵方式，适当发展风冷热泵供热方式，利用区域、小区燃气锅炉和户式燃气炉大量替代小型燃煤锅炉和分散小煤炉，发展合理，逐步替代，并保持一定量的直接电热采暖和小型燃油等用户。关于空调，合理发展城市热网吸收

14、式机组、水冷机组和单冷空调器方式，鼓励发展风冷热泵、水源热泵、CCHP，适度发展燃气直燃机方式，并保持一定量蒸汽吸收式机组和燃油直燃机方式，逐步减少无空调用户。关于集中式生活热水，发展城市热网、CCHP和水源热泵用户，保持一定量的蒸汽管网用户。图4 供热用户的情景设定 图5 空调用户的情景设定 图6 生活热水用户的情景设定在城市集中热网的多热源系统中，一般而言，在多热源联网运行的情况下，应先开能源效率高、经济性好的热源。热电厂由于综合能源利用率高、供热成本低，所以一般承担基本负荷。特别是燃煤热电厂，不宜频繁启停，一般都采用长时间连续运行的模式。燃气燃油锅炉作为调峰锅炉。因此，多热源系统运行时热

15、源调节的基本原则如图7所示，在软件中体现为运行策略定义为调度顺序的先后。图7 多热源负荷分配示意图3.2 情景方案的模拟结果分析和方案对比该情景下各年的能耗结构和环境排放计算结果如图8所示，图中耗电量只包含能源转换设备耗电（电采暖、热泵、空调器和水冷机组等）和动力耗电（热网循环泵耗电等）。2001年模拟结果与北京市供热空调系统统计的年用煤量、耗油量、耗气量数据基本相符，现状数据可以作为模拟的起始条件或者模拟校验的依据。进而，我们可以分析该情景下能源需求与宏观能源规划的能源供应之间的关系，判断能源资源量的可供性，掌握城市建筑能源消耗的能源结构及该结构下的环境排放影响。进一步分析可知，集中式能源系

16、统的一次能源消耗约占一次能耗消耗总量的50%，是规划中的重点。图8逐年的能源消耗结构和单位建筑面积的环境排放量情景方案分析的过程是对模拟结果的数据再加工，正确的分析方法才能正确评价一个方案的合理性。首先，从静态特性来分析该能源系统的效率。若将上述煤、气、油、电的能耗总量减去发电量认为是北京市供热空调所引起的总能耗，将单位建筑面积用户末端建筑需求量和方案系统总能耗分别称为末端建筑能耗指标和城市能耗指标。该情景下，供热空调和集中生活热水的总需求能耗指标约为120kWh/m2，而城市能耗指标约为200kWh/m2，若定义城市能源效率系数UEEC=城市能源消耗量/城市负荷需求量，这里指的是供热空调的U

17、EEC=供热空调总能耗量/末端建筑需求量=城市能耗指标/末端建筑能耗指标=1.66，它的含义是指该能源系统中，满足1份能源的负荷需求，需要输入1.66份能源才能满足，该情景总体设定思路的设定使得2001年UEEC从2.13降低到1.66，同时清洁能源优化了能源消费结构，实现了城市规划层面上的“节能减排”。另一方面，也可以从动态特性来评价该能源系统和方案的优劣。可以分析各类能源消耗的最大值、冬夏季燃气和电力峰谷差等问题，这里引入不均匀变差系数C4，定义其为样本X的标准差和样本X均值之比。C值小表示样本离平均值近，峰谷差越小。情景分析的另一个目的是对不同能源系统方案进行对比，进而综合评价方案。如果

18、不考虑生活热水负荷，上述2021年称为方案1，对比方案2的情景如下：减少区域和楼宇CCHP用户各2000万m2，减少燃气直燃机夏季用户1000万m2和冬季用户400万m2，减少城市热网热水吸收机用户2000万m2；夏季增加水冷机组2000万m2和单冷空调器5000万m2，冬季增加区域燃气热网用户2400万m2和直接电热采暖2000万m2；使得两方案末端负荷需求一致，其模拟结果如表1所示。分析可知，方案1多消耗13亿m3燃气，多发了42.4亿度电，并少耗了8.6亿度电，折合发电效率为39.5，相当于一般的中小型燃气蒸汽联合循环机组的发电效率。从电力和燃气削峰填谷作用来看，虽然方案1增加了冬季的燃

19、气耗量，但是冬季和夏季总耗气量比值从11.14减小为4.46，燃气不均匀变差系数C从1.38减少为1.12，耗电C值为从0.8减少为0.67，不均匀性皆比方案2有较大改善。表12021年方案的能耗和环境污染物排放比较一次能源消耗方案1方案2二次能源消耗方案1方案2污染物方案1方案2煤/万吨453.7453.7发电/亿度126.1283.75SO2/万吨3.163.14燃气/亿立米42.629.6耗电/亿度145.87154.49NOx/万吨2.572.31燃油/万吨25.725.7-PM10/万吨0.570.554. 结论我们可以总结以下几点结论和展望：1）虽然城市建筑能源是个多元复杂的系统，但是通过城市能源系统模型的建立和完善，利用模拟软件来对城市进行历史、现状和规划期进行情景模拟分析，亦是确实可行的。另外，对城市确定适当的模拟区域和界线，该平台可以实现从小区、城市分区到城市各层次的模拟；2）在城市能源规划层面上，从静态和动态特性两方面来分析城市能源系统的能耗、系统效率及其环境影响等是分析技术适宜性和评价规划方案优劣的一个重要依据；3）建筑节能和生活水平的发展影响末端建筑负荷指标的取值和特性，本文尚没考虑负荷指标的变化的影响，简单按照住宅、商建分类。因此，需要完善供热、空调、燃气、电力等负荷指标的研究工作，形成适宜城市建筑能源规划的指标数据库，是取