既有城市工业区改造的能源高效利用及能流-碳流图分析

胡艺萌，张改景，安 宇（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108）

1 研究背景

随着我国进入城市化不断推进的阶段，城市化进程中充满了机遇与挑战。由于城市规划后土地功能方向地转变，原本位于城市中心的工业园区位置逐渐向郊区偏离。大量既有工业区由于规划建设的起点不高，园区建筑功能规划不明，用地布局杂乱，阻碍了现代城市化进程，且与城市居民日益提高的环境健康要求相违背，因此既有城市工业区改造已成为当今城市发展进步的重要推动力。

城市既有工业区改造转型的迫切性引起了西方发达国家的重视，欧美国家的旧工业区改造与功能更新模式逐渐改变，早期的“大拆大建”政策也被调整为以适应性及再利用为主要目标。2010 年，我国为推进全国既有工业园区改造，制定了《全国老工业基地调整改造规划（2013-2022年）》；2014 年发布《国务院办公厅关于推进城区老工业区搬迁改造的指导意见》《国家发展改革委关于做好城区老工业区搬迁改造试点工作的通知》，从而推进全国既有工业园区的规划改造。

目前，既有城市工业区普遍存在能源浪费现象，如供热系统缺乏整体规划、缺乏实时动态用能调控机制、余热未利用等。在“节能减排”的时代背景下，为实现既有城市工业区的高效改造发展目标，能源的高效利用是当前必须解决的关键问题。

德国柏林牧场工业区在改造过程中，采用组合式采暖供电形式，使用发电余热供暖；改变能源利用形式，拆除老旧住、库房屋顶，装配太阳能光伏电池板，建筑日常运营耗电量明显减少。另外，配备智能调控系统，以保证相关降低能耗措施的管理和运行，减少建筑总体年能耗。广东省广州市明珠工业园示范区的综合能源系统在满足用户用能需求的前提下，针对园区企业生产线负荷特性，引入压差发电、热能梯级利用、余热回收、空调节能改造等措施。在此基础上，园区还建立了一套多能协同的智能调度系统，充分消纳光伏发电和天然气冷热电三联供等清洁能源，帮助实现工业园区的高效能源利用发展目标。

针对既有城市工业区改造过程中存在的能源利用问题，本文通过对园区负荷平准化和多能互补规划方法的研究，探究既有城市工业区改造的能源高校利用方法。同时绘制分析既有城市工业区的能流-碳流图，为能源改造的进程提供技术支撑，以优化改造后园区的能源结构配置，从而实现既有城市工业区功能转型改造的节能减排目标。

2 既有城市工业区改造的能源高效利用

2.1 负荷平准化规划方法

在产业结构转型的进程中，我国很多既有工业区都在大力发展先进的服务业和制造业。工业化初期阶段的高温、高压、高品位能源需求逐渐转变为低温、低压、低品位能源需求，保障建筑环境的照明、供暖、供冷和供热水成为能源的主要作用。为实现现代工业园区改造的节能减排目标，应推进供应侧能源规划到需求侧能源规划（Demand Side Management）的转变发展。

园区建筑群负荷预测既是既有工业区改造能源规划的基础，也是规划园区改造建筑用能、配置能源系统及设备型号、计算碳排放等工作的前提，会显著影响既有工业园区改造后的能源系统的运行能效。能源的更高使用效率可以通过最优化不同功能状态的建筑配比得到，负荷平准化是管理需求侧能源的有效方法。负荷平准化表示园区负荷的平稳程度，其对象包括单栋建筑及整个区域的负荷。

2.1.1 定义

负荷平准化的评价指标为负荷平准化率。负荷平准化率为平均负荷与最高负荷的比值，用以衡量平均负荷与最高负荷之间的差异程度。在园区建筑群中，不同类型的建筑使用同一套能源系统可降低负荷峰值，减小能源供应设备的装机容量。负荷平准化率越大，设备的利用率越大，系统运行越高效平稳。计算公式如式（1）所示。

式中：r1为负荷平准化率，100%；

Lmean为 24 h 逐时负荷的最大值，W/m2；

Lmax为 24 h 逐时负荷的平均值，W/m2。

不同功能建筑的混合配比会对园区建筑群的逐时冷热电负荷和总负荷产生影响，从而影响能源系统的配置和运行效率。不同混合程度的区域应有不同的负荷平准化率，以期配置的能源系统可在效率高的区间使用，提高能源利用率，降低能耗。

2.1.2 技术分析

作为能源需求侧管理的一种有效手段，负荷平准化规划方法不仅可满足园区改造后建筑功能多样化要求，同时又可使园区建筑整体用能更加高效，以实现既有城市工业区改造的环境可持续发展目标。

对刘海静等人研究的办公属性为主的某商务区进行情景分析，将办公建筑面积占总混合功能建筑区域比例设为0.5，商店建筑与酒店建筑总共占比 0.5。商店建筑占比变化为 0～0.5，酒店建筑占比也随之从 0.5 降低为 0。分析 9种不同建筑功能配比模式，具体情况如表 1 所示。

表 1 建筑功能配比

模拟计算具体某一建筑功能面积的逐时负荷，结合 9 种建筑功能配比，得到混合建筑功能区域的单位面积逐时负荷，通过公式（1）计算出 9 种情景的混合建筑功能区域负荷平准化率。具体情况如表 2 所示。

表 2 不同情景的负荷平准化率 %

由表可知以下内容。① 模式 1、2、9 的冷、热负荷平准化率均较高。② 模式 2、3、4 电负荷平准化率较高。因此，在此混合功能的建筑群中冷、热、电负荷平准化率都较高的是情景 2，对应办公/商店/酒店建筑的配比为 0.5: 0.1:0.4。

此外，有研究表明，相比功能单一的办公和居住建筑，兼有办公和居住功能的 SOHO 建筑有更高的负荷平准化率，即更高的能源设备利用率，其月能源节约率为27.5%～63.1%。

综合以上研究案例可知，在既有工业区里，不同功能的建筑其负荷高峰出现时段不一样。区域能源系统应充分利用负荷的同时系数和参差率，使总负荷平准化，削平总负荷峰值，降低装机量的总功率，节约初投资。

2.2 多能互补功能规划方法

在既有工业区改造过程中，需要注重减少建筑改造和使用过程中的能量消耗。基于增效和减碳双控的多能互补功能规划方法有助于提升能源系统的综合利用效率，缓解能源供需矛盾，从而实现环境保护和生态低碳目。

2.2.1 定义

多能互补是一种能源政策，旨在按照不同资源条件和用能对象，采取多种能源互相补充，以缓解能源供需矛盾，合理保护自然资源，促进生态环境良性循环。根据《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》，多能互补的工程分为以下两类。

（1）用户侧多能互补。面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求，优化布局建设一体化集成供能基础设施，实现多能协同供应和能源综合梯级利用。此类工程针对用户侧，主要为天然气分布式能源，主要为（冷）热电三联供，即以天然气为主要燃料带动发电设备运行，产生的电力供应用户，发电后排出的余热通过余热回收利用设备向用户供热、供冷，大幅提高整个系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用。

（2）电源侧多能互补。利用大型综合能源基地风能、太阳能、水能、煤炭、天然气等资源组合优势，推进风光水火储多能互补系统建设运行。此类工程针对电源侧，互补的形式有“风-风互补”“风-光互补”“水-光（风）互补”“煤电-光（风）互补”及“抽蓄-光（风）互补” 等。

多能互补功能规划方法可根据用户需求制定能源供应服务，减少能源转换和输送环节，提高能源效率，降低用能成本。中国煤电、水电、风电、太阳能发电等规模均为世界前列，多项技术达到世界领先水平，但在多能互补方面还有很大提升空间。通过多能互补实现能源梯级利用，充分利用化石能源中的能量，以有效提高能源利用效率。由于风电、光伏发电具有随机性和波动性，多能互补功能规划方法可将风电、光伏发电与火电、水电协同运行，并辅以储能电池、蓄热装置，形成与用户负荷相匹配的能源供应，可有效促进新能源就地消纳，减小系统调峰压力，改善弃风弃光现象，提高新能源消纳率。

2.2.2 技术分析

对既有城市工业园区采取多能互补功能规划方法需要考虑以下内容。

（1）用能结构。工业用能和商业及民用用能的用能结构存在很大区别，因而用户的用能需求特点及经济承受能力都应重点衡量。

（2）耦合技术。多能互补的特点增加了能源供应的复杂性，进而影响园区内系统能源供应的协调能力。实现多种能源的互补，需要多种能源的耦合技术。单一能源系统的效能（30%～37% 左右）低于多种能源混合系统（60% 以上）的效能。但是探究既有工业区多种能源的最优混合比例才是关键问题。

以江苏省苏州工业园区为例进行分析，园区的多能互补集成优化示范工程项目包括 2 个天然气热电联产中心、3个区域能源中心、10 个分布式能源系统。园区针对集中用能区域开展天然气分布式热电冷三联供，实现能源梯级利用，能源综合效率达 70% 左右。为达到多种能源协调有序的目标，天然气分布式能源成为园区内电网、热网、冷网和天然气网的“枢纽”，实现多种能源的转换；储电、储热、储能和管网系统对能源网的进行削峰填谷，降低用户的用能成本。

3 既有城市工业区改造的能流-碳流图分析

3.1 能流图和碳流图的广泛应用

能流图，也称能源系统网络图或系统能流及能源效率图，是可视化分析既定能源系统能源供需平衡和有效利用程度的工具。能流图可以直观、形象地展示一个地区或国家的能源统计概况，利于不同地区或国家间的平行对比。

应用能流图可测量、监控、评估系统各环节能效水平及影响因素，分析和发现节能潜力所在，选择和确定提供系统能源效率的对策和措施。胡秀莲编制了“中国 2012 年能流图”的桑基图，有助于系统理清能源系统各个环节间的关系，从而最优化能源系统各个环节的技术措施。

3.2 既有城市工业区的能流-碳流图的绘制

既有城市工业区内建筑类型改造后要以办公、商业、展览等非工业生产类建筑为主，研究的范围包括基础设施和建筑中各能耗对象。构建既有城市工业区的能流-碳流图，从而服务于既有工业园区改造规划设计、建设等阶段，研究既有工业园区改造能源能效提升的关键技术，为园区能源效率的提升、降低碳排放提供数据基础和决策工具。

国家的能流-碳流图是以全社会的能源供应消费为研究对象，其分类以体现全社会能源消耗结构的大类为基础，如分为工业、民用、交通、市政等。对于既有工业园区而言，其社会性质较为单一，能源消费对象相对较为具体，因此终端消费分类应更加细化，可分为园区基础设施和建筑两大类。再根据各类的能源消耗特点进行进一步的分类，如基础设施可分为能源供应系统，园区交通、照明、通讯和安防系统设施等；建筑能耗可分为办公、展览、商业等。

通过识别既有城市工业区转型发展园区的能流-碳流图各部分的分析对象，在梳理各部分之间逻辑关系的基础上，可建立园区能流-碳流图的整体框架，如图 1 所示。

图 1 既有城市工业区能流-碳流图框架

基于以上的研究基础探究能流-碳流图的绘制方法。能流-碳流图实质上是一种桑基图 (Sankey Diagram)。桑基图为了展现数据的流动，主要由边、流量和支点组成，其中边代表了流动的数据，流量代表了流动数据的具体数值，节点代表了不同分类。边的宽度与流量成比例地显示，边越宽，数值越大。

桑基图制作工具包括专业的 JS 库(D 3、Ecgarts、highlight)，主流的数据科学编程工具（R、Python等）及自助式 BI 工具（PowerBI、Tableau等）。本次研究使用 OriginPro 2019 工具绘制既有城市工业区功能提升的能流-碳流图。通过安装应用程序可以扩展 Origin 的功能，接入其他应用程序（如 MATLAB™、LabVIEW™、Microsoft Excel）；使用 Script 和 C 语言，嵌入式 Python 或 R 控制台可在 Origin 中创建自定义例程。

本报告使用 OriginPro 2019 工具绘制能流-碳流图，为普适性的、无具体数据的能流-碳流图。绘制过程中通过分析工业区的普遍能源转换规律，仅考虑各层级对象分类以及能源、碳的流向，其中包括一次能源、能源转换方式及能耗终端三个级别对象。根据既有城市工业区改造项目的能源特性，按用能比例估计不同层级和同一层级中各个具体对象的能流-碳流数据大小。如根据工业园区能源消耗终端具体种类的调研，划分出园区基础设施和建筑两大种类。各个对象之间的连线表征能流或碳流数据的流向及大小，连线的宽度根据各条连线能流或碳流数据与总量之间的比例进行绘制，通过宽度的不同体现数据的大小，能源流向为从左至右。在 OriginPro 2019 工具的表格区域设置数据，选择生成 Parallel Sets 类型表格，得到既有城市工业区改造的能流-碳流图。绘制得到的能流-碳流图可以在既有工业区转型改造园区的实际案例应用中提供详细的思路。

4 结 语

本文针对既有城市工业区改造过程中的能源利用问题，通过文献调研、典型案例剖析及数值分析的方法，分析既有工业区改造的能源高效利用方法及能流-碳流图。同时进行既有工业园区改造的负荷平准化规划方法研究及多能互补供能规划方法研究及能流-碳流图绘制方法研究。以图形方式客观形象的展示能源用量总量、用能结构及碳排放量，以实现既有城市工业区改造发展的环境可持续发展目标。