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。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，IntegratedEnergyPlanning）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）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。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2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化配置问题。电网城市蒸汽网城市热网煤油大型燃煤锅炉电燃煤热电联产燃气热电联产燃煤火电厂CCHP区域冷热网区域蒸汽网区域燃气锅炉蒸汽吸收式制冷机热水吸收式制冷机蒸汽吸收式制冷机热水吸收式制冷机电区域热网燃气燃气调峰锅炉区域燃煤锅炉区域燃油锅炉区域电锅炉建筑电负荷热负荷冷负荷生活热水水源热泵换热站换热站换热站换热站换热站燃气壁挂炉燃气热泵GEHP燃气直燃机燃气户式油炉电热装置采暖电燃油直燃机风冷热泵水源热泵分体式空调机水冷空调机组风冷空调机组地源热泵煤户式煤炉油BCCHP建筑热负荷冷负荷生活热水图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[3][4]，利用VisualBasic6.0工具，开发了城市能源环境动态模拟工具(CEEDS，CityEnergyandEnvironmentDynamicSimulation)，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VisualC++6.0编写了基于能源设备特性的能源系统仿真平台软件（CityEnergyV1.0）[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2CityEnergy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3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、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（EnergySource，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（EnergyEquipment），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x能流效率能源转换设备x能流效率管网x能流效率建筑这一过程。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。10nijijjijkx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；η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、小型燃基础层热力层煤层燃气层油层电力层火电厂热电厂电网热网燃油锅炉用户网源设备燃气锅炉壁挂炉火电厂热电厂热电厂燃气锅炉燃油锅炉4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、《2010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4~6所示。情景总体设定思路为：2001~2010年是城市快速化建设过程，2010~2020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。010020030040050020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020供热面积(百万m2)无供热用户小型燃油炉燃油小锅炉热网区域燃油热网小煤炉燃煤小锅炉热网区域燃煤蒸汽网区域燃煤热网直接电热器小型电锅炉区域电锅炉热网小型燃气炉燃气小锅炉热网区域燃气热网风冷热泵燃油直燃机燃气直燃机区域燃气蒸汽网水源热泵楼宇燃气CCHP区域燃气CCHP一热蒸汽网高碑店蒸汽网城市热网图4供热用户的情景设定010020030040050060020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020空调面积(百万m2)无空调用户区域燃煤锅炉蒸汽吸收机高碑店蒸汽网一热蒸汽网燃油直燃机燃气直燃机区域燃气蒸汽网楼宇燃气CCHP区域燃气CCHP水源热泵风冷热泵城市热网水冷机组单冷空调器02040608010012014020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020水源热泵楼宇燃气CCHP楼宇燃气CCHP区域燃气CCHP高碑店蒸汽网一热蒸汽网城市热网集中生活热水面积(百万m2)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