区域能源系统规划理论与创新对治理空气质量和合理用能的影响

田 丰 汪鸣泉 汪 军 康丽惠

中国科学院清洁能源技术发展研究中心

上海市能源研究会窑炉协会第一副主任单位

上海普天能源科技有限公司

传统的能源规划包括电力、热力、燃气3个主要方面，而规划编制的主体则对应电力公司、热电厂、燃气公司，甚至更大尺度的省域资源发展战略、重要能源设施项目及管网开发建设规划，较少涉及相对集中的区域能源系统（见图1）。

图1 传统能源系统构成与单项规划

然而随着新型工业和新型城镇化建设的逐步展开，尤其是工业化和城镇化过程中的空气质量问题，引起了广泛关注，亟需针对空气质量问题进行区域能源系统的规划部署（见图2）。

图2 区域能源规划的系统构成

1 方法论

欧洲、美国、日本等早在八十年代就开始研究和运用区域能源规划来进行城市或区域设计，以推动可再生能源系统发展及能源效率提升。我国各个研究机构也开展了大量的区域能源规划研究。广义的区域能源规划包括国家层面、省域层面、市域层面及片区层面的能源系统综合规划，即在一定的地理边界范围内，对当地的能源在未来一定时期内进行合理规划，根据区域人口、产业、交通发展对能源负荷的变化，在对区域的能源现状进行分析基础上，从能源总量、供需平衡、能源结构和节能技术综合运用进行综合考虑的科学方法。

区域能源规划的重点实际是一定范围内的各能源系统整合及资源优化配置，并通过顶层设计、系统规划、方案设计、系统集成、政策保障几个阶段来落实产能、用能、输能、蓄能、节能几个重要方面。区域能源规划以示范区的建设为重点，关注城乡供能用能系统，具有重要的优化资源配置作用。作为我国能源发展战略的重要抓手，对区域能源规划进行深入研究，学习国内外先进技术，结合我国的实际发展情况就显得尤其重要了，因此，本文旨在通过对区域能源规划的相关研究进行综述，来为我国能源相关的规划研究做好铺垫和指导。

2 区域能源规划的背景与意义

区域能源规划是提升能源作为核心生产要素的重要举措，是各级政府统筹能源基础设施建设，优化调配能源资源的重要抓手。

2.1 区域能源的多样化需求与增长

我国工业化与城镇化不断深入，使得能源需求不断提高。根据能源消耗的主要方向：工业节能、建筑节能和交通节能，然而传统的区域能源规划主要集中于对建筑区域能源规划的研究，尽管建筑能耗占到我国总体能耗的33.42%（2010年），且不断增长，但能源消耗与城市的建设和经济的运行紧密相关，涉及城市布局、工业、交通等，因此有必要在传统的城市总体规划的基础上，结合电力、燃气等单项能源规划，来考虑能源系统的规划。

2.2 可再生能源比例不断增加

随着经济发展的不断优化升级，能源结构也将经历重大调整。根据BP（英国石油）预测，2011年到2030年间，随着风能、光能、水力发电、核能、生物能等可再生能源技术的发展，可再生能源将以年增幅7.6%的速度增长，其在整体能源系统中的比例也逐渐从13%上升至18%（IEA）。我国政府从长远发展出发，出台了一系列鼓励可再生能源系统发展的政策，并进一步明确了2030年可再生能源系统的装机容量，分别是太阳能光伏85 GW，风能335 GW，核能105 GW，并发展850万辆电动和插入式混合动力汽车，使得非化石能源比例将从2010年的8.7%提高到11.4%。然而可再生能源系统存在技术和资金瓶颈，单纯依靠私人投资，无法推动可再生能源发展，而需要通过政府的有效规划和政策补贴支持来鼓励发展（Alanne和Saari），此外，其更有别于传统能源形式，需要制定专门的规划方案，并整合到区域能源规划中去。

2.3 能源梯级循环利用技术突破

尽管化石燃料在全球能源系统中的比例将进一步下降，但预计2030年其仍然占有75%的比例（2010，81%），特别是天然气、页岩气等的开采和应用使得其在传统能源形式中的比例不断增长，围绕燃气轮机等设备开展的冷、热、电三联供系统，及其能源梯级利用技术也逐渐得到重视，并不断发展。

在我国十二五重点发展的7项工业领域中，能源相关的就有3项，分别为新能源，节能减排，清洁能源车辆，共同分享近4万亿人民币的投资。目前以燃气内燃机及燃气轮机为供能装备的分布式能源站已基本实现经济性，并在日本、欧洲等发达国家得到了广泛应用。此外，地热、水源、空气源、工业余热河蒸汽能等低品位能源的梯级利用也成为节能减排的重要部分。因此，要实现分布式的多种能源形式的优化整合，需要打破传统的电力、燃气等能源系统的单一规划，研究适应我国未来发展的区域能源规划方法，从用户的需求和用能负荷入手，系统化地设计能源系统，才能更好地发挥多能互补优势，为经济社会发展起到推动作用。

3 区域能源规划的评价指标体系构建

3.1 国际机构能源发展年度报告

国际能源机构、世界银行等国际非盈利组织，以及大型的能源企业如BP，SHELL等公司，也一直发表对世界能源发展形势把握的官方报告。国际能源机构的世界能源展望系列（IEA World Energy Outlook 2030），侧重于对新能源和可再生能源系统的发展，从全球各个国家分品类能源消耗现状及未来发展进行预测，已形成序列，并每年更新，是最权威的世界能源分析材料；英国石油公司的能源统计年鉴（BP Energy Statistical Review 2013），侧重于对化石燃料的尤其是石油市场的把握，并对各种能源系统的发展进行年度统计分析；美国能源信息署的国际能源展望（EIA International Energy Outlook 2013），针对国际和美国的能源消耗对不同种类能源形式，以及不同能源消耗的主体进行分析，已序列出版，每年更新。综合来说，在国家层面的研究大多集中于统计方法的分析，来宏观统计数据出发，构建基于能源发展情景模型的评价指标体系，来把握现状和预测未来发展。

3.2 城市能源系统发展指数评估

城市范围往往无法涵盖周边的所有可利用能源资源，因此传统能源规划往往在城市对外能源规划中设置重要篇幅。联合国持续发展指标体系的建立为全球范围的城市能源系统发展评估提供了参考，国际原子能机构、欧盟联合研究中心、欧洲环境委员会、葡萄牙环境委员会、意大利环境委员会等则在联合国持续发展指标体系的基础上，应用并拓展了评价模型。此外，一些学者也对此进行了相关的理论分析研究，Neves（2010）、Montmollin（2000）等对区域能源规划的指标体系研究进行了综述，并对全球各个领域的可持续发展规划分析方法进行了归纳总结，提出了结合调查和统计数据的动态SWOT方法；我国学者牛文元（2012）等也从不同的角度，对不同城市的低碳水平、能效水平进行了研究。

3.3 区域能源管理信息系统

区域能源系统与社会经济发展，城市用地规划，明确分布式能源系统的布局，和可再生能源系统、低品位能源系统的设置情况等相关，因此需要构建面向产能、供能、蓄能、用能一体化调控技术进行仿真、建模、实际运营，来系统规划区域能源。实现能源的高效、梯级利用，缓解我国城市化过程中的能源需求，扩展能源的利用途径，降低能源安全风险。Hain（2012）等利用区域能源管理手段，从土地利用、交通管理、能源站建设、能源需求与供应等方面，对可再生能源系统的规划进行了系统研究，并通过该方法应用于加拿大英属哥伦比亚1995年～2005年的能源规划。清华大学（2012）有关研究所，也在1985年就开始了区域能源规划的相关研究，并运用系统分析、运筹学方法和计算机等技术，面向管理信息系统的开发，来未区域能源规划提供支持，通过需求预测、供需平衡、供应系统方案比较与选择、能源与其他资源的优化分配、系统的技术经济指标评价等几个模块构建完善的理论分析系统，并在大量规划项目中得到了广泛应用。

4 区域能源规划决策支持系统

区域能源规划是提升能源作为核心生产要素的重要举措，是各级政府统筹能源基础设施建设，优化调配能源资源的重要抓手。

4.1 区域能源多目标动态决策理论模型

区域能源多目标动态决策技术是基于对能源评估系统基础上的，相对来说，面向应用的区域能源规划引用更多的地方性的能源参数，可实现对区域能源系统现状的评价，并为不同的区域能源规划方案优劣比较提供支撑（Terrados，2012）。区域能源系统的多目标决策，是基于区域用地形式、基础设施布局、土地开发强度、用能需求、供能形式等多种优化目标及耦合需求，采用动态线性及非线性优化技术，构建整合目标规划和多目标决策模型，来进行预测和拟合的一种先进技术。区域能源多目标动态决策技术发展于1960年代，Pereira和Pinto（1991）建立了一个随机最优化模型，这一模型将多种能源形式作为基础参数，构建政策补贴、经济性、成熟度、排放、噪音等一系列变量模型，从而对节能手段的经济性及节能效果的评估。Linkov（2010）、Devadas（2001）、Zincone（2013）等应用美国和欧洲的环境管理机构数据，将系统工程、社会学、经济学的理论方法引入模型，改良了决策理论模型，并通过物理建模手段和工程优化来提高动态决策技术对规划的支持能力。

4.2 区域能源多目标动态决策系统

我国科学家在国外研究的基础上，进行了大量的研究，以清华大学为代表的研究机构，运用了国外的成熟软件和技术，如LEAP长期能源替代规划系统（美国斯图克顿环境研究所：Long-term Energy Alternatives Planning System）、MARKAL综合能源系统优化模型、国际能源署IEA能源技术和系统分析项目ETSAP、MESSAGE模型耦合能源需求MAED模型，优化应用了一系列区域能源规划决策支持系统，为城市和乡村的能源建设提供了科学的规划

2008年，清华大学建筑技术科学系付林提出基于动态和空间分布的城市能源规划方法，在调研收集资料的基础上，综合城市规划中的热力、燃气和电力规划，根据城市能源系统现状和调研数据选择能源负荷和转换特性库，作为城市能源系统情景的设定输入条件，在软件平台上实现模拟计算，并利用评价体系判断方案的可行性。该方法应用的软件平台继承了管网输配水力计算软件，并结合地理信息系统和环境污染物分析等软件工具，实现规划成果的显示。华中科技大学 刘立平、李开勤以HREM模型为基础，建立县级农村能源发展规划模型体系，并通过效应关联模型、MEDDE模型、能源系统优化耦合模型，完成系统构建，为适合我国的区域能源多目标动态决策系统的建立做出了较大的贡献。

4.3 区域能源规划决策支持系统应用

国家发改委能源研究所等一系列国内研究机构将LEAP等分析软件应用于天津中新生态城综合资源规划（2010）、湖南可再生能源规划（2011）、新疆可再生能源规划（2012）、济南市环境能源规划研究（2003）、柳州能源规划（2005）等方案中得到了广泛应用。同济大学龙惟定教授在此基础上进一步发展完善了区域建筑能源规划，引入综合资源规划（IRP）方法，引入能值概念，运用能源资源潜力分析、碳夹点技术等。2009年，最小化清洁能源用量的图形方法，合成了受碳排放限制的能源规划问题的总组合曲线，还可以累计二氧化碳排放量，积累能源用量组合曲线图，确定最小清洁能源目标、能源需求结构及其对应的二氧化碳排放量，最终得到了碳减排的量化结果。为规划的前期评估和后期评估提供了经济性和减排性的评估支持方法。这一方法在大量的城市建筑能源规划中得到了应用。利用GIS等先进的地理信息系统，可实现可视化的规划。Hoesen和Letendre（2013）评价了可再生能源系统的潜在作用，并通过GIS（全球地理信息系统）技术进行了区域能源规划，并将区域能源规划与管理整合，构建面向管理的规划方法，Pettit利用GIS规划支持系统来对不同的发展情景进行研究。

区域能源规划的层次和流程见图3。

图3 区域能源规划的层次和流程

5 区域能源规划展望

5.1 美国区域能源规划展望——能源系统整合

美国的区域能源规划强调各种技术整合，并在各个城市区域进行了多样化的集中应用示范。美国家可再生能源实验室National Renewable Energy Laboratory (NREL)，提出要分布式能源技术整合（Energy Systems Integration）系统，聚焦于优化整合能源系统和其他系统（数据系统、网络信息系统和水系统等），并综合技术、经济，监管和社会等多方面因素，有效地规划、分析，设计以及控制能源（热、电、燃料）系统与其他系统的相互作用和相互依赖性。相对来说美国的能源规划更加务实，并具有多样化特点。

5.2 欧盟区域能源规划展望——智能能源网络

欧盟委员会于2012年7月启动“智能城市和社区欧洲创新伙伴行动”，并将新能源的控制与智能交通、物联网等一同纳入到一体化行动计划中，并运用多种技术在特定城市集中开展示范。德国等国家则非常重视可再生能源系统的区域应用，并提出将能源系统的设计和管理系统整合到前期的方案设计及规划阶段，以更好地根据负荷来满足区域未来的用能需求，最大化地提高能源供给和使用的效率。欧盟相对来说，更加关注高效供能系统实时能源管理、零排放建筑、智能交通等具体项目的落地，具有较强的可操作性。

5.3 日本区域能源规划展望——能源信息通道

日本的区域能源规划涉及节能的各个层面，通过规划来系统布局节能技术、节能材料和节能管理等方面的内容。2010年4月，日本经济贸易产业省启动“智慧能源共同体”示范工程，通过智能化的信息交换与控制系统，协调电力、热能与运输方面的能源使用，实现区域内不同来源的电力与热能的相互转换，提高可再生能源在能源使用结构中的比重。2011年，经济贸易产业省又提出《绿色IT战略》，其核心是“应用智能信息和通信技术提高能效”，通过整合ICT（信息通信技术）、气候和能源技术，来建设区域电力和多元能源综合管理系统。日本的区域能源规划更加精细，并着力打造框架体系下的能源制度建设，从全社会的角度来综合考虑能源的信息通道和具体技术、设备。

5.4 中国区域能源规划展望——政策与示范并举（见表1）

我国的新型城镇化建设及生态文明建设过程中，亟需理出生态文明和新型城镇化结合的要点和操作层面的具体实施方案，而从区域能源入手，建设智慧、绿色、低碳的城区，可进一步转变我国开发区的工业职能，融合提升其带动城市发展的作用，是切实落实我国生态城市、低碳城市、智慧城市等国家政策和补贴的重要抓手。

以智慧低碳城市建设来推动区域能源系统的发展，发布了一系列的补贴及示范政策来保障区域能源规划的落地。我国的能源发展正逐渐从工业用能供给导向逐渐向多能互补的需求导向转变，因此整合各种能源形式，运用信息化、清洁能源技术的区域能源规划成为实际工作的重点和研究的热点。我院清洁能源中心对区域能源规划工作进行了重点布局，构建了构建能源系统模拟模型，指标体系，并在多个城市的区域能源规划中得以应用和体现。

表1 中国区域能源规划要点及地位