綠色產業園區的需求側能源規劃

龍惟定 同濟大學

綠色產業園區的需求側能源規劃

龍惟定 同濟大學

編者按：為貫徹落實“創新、協調、綠色、開發、共享”發展理念，開展上海綠色產業園區建設是上海當前推動產業綠色發展、推行產業綠色制造的首要任務。上海市節能協會為發揮在建設能源互聯網、智能電網和綠色產業園區等方面的智庫作用，2016年9月22日在上海國際會議中心舉辦了建設綠色產業園區高峰論壇。現特將論壇部分演講稿刊登如下，以饗讀者。希望大家關心、重視綠色產業園區建設，發揮各自優勢，獻計獻策，為推動上海綠色產業園區建設多作貢獻。

建設綠色產業園區，成為上海市在新時期重要的發展戰略之一。闡述了園區需求側能源規劃的基本概念，介紹了需求側能源規劃的六個步驟，著重介紹了規劃目標設定中產業綠色發展指數和地均能耗彈性系數等關鍵性能指標的設定。并針對產業園區發展特點提出能源微網的方案。

綠色產業園區；需求側能源規劃；產業綠色發展指數；地均能耗彈性系數；能源微網

1 什么是需求側能源規劃

能源規劃有兩種類型：一是供應側能源規劃，是從頂到底的規劃模式，負荷做加法；二是需求側規劃，是從底到頂的規劃模式，將終端節能作為替代資源，負荷做減法。

供應側能源規劃遵循可靠性原則，即能源供應必須保證最大負荷和極端條件下的用能，系統要有充足的冗余量和容量儲備。這一指導思想，在以大型制造業為供能對象的工業化時代，因為負荷穩定、需求明確、工藝流程不容有絲毫差池，所以要確保供能的安全可靠。很多重制造業企業都有自備電廠和能源中心，就是這種規劃思想的體現。但在我國新型城鎮化的新常態下，供能對象已經變為服務業、輕制造業、先進制造業和居民生活，其用能特點更多地是以建筑為依托，因此，建筑用能負荷呈現出不穩定的特點，不僅是時間上的不穩定，還有空間分布上的不穩定，沿用供應側能源規劃思想會帶來城區能源系統長期在低效率的部分負荷下運行，造成設備利用率低和能效低的種種問題。在我國規劃體系中，供應側能源規劃是單項規劃，電力、燃氣、熱力都是自成體系，獨立規劃，彼此間很少考慮協同、協調。近年來有些城市的可再生能源也做供應側規劃，甚至風電、光伏、光熱都分別做分項規劃，造成負荷的重復計算和資源的浪費。而目，供應側能源規劃往往與城市空間規劃脫節，沒有充分利用城市形態的節能潛力。

需求側能源規劃基于綜合資源規劃（IRP）原則，將終端節能視為一種資源，將降低的負荷視為虛擬電廠。聯合國環境計劃署（UNEP）在1997年基于需求側管理理論（Demand Side Management，DSM）提出了綜合資源規劃方法（Integrated Resource Planning，IRP）［1］，即將供應側和需求側的各種資源作為一個整體進行協調的規劃方法。

IRP方法的基本思路是，除供應側資源， 也把需求側通過運行節能所減少的能耗和需求側通過設計節能所降低的負荷視為一種資源同時參與能源規劃， 對供能方案和節能方案進行成本效益分析， 經過優選組合，形成對社會、供能企業和用戶等各方受益，成本最低，滿足同樣能源服務的綜合規劃方案。

IRP方法的核心是，改變過去單純以增加資源供給來滿足日益增長的需求的思維定勢，將提高需求側的能源利用率后節約的資源統一作為一種替代資源看待，并給予像其它傳統資源供給方式同等的重視， 在比較需求和供應兩方面的資源供給費用和效益的基礎上選擇一種資源組合方案作為城區能源利用的最終方案［2］。簡而言之，就是節能的資源化，將終端節能視為煤、石油、天然氣、核能和可再生能源之外的第六能源。因此，需求側能源規劃是順應了供給側結構性改革的要求，即從提高城區能源供應的質量出發，推進能源結構調整，矯正要素配置扭曲，擴大有效供給，提高能源供給結構對需求變化的適應性和靈活性，提高綜合能源效率，更好滿足生產和消費的需要，促進經濟社會持續健康發展。

2 綠色產業園區建設必須堅持的原則

上海市計劃興建的綠色產業園區，都以發展現代服務業和先進制造業為園區的定位。由于產業結構轉型，過去工業化時代高溫高壓高品位能源需求逐漸向后工業時代低溫低壓低品位能源需求轉化，能源的主要用途是保障建筑環境的照明、供暖、供冷和供熱水。因為此類負荷均為不穩定負荷，更適合分布式能源和分散式供能。

先進制造業已逐漸轉變為環境依賴性產業，其生產設備趨于輕型化和自動化，而其生產工藝和產品質量很大程度上依靠建筑環境的保障（如恒溫恒濕和超凈），生產工藝能耗轉化為建筑環境保障能耗。室內環境品質的改善能夠提高現代制造業的產品附加值、保證合格率。如：制藥、生物制品、實驗研究、手術室、醫療輔助用房、食品、電子、精密電器、計算機、半導體、精密制陶、印刷、合成樹脂、精密機械加工、光學儀器等要求生產環境滿足工業潔凈室標準的制造業行業。有些生產行業還有嚴格的室內溫濕度標準。像集成電路芯片制造廠的能耗中，空調能耗占據60%以上。生產性能耗逐漸向建筑能耗轉移。或者說，建筑能耗逐漸與產業能耗融合。現代服務業的發展，使室內環境成為安全運營的關鍵因素，最典型的如數據中心、網絡中心；而基于辦公樓的服務業，如銀行、保險、創意、傳媒、設計、咨詢等。

（1）綠色產業園區，必須對園區的能耗總量和能源效率（單位產值能耗）加以控制，因此，需要嚴格控制入園產業，設立能耗和污染的準入門檻。綠色產業園區的規劃（包括能源規劃）是產城融合的規劃，一定要將園區產業的工藝能源需求與建筑能源需求放到同一平臺綜合考量，不能形成產業招商和園區建設的“兩張皮”，最終變成“綠色的園區、灰色的產業、黑色的排放”。

通過園區總體規劃、空間布局規劃和能源規劃，盡量在園區各企業之間形成能源梯級利用的流線、廢棄物和材料的循環利用鏈，以及產品的上下游配套關系，以充分體現綜合資源規劃理念，提高園區整體的資源利用效率。同時，通過規劃，充分利用工業園區的資源（例如，大面積的工業廠房屋面），實現園區可再生能源的規模化應用。

（2）綠色產業園區建設，必須遵循“以人為本”的原則。以先進制造業和現代服務業為主的產業園區，生產過程對周邊環境的影響已經很小，因此完全可以要求園區達到一定的職住比，即就業崗位數量與人口數量的比值。加州大學伯克利分校城市與城區規劃系的教授Robert Cervero曾為“職住平衡”下的定義是：“城市在規模合理的一定范圍內所提供的就業崗位數量與該范圍內居民中的就業人口數量大致相等，并目大部分有工作的居民可以就近工作，能夠通過非機動車的交通方式解決大部分通勤問題，機動車的出行次數少、出行距離和時間均較短”［3］。因此，綠色產業園區要安排一定量的保障性住房和公租房，并有教育、醫療、商業等相應的公建配套設施，避免遠郊化居住、超長距離通勤，以及空城、睡城等現象的出現。

（3）綠色產業園區要通過創新和社會服務融入當地社區。由于在某個地區建設制造業園區，往往會引起該地區的土地價值隨之下降，從而給當地居民帶來經濟上的損失和心理上的負擔。于是當地居民會千方百計的阻礙工程的實施，造成與政府和園區之間對峙和僵持的局面。解決的辦法一是采用先進可靠的技術和更加嚴格的管理措施；二是增加規劃的透明度和公眾參與度，若把問題藏著掖著，或視公眾為假想敵，反而會將事情復雜化；三是盡可能為社區提供服務，如，將園區的低品位余熱廢熱提供鄰近社區供暖或供熱水。

3 需求側能源規劃的6個步驟

綠色產業園區的需求側能源規劃應包括以下6個步驟：

3.1 現狀分析和目標設定

（1）收集當地到規劃制訂時的經濟、社會、城市發展，以及能源供應的數據，必要時要開展現狀調研，獲取第一手資料。

（2）根據收集和整理的數據，進行SWOT分析，即優勢S（strength），弱勢W（weakness），機會O（opportunity），威脅T（threat），其中，S、W是內部因素，O、T是外部因素。特別是要找出終端節能的有利和不利因素。

（3）定義項目邊界，包括空間邊界、時間邊界、交易邊界、能耗品種邊界。

（4）制定規劃目標和關鍵績效指標（KPI），必須是可測量、可報告、可核查的。

3.2 負荷和需求預測

園區能源負荷和需求可采用自上而下或自下而上方法估算，也可采用情景分析方法進行分析。一般而言，對產業園區宜采用自上而下的預測方法。該方法通常依據國家能源消耗和碳排放的歷史時間序列數據，從宏觀層面研究能源與經濟之間的內在關系。相關參數包括宏觀經濟學指標GDP、產業的增加值、人口、就業率、建筑面積和產業結構等，以及當地的地理和氣象參數（包括對氣候變化的預測）和相近產業和同類產業園區的實際能耗數據。

3.3 資源分析

這一步是體現綜合資源規劃（IRP）理論的重要環節。如在規劃中設定園區的能耗基準線，并編制相應導則，指導二級開發。對能源系統規劃，則要研究如何提高系統效率，如何形成能源的梯級利用（在工業園區中，可通過調整空間布局，形成不同生產工藝和不同企業之間余熱廢熱的梯度）。

大部分園區可利用的可再生能源資源是太陽能光伏發電。根據國際能源機構（IEA）分析，2020年太陽能光伏的價格將降低到2010年價格的20%，其中中國的價格將最低，達到1 000美元/ kW［4］。如果在我國太陽能資源3類地區，年當量滿負荷小時數是1 000，而光伏壽命為20年的話，電力的凈成本只有0.30元/kWh，有良好的推廣普及前景。

建筑節能作為資源有3個方面：

（1）通過改變城區建筑的功能混合度使供冷供熱負荷平準化，從而降低能源系統裝機量，延長系統滿負荷工作小時數，讓設備始終處于高效區運行。

（2）通過建筑圍護結構熱工性能的改善，降低建筑負荷，從而降低能源系統裝機量和能源需求。

（3）通過能耗限額和能耗基準量的設定，取得比現行節能設計標準更低的實際能耗量。

3.4 氣候設計和園區能源系統的規劃影響因素分析

這是園區城市規劃與園區能源結合的重要環節。主要影響因素包括：

（1）氣候因素。即全球氣候變化帶來的未來氣候的不確定性。盡管難以準確，但仍可通過規劃城區所在地區的氣候趨勢性預測，對中長期能源負荷和能耗的變化做出簡單預判。

（2）規劃因素。城區的容積率、功能混合度、建筑密度、人口等規劃和城市形態要素都會對建筑基準負荷產生影響，同時也會影響能源系統的選擇和配置、影響規劃城區的微氣候。通過規劃的合理調整，可降低負荷，同時也可構建能源梯級利用的能流鏈。

（3）建筑因素。建筑高度、體形系數、圍護結構型式等對建筑負荷有顯著影響，特別是影響到建筑對自然資源（如天然采光和自然通風）的利用及被動式節能技術的有效性。

（4）政策因素。當地能源政策，如能源價格因素、能源消費總量控制因素、當地對綠色建筑占比的要求，以及電力部門的需求管理（DM）等，都需要對負荷加以控制。

（5）產業因素。園區產業結構、入駐企業的節能環保水平，以及入駐人員的節能環保意識等，也在很大程度上影響園區的運營管理。

3.5 園區能源系統的配置與優化

園區能源系統是一個復雜系統，對技術方案需要全方位、多元的評價，不同情況下對各種因素會有不同的側重，會強調某一方面，忽略某一方面。但任何情況下都不能只顧一點，不及其余。

3.6 經濟性、能源效率、環境影響和碳足跡分析

選擇城區能源系統，無論分散系統、集中系統，或是分布式系統，都必須是技術上可行、經濟上合理的項目。切忌以“綠色”、“生態”的名義，不顧血本、不計回報、無視環境影響地采用先進技術。要用符合國家標準的計算方法、計算節能量、減排量，以及符合商業標準的投資回報率等。

4 兩個重要的關鍵績效指標

根據目標管理的理論，如果一個領域沒有特定目標，則這個領域必然會被忽視；如果沒有一定的目標指導項目的開展，則項目的規模越大，涉及的專業、人員以及利益相關方越多，發生沖突和浪費的可能性也就越大［5］。

本文限于篇幅，僅介紹其中兩個關鍵績效指標。

（1）地均能耗彈性系數。

衡量單位土地面積的能耗，如果僅用能耗絕對值，則在單位產值能耗相差不大的情況下，會產生產值越高，地均能耗也越高的現象。直接用地均能耗來作為一個地區的能耗評價指標顯然不合理。因此，可以引入“單位土地面積能耗彈性系數（簡稱為地均能耗彈性系數）”的概念。地均能耗彈性系數CE為：

式中，E為所處城市當年單位土地面積能耗（tce/km2）；P為所處城市單位土地面積產值（億元/km2）；Ec為規劃城區單位土地面積能耗（tce/km2）；Pc為規劃城區單位土地面積產值（億元/km2）。

以上海靜安區為例，2013年它的Ec=131 632 tce/km2，Pc=86.6億元/km2。而2013年上海市的E=17 921 tce/km2，P=3.2億元/km2，可以得出CE=7.345/27.062=0.271。

由此可以看出，如果產業園區的地均能耗大于當地地均能耗，即Ec≥E；而園區創造的增加值卻低于當地，即Pc≤P，則CE＞1。說明該園區投資的是高能耗、低產出的產業，這樣的投資是不合理的。所以地均能耗彈性系數CE應小于1，目越小越好。

表1 國內幾個城區地均產值和地均能耗指標

從表1可以看出，地均能耗彈性系數最低的是上海金橋出口加工區，甚至要低于現代服務業云集的上海靜安區和北京西城區。說明像金橋這樣的密集的輕制造業園區，是可以做到高產值低能耗的。當然，其中也有一些不可比性。無論是靜安區還是西城區，都有相當部分的居住社區是不創造價值的。而像金橋這樣的工業企業鱗次櫛比，幾乎沒有居住社區的工業園區，職住比很低，每天需要潮汐式的通勤交通。

（2）產業綠色發展指數

產業綠色發展指數=產業人均總產值/產業單位產值資源消耗

產業單位產值資源消耗=（產業單位產值地耗+產業單位產值能耗+產業單位產值水耗）/3

產業綠色發展指數應該再加上產業材料消耗和產業環境影響等因素。由于產業單位產值材料消耗的沒有相應完整的統計數據，環境質量水平包含內容很多，無法獲得單一的量化數據，所以產業綠色發展指數只考慮能耗、水耗和地耗三大因素。可以根據當地實際情況選取這3個因素各自不同的權重系數，也可以平均分配各占三分之一權重。

1）在計算產業單位產值地耗、能耗和水耗時，可以依據下述文件和標準確定指數基準線：

國土資發〔2008〕24號，關于發布和實施《工業項目建設用地控制指標》的通知

上海產業用地指南（2016版）工業和信息化部，全國工業能效指南（2014版）上海產業結構調整負面清單及能效指南（2014版）

GB/T 50878-2013 綠色工業建筑評價標準

綠色工業建筑評價導則

國發［2012］3號，關于實行最嚴格水資源管理制度的意貝

工業和信息化部等，重點工業行業用水效率指南（2013）

2）可根據下式將單位產值地耗、能耗和水耗無量綱化：

式中，C： 產業的資源消耗（地耗/能耗/水耗）；Cmin： 所有產業中最小資源消耗（地耗/能耗/水耗）；Cmax： 所有產業中最大資源消耗（地耗/能耗/水耗）。

如果出現三個C=Cmin的極端情況，此時會出現產業綠色發展指數分母為零的情況，就可以不用再繼續評估下去，被評估的該產業一定是最好的產業。

當然，評價園區產業結構，除了綠色指數還應該考量其經濟性。可以用土地投入產出比、產業區位商等指標來衡量，此處不再贅述。

5 綠色產業園區的能源微網

圖1 綠色產業園區能源微網示意圖

熱力系統和信息系統的能源微網。由于熱力系統輸運損耗大、距離不能過長、輸送速度低、雙向傳輸難度大，所以需要做更細致的研究，充分利用能源互聯網的優勢。

圖1中簡單繪出了園區能源微網的流程圖。園區的電力，來自城市公用電網、現場熱電聯產發電機組，以及現場可再生能源發電。在有工藝過程高品位熱需求的園區，熱電聯產機組宜選用燃氣輪機，其產熱通過余熱鍋爐轉化為蒸汽。一部分供工藝需求，也可以有一部分用來驅動蒸汽離心式熱泵，為建筑供冷供熱。其發出的電力并入園區電網，與市政電力和可再生能源發電一起，為各建筑或建筑群附近的水源熱泵直供電。水源熱泵為各建筑或建筑群供冷供熱和蓄冷蓄熱。水源熱泵的熱源/熱匯則來自于能源總線。

園區能源微網有3個層次。

（1）核心層：以光伏、小型風電、燃料電池、利用天然氣或生物質氣的小型熱電聯產系統等現場發電（On Site Generation）系統為核心。這些現能源微網的前身是智能電網（Smart Grid）。所謂智能電網，是現代化的電力網，利用信息和通信技術（ICT）收集和處理供應側和需求側的信息，自動地提高電力生產和輸配的效率、可靠性、經濟性和可持續性［6］。即智能電網是傳統電力網與現代信息網的兩網融合。正因為能源微網派生自智能電網，所以也造成了一個錯覺，即能源微網就是電力互聯網。因為電力傳輸具備低損耗和雙向傳輸可能性的特性，所以能源微網也把電網作為其主干網。這在城市、地區，甚至跨國層面都沒有問題。而從園區角度，則還要增加承擔供冷供熱功能智能熱力網（Smart Thermal Grid）），成為電力網、信息網和熱力網的三網融合。在綠色產業園區層面，要構建的是綜合了電力系統、場發電系統，可以集中在一個或多個能源站內，也可以分散在各幢建筑中。

（2）框架層：以連接核心層各種發電裝置的微電網、分布式熱泵、集成各種低品位熱源/熱匯的能源總線、蓄冷蓄熱和儲電設施為框架。核心層、框架層和用戶之間，熱泵作為重要的聯系紐帶。能源總線所集成的熱源/熱匯可以來自于太陽能、土壤、地表水、污水，也可以來自于熱源塔、空氣換熱和工藝過程排出的已經沒有其它利用價值的低溫廢熱和乏熱，即所謂低品位的可再生熱源或未利用能源（Untapped Energy）。

（3）管理層：以網絡技術、物聯網技術、云技術等信息通信技術為支撐，對園區能源系統進行雙向管理，這種管理本質上是一種能源服務。

能源總線是整合城區中不同空間分布的可再生熱源的環狀或枝狀管網。例如，土壤源熱泵適于埋管的土地位置分散、地表水源熱泵的河流或湖泊位于園區的一隅、污水處理廠距離核心區比較遠、系統需要有輔助的冷卻塔或熱源塔等。以致各二級開發的土地范圍內不一定有可利用的可再生熱源資源，單體建筑想要利用這些資源變得十分困難。能源總線將這些資源作為公共基礎設施，使整個園區能夠分享資源。

能源總線聯接分布式熱泵，將高效水源熱泵安裝在貼近用戶的位置或建筑群中間，減少了對區域能源系統能效影響最大的供冷供熱管道長度，適合采用小容量的、安裝靈活的模塊化機組。如磁浮離心機可以做成集裝箱式，在露天公共用地中安裝，用快速接管與空調樓內水系統聯接，即插即用，無人值守，成為類似移動通信基站或箱式變壓器那樣的公共設施。

能源微網充分利用了電能傳輸的優勢，盡量縮短了熱力管網輸送距離，特別是可以將供冷管網輸送半徑控制在400m以下，轉而用能源總線輸送對熱損失不那么敏感的熱源/熱匯水，系統總體能效非常高。但因為設備分散，對系統的管理和維護都提出了更高要求，必須要有先進的能源管理系統，實現設備無人值守。

6 結語

建設綠色產業園區，是上海市在經濟轉型時期重要的發展戰略之一。產業園區的綠色，一是體現在土地的集約高效利用，二是體現在能源利用的低碳節能。因此，綠色產業園區應該有基于末端節能的需求側能源規劃，綜合產業節能、建筑節能、能源的有效利用和梯級利用，使節能成為煤炭、石油、天然氣、核能和可再生能源之外的第六大資源［7］。

［1］ UNEP，Tools and Methods for Integrated Resource Planning，November， 1997

［2］ 張改景，龍惟定，城區建筑能源規劃中資源潛力分析方法，西安建筑科技大學學報，第42卷第5期，2010年10月

［3］ 轉引自36大數據網站：王鵬、郝新華、謝力唯，大數據論證：你的上班路為何會變成漫長取經路？（北京）http：//www.36dsj.com/ archives/34177

［4］ International Energy Agency， Renewable Energy Medium-term Market Report 2013

［5］ 百度百科，http：//baike.baidu.com/view/54093.htm

［6］ 維基百科，http：//en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid

［7］ 龍惟定，白瑋，城區需求側能源規劃和能源微網技術，中國建筑工業出版社，2016年9月出版

節能信息與動態

長寧區2016年鍋爐能效測試任務全面完成

為加強高耗能特種設備節能監管，進一步提高節能綜合管理水平，2016年，長寧區市場監管局委托市特檢院依據相關規定和標準，采用鍋爐運行工況熱效率測試方法，對凌空SOHO、上海虹橋迎賓館等13家單位的在用鍋爐進行能效測試。經測試，均全部達標，圓滿完成2016年鍋爐能效測試任務。

下一步，長寧區市場監管局將聯合區環保局等相關職能部門開展上海市達標鍋爐房評選，推進鍋爐使用單位做好安全、經濟、環保管理工作，提升鍋爐系統運行水平。

（長寧區）

Demand Sie Energy Planning of Green Industry Park

Long Weiding Tongji University

Constructing green industry park has become one of Shanghai important development strategy during new period. The article introduces basic idea of industry park demand side energy planning and six steps of demand side energy planning. It focuses on introducing key performance index setting， such as industry green development index and energy consumption elasticitycoefficient per land during planning goal setting. It also puts forward energy grid solution based on industry park development characteristics.

Green Industry Park， Demand Side Energy Planning， Industry Green Development Index， Energy Consumption Elasticity Coefficient per Land， Energy Grid

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.10.002

龍惟定：（1946- ），男，同濟大學高密度區域智能城鎮化協同創新中心特聘教授，博士生導師。