區域能源系統規劃理論與創新對治理空氣質量和合理用能的影響

田 豐 汪鳴泉 汪 軍 康麗惠

中國科學院清潔能源技術發展研究中心

上海市能源研究會窯爐協會第一副主任單位

上海普天能源科技有限公司

傳統的能源規劃包括電力、熱力、燃氣3個主要方面，而規劃編制的主體則對應電力公司、熱電廠、燃氣公司，甚至更大尺度的省域資源發展戰略、重要能源設施項目及管網開發建設規劃，較少涉及相對集中的區域能源系統（見圖1）。

圖1 傳統能源系統構成與單項規劃

然而隨著新型工業和新型城鎮化建設的逐步展開，尤其是工業化和城鎮化過程中的空氣質量問題，引起了廣泛關注，亟需針對空氣質量問題進行區域能源系統的規劃部署（見圖2）。

圖2 區域能源規劃的系統構成

1 方法論

歐洲、美國、日本等早在八十年代就開始研究和運用區域能源規劃來進行城市或區域設計，以推動可再生能源系統發展及能源效率提升。我國各個研究機構也開展了大量的區域能源規劃研究。廣義的區域能源規劃包括國家層面、省域層面、市域層面及片區層面的能源系統綜合規劃，即在一定的地理邊界范圍內，對當地的能源在未來一定時期內進行合理規劃，根據區域人口、產業、交通發展對能源負荷的變化，在對區域的能源現狀進行分析基礎上，從能源總量、供需平衡、能源結構和節能技術綜合運用進行綜合考慮的科學方法。

區域能源規劃的重點實際是一定范圍內的各能源系統整合及資源優化配置，并通過頂層設計、系統規劃、方案設計、系統集成、政策保障幾個階段來落實產能、用能、輸能、蓄能、節能幾個重要方面。區域能源規劃以示范區的建設為重點，關注城鄉供能用能系統，具有重要的優化資源配置作用。作為我國能源發展戰略的重要抓手，對區域能源規劃進行深入研究，學習國內外先進技術，結合我國的實際發展情況就顯得尤其重要了，因此，本文旨在通過對區域能源規劃的相關研究進行綜述，來為我國能源相關的規劃研究做好鋪墊和指導。

2 區域能源規劃的背景與意義

區域能源規劃是提升能源作為核心生產要素的重要舉措，是各級政府統籌能源基礎設施建設，優化調配能源資源的重要抓手。

2.1 區域能源的多樣化需求與增長

我國工業化與城鎮化不斷深入，使得能源需求不斷提高。根據能源消耗的主要方向：工業節能、建筑節能和交通節能，然而傳統的區域能源規劃主要集中于對建筑區域能源規劃的研究，盡管建筑能耗占到我國總體能耗的33.42%（2010年），且不斷增長，但能源消耗與城市的建設和經濟的運行緊密相關，涉及城市布局、工業、交通等，因此有必要在傳統的城市總體規劃的基礎上，結合電力、燃氣等單項能源規劃，來考慮能源系統的規劃。

2.2 可再生能源比例不斷增加

隨著經濟發展的不斷優化升級，能源結構也將經歷重大調整。根據BP（英國石油）預測，2011年到2030年間，隨著風能、光能、水力發電、核能、生物能等可再生能源技術的發展，可再生能源將以年增幅7.6%的速度增長，其在整體能源系統中的比例也逐漸從13%上升至18%（IEA）。我國政府從長遠發展出發，出臺了一系列鼓勵可再生能源系統發展的政策，并進一步明確了2030年可再生能源系統的裝機容量，分別是太陽能光伏85 GW，風能335 GW，核能105 GW，并發展850萬輛電動和插入式混合動力汽車，使得非化石能源比例將從2010年的8.7%提高到11.4%。然而可再生能源系統存在技術和資金瓶頸，單純依靠私人投資，無法推動可再生能源發展，而需要通過政府的有效規劃和政策補貼支持來鼓勵發展（Alanne和Saari），此外，其更有別于傳統能源形式，需要制定專門的規劃方案，并整合到區域能源規劃中去。

2.3 能源梯級循環利用技術突破

盡管化石燃料在全球能源系統中的比例將進一步下降，但預計2030年其仍然占有75%的比例（2010，81%），特別是天然氣、頁巖氣等的開采和應用使得其在傳統能源形式中的比例不斷增長，圍繞燃氣輪機等設備開展的冷、熱、電三聯供系統，及其能源梯級利用技術也逐漸得到重視，并不斷發展。

在我國十二五重點發展的7項工業領域中，能源相關的就有3項，分別為新能源，節能減排，清潔能源車輛，共同分享近4萬億人民幣的投資。目前以燃氣內燃機及燃氣輪機為供能裝備的分布式能源站已基本實現經濟性，并在日本、歐洲等發達國家得到了廣泛應用。此外，地熱、水源、空氣源、工業余熱河蒸汽能等低品位能源的梯級利用也成為節能減排的重要部分。因此，要實現分布式的多種能源形式的優化整合，需要打破傳統的電力、燃氣等能源系統的單一規劃，研究適應我國未來發展的區域能源規劃方法，從用戶的需求和用能負荷入手，系統化地設計能源系統，才能更好地發揮多能互補優勢，為經濟社會發展起到推動作用。

3 區域能源規劃的評價指標體系構建

3.1 國際機構能源發展年度報告

國際能源機構、世界銀行等國際非盈利組織，以及大型的能源企業如BP，SHELL等公司，也一直發表對世界能源發展形勢把握的官方報告。國際能源機構的世界能源展望系列（IEA World Energy Outlook 2030），側重于對新能源和可再生能源系統的發展，從全球各個國家分品類能源消耗現狀及未來發展進行預測，已形成序列，并每年更新，是最權威的世界能源分析材料；英國石油公司的能源統計年鑒（BP Energy Statistical Review 2013），側重于對化石燃料的尤其是石油市場的把握，并對各種能源系統的發展進行年度統計分析；美國能源信息署的國際能源展望（EIA International Energy Outlook 2013），針對國際和美國的能源消耗對不同種類能源形式，以及不同能源消耗的主體進行分析，已序列出版，每年更新。綜合來說，在國家層面的研究大多集中于統計方法的分析，來宏觀統計數據出發，構建基于能源發展情景模型的評價指標體系，來把握現狀和預測未來發展。

3.2 城市能源系統發展指數評估

城市范圍往往無法涵蓋周邊的所有可利用能源資源，因此傳統能源規劃往往在城市對外能源規劃中設置重要篇幅。聯合國持續發展指標體系的建立為全球范圍的城市能源系統發展評估提供了參考，國際原子能機構、歐盟聯合研究中心、歐洲環境委員會、葡萄牙環境委員會、意大利環境委員會等則在聯合國持續發展指標體系的基礎上，應用并拓展了評價模型。此外，一些學者也對此進行了相關的理論分析研究，Neves（2010）、Montmollin（2000）等對區域能源規劃的指標體系研究進行了綜述，并對全球各個領域的可持續發展規劃分析方法進行了歸納總結，提出了結合調查和統計數據的動態SWOT方法；我國學者牛文元（2012）等也從不同的角度，對不同城市的低碳水平、能效水平進行了研究。

3.3 區域能源管理信息系統

區域能源系統與社會經濟發展，城市用地規劃，明確分布式能源系統的布局，和可再生能源系統、低品位能源系統的設置情況等相關，因此需要構建面向產能、供能、蓄能、用能一體化調控技術進行仿真、建模、實際運營，來系統規劃區域能源。實現能源的高效、梯級利用，緩解我國城市化過程中的能源需求，擴展能源的利用途徑，降低能源安全風險。Hain（2012）等利用區域能源管理手段，從土地利用、交通管理、能源站建設、能源需求與供應等方面，對可再生能源系統的規劃進行了系統研究，并通過該方法應用于加拿大英屬哥倫比亞1995年～2005年的能源規劃。清華大學（2012）有關研究所，也在1985年就開始了區域能源規劃的相關研究，并運用系統分析、運籌學方法和計算機等技術，面向管理信息系統的開發，來未區域能源規劃提供支持，通過需求預測、供需平衡、供應系統方案比較與選擇、能源與其他資源的優化分配、系統的技術經濟指標評價等幾個模塊構建完善的理論分析系統，并在大量規劃項目中得到了廣泛應用。

4 區域能源規劃決策支持系統

區域能源規劃是提升能源作為核心生產要素的重要舉措，是各級政府統籌能源基礎設施建設，優化調配能源資源的重要抓手。

4.1 區域能源多目標動態決策理論模型

區域能源多目標動態決策技術是基于對能源評估系統基礎上的，相對來說，面向應用的區域能源規劃引用更多的地方性的能源參數，可實現對區域能源系統現狀的評價，并為不同的區域能源規劃方案優劣比較提供支撐（Terrados，2012）。區域能源系統的多目標決策，是基于區域用地形式、基礎設施布局、土地開發強度、用能需求、供能形式等多種優化目標及耦合需求，采用動態線性及非線性優化技術，構建整合目標規劃和多目標決策模型，來進行預測和擬合的一種先進技術。區域能源多目標動態決策技術發展于1960年代，Pereira和Pinto（1991）建立了一個隨機最優化模型，這一模型將多種能源形式作為基礎參數，構建政策補貼、經濟性、成熟度、排放、噪音等一系列變量模型，從而對節能手段的經濟性及節能效果的評估。Linkov（2010）、Devadas（2001）、Zincone（2013）等應用美國和歐洲的環境管理機構數據，將系統工程、社會學、經濟學的理論方法引入模型，改良了決策理論模型，并通過物理建模手段和工程優化來提高動態決策技術對規劃的支持能力。

4.2 區域能源多目標動態決策系統

我國科學家在國外研究的基礎上，進行了大量的研究，以清華大學為代表的研究機構，運用了國外的成熟軟件和技術，如LEAP長期能源替代規劃系統（美國斯圖克頓環境研究所：Long-term Energy Alternatives Planning System）、MARKAL綜合能源系統優化模型、國際能源署IEA能源技術和系統分析項目ETSAP、MESSAGE模型耦合能源需求MAED模型，優化應用了一系列區域能源規劃決策支持系統，為城市和鄉村的能源建設提供了科學的規劃

2008年，清華大學建筑技術科學系付林提出基于動態和空間分布的城市能源規劃方法，在調研收集資料的基礎上，綜合城市規劃中的熱力、燃氣和電力規劃，根據城市能源系統現狀和調研數據選擇能源負荷和轉換特性庫，作為城市能源系統情景的設定輸入條件，在軟件平臺上實現模擬計算，并利用評價體系判斷方案的可行性。該方法應用的軟件平臺繼承了管網輸配水力計算軟件，并結合地理信息系統和環境污染物分析等軟件工具，實現規劃成果的顯示。華中科技大學 劉立平、李開勤以HREM模型為基礎，建立縣級農村能源發展規劃模型體系，并通過效應關聯模型、MEDDE模型、能源系統優化耦合模型，完成系統構建，為適合我國的區域能源多目標動態決策系統的建立做出了較大的貢獻。

4.3 區域能源規劃決策支持系統應用

國家發改委能源研究所等一系列國內研究機構將LEAP等分析軟件應用于天津中新生態城綜合資源規劃（2010）、湖南可再生能源規劃（2011）、新疆可再生能源規劃（2012）、濟南市環境能源規劃研究（2003）、柳州能源規劃（2005）等方案中得到了廣泛應用。同濟大學龍惟定教授在此基礎上進一步發展完善了區域建筑能源規劃，引入綜合資源規劃（IRP）方法，引入能值概念，運用能源資源潛力分析、碳夾點技術等。2009年，最小化清潔能源用量的圖形方法，合成了受碳排放限制的能源規劃問題的總組合曲線，還可以累計二氧化碳排放量，積累能源用量組合曲線圖，確定最小清潔能源目標、能源需求結構及其對應的二氧化碳排放量，最終得到了碳減排的量化結果。為規劃的前期評估和后期評估提供了經濟性和減排性的評估支持方法。這一方法在大量的城市建筑能源規劃中得到了應用。利用GIS等先進的地理信息系統，可實現可視化的規劃。Hoesen和Letendre（2013）評價了可再生能源系統的潛在作用，并通過GIS（全球地理信息系統）技術進行了區域能源規劃，并將區域能源規劃與管理整合，構建面向管理的規劃方法，Pettit利用GIS規劃支持系統來對不同的發展情景進行研究。

區域能源規劃的層次和流程見圖3。

圖3 區域能源規劃的層次和流程

5 區域能源規劃展望

5.1 美國區域能源規劃展望——能源系統整合

美國的區域能源規劃強調各種技術整合，并在各個城市區域進行了多樣化的集中應用示范。美國家可再生能源實驗室National Renewable Energy Laboratory (NREL)，提出要分布式能源技術整合（Energy Systems Integration）系統，聚焦于優化整合能源系統和其他系統（數據系統、網絡信息系統和水系統等），并綜合技術、經濟，監管和社會等多方面因素，有效地規劃、分析，設計以及控制能源（熱、電、燃料）系統與其他系統的相互作用和相互依賴性。相對來說美國的能源規劃更加務實，并具有多樣化特點。

5.2 歐盟區域能源規劃展望——智能能源網絡

歐盟委員會于2012年7月啟動“智能城市和社區歐洲創新伙伴行動”，并將新能源的控制與智能交通、物聯網等一同納入到一體化行動計劃中，并運用多種技術在特定城市集中開展示范。德國等國家則非常重視可再生能源系統的區域應用，并提出將能源系統的設計和管理系統整合到前期的方案設計及規劃階段，以更好地根據負荷來滿足區域未來的用能需求，最大化地提高能源供給和使用的效率。歐盟相對來說，更加關注高效供能系統實時能源管理、零排放建筑、智能交通等具體項目的落地，具有較強的可操作性。

5.3 日本區域能源規劃展望——能源信息通道

日本的區域能源規劃涉及節能的各個層面，通過規劃來系統布局節能技術、節能材料和節能管理等方面的內容。2010年4月，日本經濟貿易產業省啟動“智慧能源共同體”示范工程，通過智能化的信息交換與控制系統，協調電力、熱能與運輸方面的能源使用，實現區域內不同來源的電力與熱能的相互轉換，提高可再生能源在能源使用結構中的比重。2011年，經濟貿易產業省又提出《綠色IT戰略》，其核心是“應用智能信息和通信技術提高能效”，通過整合ICT（信息通信技術）、氣候和能源技術，來建設區域電力和多元能源綜合管理系統。日本的區域能源規劃更加精細，并著力打造框架體系下的能源制度建設，從全社會的角度來綜合考慮能源的信息通道和具體技術、設備。

5.4 中國區域能源規劃展望——政策與示范并舉（見表1）

我國的新型城鎮化建設及生態文明建設過程中，亟需理出生態文明和新型城鎮化結合的要點和操作層面的具體實施方案，而從區域能源入手，建設智慧、綠色、低碳的城區，可進一步轉變我國開發區的工業職能，融合提升其帶動城市發展的作用，是切實落實我國生態城市、低碳城市、智慧城市等國家政策和補貼的重要抓手。

以智慧低碳城市建設來推動區域能源系統的發展，發布了一系列的補貼及示范政策來保障區域能源規劃的落地。我國的能源發展正逐漸從工業用能供給導向逐漸向多能互補的需求導向轉變，因此整合各種能源形式，運用信息化、清潔能源技術的區域能源規劃成為實際工作的重點和研究的熱點。我院清潔能源中心對區域能源規劃工作進行了重點布局，構建了構建能源系統模擬模型，指標體系，并在多個城市的區域能源規劃中得以應用和體現。

表1 中國區域能源規劃要點及地位