区域能源站负荷预测方法

王晓飞，喻伟，孟冲，2

（1重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆 400045；2中国建筑科学研究院，北京 100013）

区域能源站负荷预测方法

王晓飞1，喻伟1，孟冲1，2

（1重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆 400045；2中国建筑科学研究院，北京 100013）

为了经济合理地配置能源站设计规模和减少区域内建筑冷、热源的能源消耗与碳排放，预测区域内的负荷成为区域能源站规划的重中之重。该文描述了区域能源站各种能源需求的预测方法，以及预测所需基础数据的确定方法，结合某新区的能源需求预测进行了示例分析。对区域能源站不同类型负荷的合理预测，对系统能源分配和冷热源方案的选择具有重要意义，为能源站的规划设计提供参考数据，使规划设计更加合理，有利于提高能源站的运行效率。

区域能源站；负荷预测；能源规划；建筑能耗；建筑冷热负荷；负荷计算

0 引言

在区域能源规划初期，单体建筑的具体方案通常尚未形成，建筑物使用情况、内扰变化规律等许多方面因素是不确定的。在这样的情况下，可以采用模拟软件，结合相关统计资料获得负荷指标，从而对区域能源需求做出预测[1]。

1 能源需求与负荷预测的基础

区域能源需求分析预测是区域能源规划的先决条件，只有充分掌握区域内全年的各类能源需求，才能为能源规划和方案提供基础数据。

1.1 能耗需求和负荷预测的种类

区域可再生能源使用的基数为终端总能耗。一般包括:居住建筑能耗（商品房、低密度居住建筑）、公共建筑能耗（办公建筑、商业金融建筑、社区中心、文化娱乐建筑、医疗建筑、小学托幼、中学等）、产业用能（产业建筑用能、产业用燃气、蒸汽）、市政用能（城市道路与景观照明、生活给水、再生水供水、城市排水、污水再生）等消耗能源量的总和。

从能源的种类分，生态城的能耗需求主要为电力、热力、燃油、燃气。从能耗需求类型分，生态城的能耗需求主要为采暖空调用热，生活热水用热，空调用电，市政、电器、办公设备等其他用电，炊事等。表1列出了各项用能的详细内容和层次关系。

表1 能源需求测算对象详细内容

需要说明的是，能耗需求类型并非绝对。例如制冷用“电”需求，如采用吸收式制冷就转为用“热”需求；采暖和空调用“热”需求，如采用热泵系统或电加热，可转为用电需求。尽管如此，在规划阶段，将能耗需求和能源供应分解到能源类型也是有重要意义的。

区域内负荷预测主要包括规划区域内冷、热、电等方面负荷预测。

1.2 能耗需求和负荷预测分析的基础数据

进行区域能耗需求和负荷预测必须确定预测基础数据。在符合区域总体规划、城市定位和用能特点的基础上，终端能耗和负荷预测采用了标准规定、能耗统计和模拟计算相结合的方法。对分类、分项和分级的能耗进行预测和分析。所采用的数据的来源主要包括：（1）总体规划和各专项规划的基础数据；（2）正式出版的国家和地方节能设计标准、技术措施、技术手册中的数据；（3）类似地区、城市的能耗统计和调研数据；（4）模拟计算数据；（5）国外相关能耗统计指标；（6）规划区域指标体系和实施模式及相关标准。

模拟计算获取能耗指标方法依据现行国家和地方建筑节能设计标准构建建筑，并按节能设计标准设定[2]与能耗相关的建筑使用条件，采用软件或根据设计负荷指标计算全年能耗。该方法符合国家和地方现行节能设计标准要求，对现行节能标准具有很好的适用性。该方法设定的使用条件具有广泛代表性，因此能耗计算结果适合于作为区域或城市规划依据。

1.3 能耗需求和负荷预测的关键因素[3]

负荷预测首先要明确规划区域的特点，并对这些特点进行完整的定性描述。然后按照定性描述所构筑的框架，对一些关联因素设定量化目标。对于区域建筑冷热负荷预测来说，需要设定的参数包括：人口密度、建筑朝向、体形参数、占地面积等。通过相关参数的量化，对参数进行组合分析，即可得到不同组合类型的建筑冷热负荷和建筑能耗。

1.3.1 社会经济增长发展状况

社会经济发展对于建筑冷热负荷的影响是缓慢的。随着经济的发展人们的生活水平提高，对建筑环境的要求相应提高，这就会造成建筑室内冬季温度上升，通风量的增加。

对该因素的预测和分析，通常是按照我国的经济发展战略部署，比如国家及地方的短期或中长期规划纲要。结合现阶段的经济增长率和产业结构的分析，根据相关规划纲要，对未来的GDP及产业结构的比重做出科学预测。

1.3.2 人口密度

人员负荷是影响建筑冷热负荷的重要因素，准确预测人口发展规模就显得尤为重要。

在我国区域规划过程中通常采用劳动平衡法对人口规模进行预测。根据“按一定比例分配社会劳动”的基本原理和国民经济各部门发展规划，以国民经济计划的基本人口数和劳动构成比例的平衡关系确定城市人口规模。该方法将城市人口分成3类：基本人口、服务人口和被抚养人口，3类人口间存在着客观的比例关系。

注：被抚养人口比重可用分析居民年龄构成的方法确定；服务人口比重按照城市居民生活水平、城市的规模、作用和特点确定。

人口密度的预测也可以按照城市化进程的速度来分析。根据住房和城乡建设部提出的相关住房标准，换算为人均住宅建筑面积，然后根据规划区域的建筑面积，预测未来规划区域的人口密度。需要注意的是在对冷热负荷进行预测时，需要考虑不同类型建筑，人口密度分布的变化。

1.3.3 建筑形式

在规划阶段，只有详细了解区域建筑形式，才能更详细的计算建筑冷热负荷。决定建筑形式的控制指标有容积率、建筑密度、建筑控制高度和建筑体量等参数。

常见的建筑形状主要有：矩形建筑（包括条形、L形、U型、T型等）、弧形建筑、梯形建筑、不规则建筑等。建筑形状的确定通过对规划区域所在城市的建筑形状进行调查统计，得到区域内几种建筑类型的组成比例。

在对区域建筑进行负荷预测时，同样需要考虑建筑朝向对负荷的影响。表2为推荐的居住建筑朝向。区域建筑朝向可根据规划区域平面图进行设置。

表2 我国部分地区居住建筑朝向表

建筑体形的选择很大程度上取决于建筑的体形系数。建筑体形系数参数可以参考 《共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134-2010）中的标准设定范围。

对区域建筑不同参数进行量化，通过不同参数的不同组合，利用模拟软件得到区域建筑的负荷。

2 能源需求与负荷预测的方法

2.1 居住建筑冷热负荷计算

规划区居住建筑类型按用地性质分类：一类居住用地、二类居住用地。由于居住建筑低层和多层建筑负荷差别较大，计算地块总负荷需要考虑居住用地中两类建筑比例。

如图1所示，根据用地性质、限高、建筑体形等指标，建立典型居住建筑负荷计算模型，利用DEST模拟软件对建筑的全年室内动态负荷进行模拟，得到采暖空调的负荷指标；同时对建筑的采暖空调负荷进行详细计算。将计算结果和模拟结果进行对比确定出居住建筑单位负荷指标，确定同时使用系数[4]。另一方面根据地块建筑面积、净用地面积、建筑密度等参数，确定出各类居住建筑的面积。结合居住建筑单位负荷指标和面积，以及同时使用系数，得出各地块居住建筑冷热总负荷。

图1 居住建筑冷热负荷计算方法流程示意图

图2 公共建筑冷热负荷计算方法流程示意图

2.2 公共建筑冷热负荷计算

由于处于规划阶段，公共建筑只能按用地性质分类：教育科研设施用地，旅馆业用地，商业金融业用地，文化娱乐用地，体育用地，公共设施用地。按不同地块性质采用三种负荷计算方法[5]：

（1）建筑模型计算法：商业金融业用地，旅馆业用地，文化娱乐用地。

与居住建筑类似，此处不再赘述。

（2）地块模型指标法：教育科研设施用地。根据国家建设相关标准，结合规划区域的实际项目功能定位和控规指标，确定规划区域的不同类型建筑比例；查阅相关统计数据，确定各类建筑经验负荷指标；对该规划区域所在地区的典型项目进行实测，分析统计修正系数。通过以上三个影响因素的研究和分析，建立地块模型指标法的计算模型。另一方面，参考同类建筑的运行规律和最大负荷出现时段的经验，确定同时使用系数。根据计算模型和同时使用系数，确定各地块建筑冷热总负荷。

（3）经验指标法：公共设施用地建筑，体育用地建筑，文化娱乐用地(博物馆)。

对于公共设施用地建筑，如博物馆，体育馆等建筑，可查阅相关设计规范，确定该地区不同类型建筑的经验负荷指标、同时使用系数和规划面积，计算各地块建筑冷热总负荷。

2.3 生活热水负荷计算

生活热水用热量按照公式(1)计算：

式中：

Qw—日生活热水耗热量，kJ；

Mw—日用水量，kg；

Cw—水的定压比热容，kJ/(kg·℃)；

tend—用水温度，℃，用水温度取60℃；ti—水的初始温度，℃，

生活热水负荷按照公式(2)计算：

式中：

Qh—设计小时秒耗热量，kW；

Qw—最高日生活热水耗热量，kJ；

Td—热水使用时间；

Kh—热水小时变化系数；

设计日用水定额根据不同功能用地参照规范取值；设计热水温度：60℃，设计冷水温度：17℃，水的比热容取4.187kJ/（kg·℃），小时变化系数根据规范按插值法取值[6]。

2.4 电负荷计算

式中：

Qe—建筑用电负荷，kW；

q—用电指标，W/m2；

S—建筑面积，m2；

规划区用电负荷的预测可采用不同性质建设用地用电负荷预测法、人均综合用电量法等方法预测用电负荷，考虑规划区主要功能区建设用地已经确定的实际情况，用电负荷预测可采用不同性质建设用地用电负荷预测法对规划区用电负荷进行预测。

2.5 气负荷计算

居民耗热定额是确定居民用气量的一个重要数据，其准确性和可靠性决定了城市居民用气量计算及预测的准确性和可靠性。

影响居民生活用气定额的因素，主要有居民的生活水平和生活习惯、社会上主副食品的成品、半成品供应情况、燃气用具的配置情况、气候条件、热水供应等。居民用气主要用于三方面，炊事、饮用开水、生活热水（淋浴洗澡、热水供应）等。一般公建商业用户主要指宾馆、饭店、餐饮业、洗浴业、机关学校、企事业单位、医院、托幼等机构。其耗热主要适用于的炊事、热水供应等。

文献[7]给出了典型商业用户用气量指标，根据不同类型建筑的用气量指标，结合同时使用系数，可计算出规划区域的用气负荷。

3 结论

区域能源需求分析预测是区域能源规划的先决条件，只有在充分掌握区域内全年的各类能源需求，才能为能源规划和系统冷热源方案的设计选择提供基础数据。从能源的种类分，区域能源站的能耗需求主要为电力、热力、燃油（燃气）；从能耗需求类型分，区域能源站的能耗需求主要为采暖空调用热，生活热水用热，空调用电，市政、电器、办公设备等其他用电，炊事等。

本文介绍了区域能源各种负荷的预测方法，通过对区域能源站不同类型负荷的合理预测，对系统能源分配和冷热源方案的选择具有重要意义，为能源站的规划设计提供参考数据，使规划设计更加合理，有利于提高能源站的运行效率。

[1]马艺然,区域供冷供热系统的负荷预测 [J].区域供热,2013（4）:70-73.

[2]中国建筑科学研究院.JGJ134-2010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]龙惟定，白林，范蕊.低碳城市的区域建筑能源规划[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]雷娅蓉.重庆市居住建筑能耗预测方法研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[5]孙冬梅.公共建筑采暖空调系统能耗预测方法研究[D].重庆：重庆大学，2009.

[6]住房和城乡建设部工程质量安全监督司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施：给水排水[M].北京：中国计划出版社，2009.

[7]住房和城乡建设部工程质量安全监督司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施：暖通空调、动力[M].北京：中国计划出版社，2009.

Methodology for Forecasting Energy Consumption of DistrictEnergy Station

In order to reasonably design districtenergy station and reduce cold and heatenergy consumption and carbon em issions in the district,forecasting load in the area becomes the priority in districtenergy station design.This paper describes different forecastmethods for various energy demands of the districtenergy station and theway to determine basic data needed by the prediction combined w ith the forecast of energy consumption in one new area.Reasonable prediction of different typesof energy consumption in the regionalenergy station is significant for the energy distribution and selection of cool and heat sources of the system,it provides reference data for the design of the energy station and makes the planning and designmore rational,which ishelpful to improve theoperationalefficiency of theenergy station.

districtenergy station;load forecast;energy planning;building energy consumption;building cooland heat load;load calculation

TU 831.3+8

A

1671-9107（2014）06-0066-04

国家科技支撑计划课题2013BAJ03B05；中央高校项目CDJZR12 210012。

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.066

2014-05-09

王晓飞（1990-），男，河南洛阳人，研究生，主要从事绿色建筑等方面的研究。

孙苏，李红

本埠信息