254基于MARKAL模型的城乡居民生活节能潜力与途径分析

基于MARKAL模型思想的城市居民生活节能潜力与途径分析侯玮1，付林1,2，孙健2（1北京清华城市规划设计研究院，北京，100083）（2清华大学建筑技术科学系，北京，100084）摘要：为了实现中国“十一五”规划中国内GDP单位能耗下降20%的目标，本文利用MARKAL模型分析了城市能源系统各个环节的能耗，以解决能源供应环节和能源转换过程中的能耗损失问题，最终提高能源利用效率。本文用MARKAL模型分析得到的结果可以用于指导寻找城市居民生活节能途径及帮助政府进行能源规划和决策。1.前言在“十一五”规划中，中国政府要求国内GDP单位能耗下降20%。要实现这个目标我们必须从城市能源系统的各个层次发掘节能的潜力。随着居民生活水平的提高，居民用能不断增长，居民用能结构也不断优化。而降低单位能耗的问题，如图1所示，从根本上说是在满足能源需求的基础上，优化能源供应环节、减少能源转换过程中各个环节的损失问题。因此,客观分析城市居民生活用能的数量、结构和效率问题,找出居民在生活用能方面存在的问题和原因，提出切合实际的改进居民用能的途径和政策建议，对于改善居民生活用能水平，提高生活质量，以及改善环境和完成节能降耗任务等方面都有重要意义。一次能源有用能源二次能源最终需求转换损失损失利用利用损失损失传输传输损失图1城市能源结构简图2.能源系统MARKAL模型分析MARKAL模型是以技术为基础的能源系统优化数学模型，是一个线性规划的能源分析工具。该模型通过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，以系统整体最低的成本来满足系统终端能源的需求。一次能源转换工艺加工工艺终端能源需求工艺有用能源需求部门损耗损耗图2能源供需结构示意图MARKAL模型把全部流程分为三类：①加工转换，如炼油、煤制气、发电、热电联产等；②输送分配；③需求工艺是指终端用能工艺或者装置，如锅炉、空调设备等；根据MARKAL模型的思想，我们可以对图2所示的能源供需图进行如下扩展和改进，如图3所示。加工转换输送分配需求工艺非清洁能源清洁能源二次能源终端能源有用能源需求部门副产品资源化再利用废物资源化减量结构优化损耗损耗损耗减量图3城市能源结构优化示意图3.居民生活能耗结构及其影响因素在MARKAL模型计算中，首先需要固定终端能需求，本文以居民能耗为例。图4显示了需求侧的城市居民用能结构与供应侧的关系，可见能耗高低的影响因素是多方面的，涵盖了经济、技术、政策等。城市居民用能采暖生活热水制冷照明及生活电器炊事建筑能耗换热设备空调热水器电热热电联产发电煤油余热天然气交通图4城市能源供应与需求结构3.1居民结构的多样性影响能源消耗家庭居民的年龄、性别、收入、教育程度以及住房面积等因素在不同程度上影响了能源的消耗：人均收入越低的家庭，考虑越多的是能源的经济性，即以低廉的成本获得耐用的能源品种；收入越高的家庭，则考虑的是能源的品质，即在成本相同时，获得舒适、便捷、卫生的能源。3.2居民生活和消费方式影响能源消耗在能源需求侧，生活习惯影响着能源的消耗：居民对家中电器的性能了解和使用方式、频率就是一种习惯,这方面的改变可能会带来生活方便度和舒适度很大程度的降低,此外电费支出相对其他能源消费支出的比重较低,导致了居民在通过节电降低电费支出方面的要求不大。3.3能源自身属性影响能源消耗能源自身的清洁性、方便性、经济性可获取性对居民的用能选择起着重要作用。同样是采暖能耗，城市消费的燃气和电等清洁能源要远远大于农村；同样是炊事能耗，农村主要以煤、柴为主，城市则更多地消耗了燃气能源。究其原因，是由于高效能源价格普遍高于低效能源，而生物质能源在农村很容易获得。3.4能源技术的应用和能源政策的实施影响能源消耗能源技术创新和推广力度对居民建立节能意识、使用新能源起着重要作用。虽然家庭的取暖费支出相对于水、电、燃气费支出比重较大,但城市供暖系统的改变是一项大工程，并非家庭的意志所能决定，所以居民在这方面的节能考虑较少。此外,要改变居民供暖意识（如北京市推行的室温16度）也是一项长期而艰巨的任务。4.利用MARKAL模型分析居民生活节能潜力及发展趋势居民生活水平的不断提高必然导致对生活品质的更高要求，在满足能源需求侧的用能要求和品质要求的前提下，城市用能将趋于生态化、阶梯化、资源化：首先在控制城市能源消耗总量的同时，实现能源的生态化。一方面避免不可再生能源直接用于城市终端用户，例如实现用于能源消费的煤炭全部应用于热电联产后再使用。反映到模型上就是只有清洁能源和终端能源有直接的联系。另一方面合理挖掘城市太阳能、地热能等清洁能源的潜力，加快发展利用可再生能源，也就是模型中的清洁能源对非清洁能源的替代。第二，要实现能源的阶梯化循环利用。反映到模型上，主要集中在能源加工转换到终端能源的环节上，通过梯级利用可以极大的提高能源的综合利用效率。典型的应用就是电厂对余热的再次使用，可以用于城市居民供热等其他用能环节，以及在生态工业园内，通过建立企业共生系统形成能源的不断循环，实现价值的增值，并减少最终废料的排放量，减少对生态环境造成的压力。第三，是把城市能源供应和消费过程中所产生的副产品和废弃物资源化。一方面在能源的加工转换环节会产生许多副产品，例如炼油厂产生的油渣等等，对这些能源副产品的资源化利用可以减少对城市环境的污染，延伸能源供应链的价值创造过程。另一方面在模型中主要反映在需求部门向能源加工转换提供资源的环节。城市能源消费部门会产生可以资源化利用的废弃物，例如将酒店或高档社区排出的盥洗废水中的热量用污水源热泵加以回收用于满足热负荷需求、将燃烧灰渣作为制造建材的原料用于满足建筑需求、将具有高燃值的垃圾回收建设垃圾电厂用于满足电负荷需求等。因此，根据上述内容我们可以对图4所示城市居民用能结构与城市能源供应的关系图进行重构以直接揭示降低能耗的潜力环节，如图5所示：城市居民用能采暖生活热水制冷照明及生活电器炊事建筑能耗换热设备空调热水器电热热电联产发电煤油余热天然气交通太阳能垃圾发电水电生物能地热图5重构后的城市能源结构图5.MARKAL模型优化方案计算及结果以某城市为例，能源系统MARKAL模型的终端能源需是以2000年能源统计数据为基准，以居民能耗（7项）为终端能源需求，未来终端能源需求增长主要由GDP增长率来确定，没有任何环境约束条件。此外，MARKAL模型还包含了各种情景模型的计算，以及计算结果的对比和分析。本文根据某市控制SO2排放的环保要求和设定的空气质量标准目标，设计了2类情景模型。首先测算以经济发展高速（GDP增长8%）、中速（GDP增长7%）、低速（GDP增长6%）时的能源系统优化方案。其中以经济中速发展的预测结果如图6所示：0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2005年2010年2015年能源品种（万吨标煤）耗电量耗油量耗气量耗煤量图6城市经济中速发展预测结果由此可见，2005、2010、2015年能源需求结构中耗煤量比例，将由66.51%降至60.30%、52.03%，呈逐年下降趋势；天然气比例由13.86%上升至19.20%、27.86%。满足能源需求结构调整：原煤需求比例逐步降低，适当增加电力和天然气的需求比例的要求。其次，以经济中速发展为例，加以不限制SO2排放量、限制SO2排放量86万吨、限制SO2排放量69万吨为约束条件，其预测结果如图7-9所示：0%10%20%30%40%50%60%70%耗煤量耗气量耗油量耗电量能源品种（万吨标煤）2005年2010年2015年图7方案一能耗预测结果图0%10%20%30%40%50%60%70%80%耗煤量耗气量耗油量耗电量能源品种（万吨标煤）2005年2010年2015年图8方案二能耗预测结果图010203040506070耗煤量耗气量耗油量耗电量方案三2005年2010年2015年图9方案三能耗预测结果图2005年能源需求结构中煤炭和天然气在能源需求结构中的比例为66.51%13.86%和64.85%、14.92%，与方案1接近。2010年、2015年的煤炭比例下降较大，方案2为60.31%、52.03%，方案3为57.22%、43.9%;天然气比例上升较快，方案2为19.20%、27.86%，方案3为21.91%、35.91%。满足能源需求结构调整。方案3的SO2排放总量限制满足环保规划的目标要求，方案2的SO2排放总量控制尚需在采取一定技术措施后方能达到环保规划的目标要求。6.城市居民生活用能的节能途径从图5的城市用能结构和能源供给系统来看，居民生活用能质量和效率的提高可从以下几方面入手：6.1降低建筑能耗1）建筑设计中应注重夏季降温并兼顾冬季取暖，尽可能地采取窗户遮阳，围护结构保温，环境(含屋顶)绿化等综合措施，以减少建筑本身的负荷能耗。例如在保证围护结构保温的前提下，适当增加散热器片数，可以降低二次网温度，从而实现节能。2）提高建筑的使用效率，对同时使用系数低的建筑或区域，应改变其能源供应方式。例如入住率在50%以下的居住住宅或社区，可以改造为分户计量，由物业为空置单元设置基准温度，以保证已入住单元热（冷）量的无谓耗散。3）发展节能型建筑和使用节能型建材，从建筑设计开始为降低建筑能耗做准备。注重发挥规划阶段的主导作用，组织有关规划、能源、环境等领域的专家共同参与技术咨询，工程方案论证，项目检查、评估和验收。增强技术指导的能力，为城市能源建设快速发展提供强有力的技术保障。6.2用能设备和器具的优化1）合理选择用能设备和器具，大力宣传、普及居民用能节能技巧,不断提高居民节能意识,减少能耗。节能的实现途径很多，经过对家庭居民的调查与了解,现行的节能实现途径主要有：购买新的能效设备或用具，例如采用节能灯；改变用能习惯，例如不使用电器时拔掉电源，均可以推动节能工作。2）提高用能设备和器具的运行管理水平，避免大量的能源被浪费掉而未能用于对室内环境的服务。例如在旧城区仅仅将建筑空调当成家电而放弃管理，会造成瞬时的电力高峰负荷，对电力输配干线网络安全造成严重威胁，并增加大能源系统的峰谷差、降低负荷率和运行效率。6.3降低交通能耗1）加快城市道路交通规划的实施，完善城区交通道路网络，强化公共交通优势；建立智能化交通指挥、控制系统，提高车辆平均速度和通过能力，降低油耗和减少排放污染。2）大力宣传错峰出行和公交优先观念，改变居民的出行观念和模式。3）优化城区道路交通车辆结构，优先发展混合动力汽车，适度控制出租车发展。6.4降低能耗的政策支持1）重视节能降耗宣传教育和节能降耗信息交流，从而形成政府、供能企业以及能源需求用户三方的认识，推动节能的深入。2）在不影响居民生活基本负荷和舒适度的条件下控制负荷。根据能源使用者的污染物排放量、排放方式和排放位置等要因素，以环境税和污染税等方式收取适当的能源外部成本，通过经济手段刺激企业提高生产率和污染物治理程度，刺激消费者改变消费方式，以利于环境的可持续发展。3）加大科技和资金的投入，重点推广已经成熟的节能技术，激励研制和生产节能产品，提高建筑物隔热保温标准，加旧城区旧建筑改造的力度，努力降低新城区新建筑的能耗。7.总结为了实现“十一五”规划中中国政府要求的国内GDP单位能耗下降20%的目标。本文利用MARKAL模型构建了城市居民生活能耗结构和能源供需系统图，直接明确的呈现出其中的潜在的降低能耗的环节。最后根据提出的能源结构图逐个环节分析得出了降低能耗的办法和途径。本文对指导降低城市能源消耗和能源规划具有重要的参考意义。侯玮女1983年12月助理工程师北京清华城市规划设计研究院[e-mail]付林男副教授清华大学建筑学院建筑科学与技术系，北京清华城市规划设计研究院[e-mail]孙健男1985年1月博士生清华大学建筑学院建筑科学与技术系[e-mail]参考文献[1]刘志林,戴亦欣,董长贵,等.低碳城市理念与国际经验[J].城市发展研究,