區域能源站負荷預測方法

王曉飛，喻偉，孟沖，2

（1重慶大學 城市建設與環境工程學院，重慶 400045；2中國建筑科學研究院，北京 100013）

區域能源站負荷預測方法

王曉飛1，喻偉1，孟沖1，2

（1重慶大學 城市建設與環境工程學院，重慶 400045；2中國建筑科學研究院，北京 100013）

為了經濟合理地配置能源站設計規模和減少區域內建筑冷、熱源的能源消耗與碳排放，預測區域內的負荷成為區域能源站規劃的重中之重。該文描述了區域能源站各種能源需求的預測方法，以及預測所需基礎數據的確定方法，結合某新區的能源需求預測進行了示例分析。對區域能源站不同類型負荷的合理預測，對系統能源分配和冷熱源方案的選擇具有重要意義，為能源站的規劃設計提供參考數據，使規劃設計更加合理，有利于提高能源站的運行效率。

區域能源站；負荷預測；能源規劃；建筑能耗；建筑冷熱負荷；負荷計算

0 引言

在區域能源規劃初期，單體建筑的具體方案通常尚未形成，建筑物使用情況、內擾變化規律等許多方面因素是不確定的。在這樣的情況下，可以采用模擬軟件，結合相關統計資料獲得負荷指標，從而對區域能源需求做出預測[1]。

1 能源需求與負荷預測的基礎

區域能源需求分析預測是區域能源規劃的先決條件，只有充分掌握區域內全年的各類能源需求，才能為能源規劃和方案提供基礎數據。

1.1 能耗需求和負荷預測的種類

區域可再生能源使用的基數為終端總能耗。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（辦公建筑、商業金融建筑、社區中心、文化娛樂建筑、醫療建筑、小學托幼、中學等）、產業用能（產業建筑用能、產業用燃氣、蒸汽）、市政用能（城市道路與景觀照明、生活給水、再生水供水、城市排水、污水再生）等消耗能源量的總和。

從能源的種類分，生態城的能耗需求主要為電力、熱力、燃油、燃氣。從能耗需求類型分，生態城的能耗需求主要為采暖空調用熱，生活熱水用熱，空調用電，市政、電器、辦公設備等其他用電，炊事等。表1列出了各項用能的詳細內容和層次關系。

表1 能源需求測算對象詳細內容

需要說明的是，能耗需求類型并非絕對。例如制冷用“電”需求，如采用吸收式制冷就轉為用“熱”需求；采暖和空調用“熱”需求，如采用熱泵系統或電加熱，可轉為用電需求。盡管如此，在規劃階段，將能耗需求和能源供應分解到能源類型也是有重要意義的。

區域內負荷預測主要包括規劃區域內冷、熱、電等方面負荷預測。

1.2 能耗需求和負荷預測分析的基礎數據

進行區域能耗需求和負荷預測必須確定預測基礎數據。在符合區域總體規劃、城市定位和用能特點的基礎上，終端能耗和負荷預測采用了標準規定、能耗統計和模擬計算相結合的方法。對分類、分項和分級的能耗進行預測和分析。所采用的數據的來源主要包括：（1）總體規劃和各專項規劃的基礎數據；（2）正式出版的國家和地方節能設計標準、技術措施、技術手冊中的數據；（3）類似地區、城市的能耗統計和調研數據；（4）模擬計算數據；（5）國外相關能耗統計指標；（6）規劃區域指標體系和實施模式及相關標準。

模擬計算獲取能耗指標方法依據現行國家和地方建筑節能設計標準構建建筑，并按節能設計標準設定[2]與能耗相關的建筑使用條件，采用軟件或根據設計負荷指標計算全年能耗。該方法符合國家和地方現行節能設計標準要求，對現行節能標準具有很好的適用性。該方法設定的使用條件具有廣泛代表性，因此能耗計算結果適合于作為區域或城市規劃依據。

1.3 能耗需求和負荷預測的關鍵因素[3]

負荷預測首先要明確規劃區域的特點，并對這些特點進行完整的定性描述。然后按照定性描述所構筑的框架，對一些關聯因素設定量化目標。對于區域建筑冷熱負荷預測來說，需要設定的參數包括：人口密度、建筑朝向、體形參數、占地面積等。通過相關參數的量化，對參數進行組合分析，即可得到不同組合類型的建筑冷熱負荷和建筑能耗。

1.3.1 社會經濟增長發展狀況

社會經濟發展對于建筑冷熱負荷的影響是緩慢的。隨著經濟的發展人們的生活水平提高，對建筑環境的要求相應提高，這就會造成建筑室內冬季溫度上升，通風量的增加。

對該因素的預測和分析，通常是按照我國的經濟發展戰略部署，比如國家及地方的短期或中長期規劃綱要。結合現階段的經濟增長率和產業結構的分析，根據相關規劃綱要，對未來的GDP及產業結構的比重做出科學預測。

1.3.2 人口密度

人員負荷是影響建筑冷熱負荷的重要因素，準確預測人口發展規模就顯得尤為重要。

在我國區域規劃過程中通常采用勞動平衡法對人口規模進行預測。根據“按一定比例分配社會勞動”的基本原理和國民經濟各部門發展規劃，以國民經濟計劃的基本人口數和勞動構成比例的平衡關系確定城市人口規模。該方法將城市人口分成3類：基本人口、服務人口和被撫養人口，3類人口間存在著客觀的比例關系。

注：被撫養人口比重可用分析居民年齡構成的方法確定；服務人口比重按照城市居民生活水平、城市的規模、作用和特點確定。

人口密度的預測也可以按照城市化進程的速度來分析。根據住房和城鄉建設部提出的相關住房標準，換算為人均住宅建筑面積，然后根據規劃區域的建筑面積，預測未來規劃區域的人口密度。需要注意的是在對冷熱負荷進行預測時，需要考慮不同類型建筑，人口密度分布的變化。

1.3.3 建筑形式

在規劃階段，只有詳細了解區域建筑形式，才能更詳細的計算建筑冷熱負荷。決定建筑形式的控制指標有容積率、建筑密度、建筑控制高度和建筑體量等參數。

常見的建筑形狀主要有：矩形建筑（包括條形、L形、U型、T型等）、弧形建筑、梯形建筑、不規則建筑等。建筑形狀的確定通過對規劃區域所在城市的建筑形狀進行調查統計，得到區域內幾種建筑類型的組成比例。

在對區域建筑進行負荷預測時，同樣需要考慮建筑朝向對負荷的影響。表2為推薦的居住建筑朝向。區域建筑朝向可根據規劃區域平面圖進行設置。

表2 我國部分地區居住建筑朝向表

建筑體形的選擇很大程度上取決于建筑的體形系數。建筑體形系數參數可以參考 《共建筑節能設計標準》（GB50189-2005）、《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ134-2010）中的標準設定范圍。

對區域建筑不同參數進行量化，通過不同參數的不同組合，利用模擬軟件得到區域建筑的負荷。

2 能源需求與負荷預測的方法

2.1 居住建筑冷熱負荷計算

規劃區居住建筑類型按用地性質分類：一類居住用地、二類居住用地。由于居住建筑低層和多層建筑負荷差別較大，計算地塊總負荷需要考慮居住用地中兩類建筑比例。

如圖1所示，根據用地性質、限高、建筑體形等指標，建立典型居住建筑負荷計算模型，利用DEST模擬軟件對建筑的全年室內動態負荷進行模擬，得到采暖空調的負荷指標；同時對建筑的采暖空調負荷進行詳細計算。將計算結果和模擬結果進行對比確定出居住建筑單位負荷指標，確定同時使用系數[4]。另一方面根據地塊建筑面積、凈用地面積、建筑密度等參數，確定出各類居住建筑的面積。結合居住建筑單位負荷指標和面積，以及同時使用系數，得出各地塊居住建筑冷熱總負荷。

圖1 居住建筑冷熱負荷計算方法流程示意圖

圖2 公共建筑冷熱負荷計算方法流程示意圖

2.2 公共建筑冷熱負荷計算

由于處于規劃階段，公共建筑只能按用地性質分類：教育科研設施用地，旅館業用地，商業金融業用地，文化娛樂用地，體育用地，公共設施用地。按不同地塊性質采用三種負荷計算方法[5]：

（1）建筑模型計算法：商業金融業用地，旅館業用地，文化娛樂用地。

與居住建筑類似，此處不再贅述。

（2）地塊模型指標法：教育科研設施用地。根據國家建設相關標準，結合規劃區域的實際項目功能定位和控規指標，確定規劃區域的不同類型建筑比例；查閱相關統計數據，確定各類建筑經驗負荷指標；對該規劃區域所在地區的典型項目進行實測，分析統計修正系數。通過以上三個影響因素的研究和分析，建立地塊模型指標法的計算模型。另一方面，參考同類建筑的運行規律和最大負荷出現時段的經驗，確定同時使用系數。根據計算模型和同時使用系數，確定各地塊建筑冷熱總負荷。

（3）經驗指標法：公共設施用地建筑，體育用地建筑，文化娛樂用地(博物館)。

對于公共設施用地建筑，如博物館，體育館等建筑，可查閱相關設計規范，確定該地區不同類型建筑的經驗負荷指標、同時使用系數和規劃面積，計算各地塊建筑冷熱總負荷。

2.3 生活熱水負荷計算

生活熱水用熱量按照公式(1)計算：

式中：

Qw—日生活熱水耗熱量，kJ；

Mw—日用水量，kg；

Cw—水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；

tend—用水溫度，℃，用水溫度取60℃；ti—水的初始溫度，℃，

生活熱水負荷按照公式(2)計算：

式中：

Qh—設計小時秒耗熱量，kW；

Qw—最高日生活熱水耗熱量，kJ；

Td—熱水使用時間；

Kh—熱水小時變化系數；

設計日用水定額根據不同功能用地參照規范取值；設計熱水溫度：60℃，設計冷水溫度：17℃，水的比熱容取4.187kJ/（kg·℃），小時變化系數根據規范按插值法取值[6]。

2.4 電負荷計算

式中：

Qe—建筑用電負荷，kW；

q—用電指標，W/m2；

S—建筑面積，m2；

規劃區用電負荷的預測可采用不同性質建設用地用電負荷預測法、人均綜合用電量法等方法預測用電負荷，考慮規劃區主要功能區建設用地已經確定的實際情況，用電負荷預測可采用不同性質建設用地用電負荷預測法對規劃區用電負荷進行預測。

2.5 氣負荷計算

居民耗熱定額是確定居民用氣量的一個重要數據，其準確性和可靠性決定了城市居民用氣量計算及預測的準確性和可靠性。

影響居民生活用氣定額的因素，主要有居民的生活水平和生活習慣、社會上主副食品的成品、半成品供應情況、燃氣用具的配置情況、氣候條件、熱水供應等。居民用氣主要用于三方面，炊事、飲用開水、生活熱水（淋浴洗澡、熱水供應）等。一般公建商業用戶主要指賓館、飯店、餐飲業、洗浴業、機關學校、企事業單位、醫院、托幼等機構。其耗熱主要適用于的炊事、熱水供應等。

文獻[7]給出了典型商業用戶用氣量指標，根據不同類型建筑的用氣量指標，結合同時使用系數，可計算出規劃區域的用氣負荷。

3 結論

區域能源需求分析預測是區域能源規劃的先決條件，只有在充分掌握區域內全年的各類能源需求，才能為能源規劃和系統冷熱源方案的設計選擇提供基礎數據。從能源的種類分，區域能源站的能耗需求主要為電力、熱力、燃油（燃氣）；從能耗需求類型分，區域能源站的能耗需求主要為采暖空調用熱，生活熱水用熱，空調用電，市政、電器、辦公設備等其他用電，炊事等。

本文介紹了區域能源各種負荷的預測方法，通過對區域能源站不同類型負荷的合理預測，對系統能源分配和冷熱源方案的選擇具有重要意義，為能源站的規劃設計提供參考數據，使規劃設計更加合理，有利于提高能源站的運行效率。

[1]馬藝然,區域供冷供熱系統的負荷預測 [J].區域供熱,2013（4）:70-73.

[2]中國建筑科學研究院.JGJ134-2010夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]龍惟定，白林，范蕊.低碳城市的區域建筑能源規劃[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[4]雷婭蓉.重慶市居住建筑能耗預測方法研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[5]孫冬梅.公共建筑采暖空調系統能耗預測方法研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[6]住房和城鄉建設部工程質量安全監督司，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施：給水排水[M].北京：中國計劃出版社，2009.

[7]住房和城鄉建設部工程質量安全監督司，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施：暖通空調、動力[M].北京：中國計劃出版社，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

國家科技支撐計劃課題2013BAJ03B05；中央高校項目CDJZR12 210012。

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.066

2014-05-09

王曉飛（1990-），男，河南洛陽人，研究生，主要從事綠色建筑等方面的研究。

孫蘇，李紅

本埠信息