區(qū)域能源站負(fù)荷預(yù)測(cè)方法

王曉飛，喻偉，孟沖，2

（1重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045；2中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013）

區(qū)域能源站負(fù)荷預(yù)測(cè)方法

王曉飛1，喻偉1，孟沖1，2

（1重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045；2中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013）

為了經(jīng)濟(jì)合理地配置能源站設(shè)計(jì)規(guī)模和減少區(qū)域內(nèi)建筑冷、熱源的能源消耗與碳排放，預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷成為區(qū)域能源站規(guī)劃的重中之重。該文描述了區(qū)域能源站各種能源需求的預(yù)測(cè)方法，以及預(yù)測(cè)所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定方法，結(jié)合某新區(qū)的能源需求預(yù)測(cè)進(jìn)行了示例分析。對(duì)區(qū)域能源站不同類型負(fù)荷的合理預(yù)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)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(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，使規(guī)劃設(shè)計(jì)更加合理，有利于提高能源站的運(yùn)行效率。

區(qū)域能源站；負(fù)荷預(yù)測(cè)；能源規(guī)劃；建筑能耗；建筑冷熱負(fù)荷；負(fù)荷計(jì)算

0 引言

在區(qū)域能源規(guī)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(nèi)擾變化規(guī)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(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料獲得負(fù)荷指標(biāo)，從而對(duì)區(qū)域能源需求做出預(yù)測(cè)[1]。

1 能源需求與負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)

區(qū)域能源需求分析預(yù)測(cè)是區(qū)域能源規(guī)劃的先決條件，只有充分掌握區(qū)域內(nèi)全年的各類能源需求，才能為能源規(guī)劃和方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 能耗需求和負(fù)荷預(yù)測(cè)的種類

區(qū)域可再生能源使用的基數(shù)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(yè)金融建筑、社區(qū)中心、文化娛樂(lè)建筑、醫(yī)療建筑、小學(xué)托幼、中學(xué)等）、產(chǎn)業(yè)用能（產(chǎn)業(yè)建筑用能、產(chǎn)業(yè)用燃?xì)?、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(tài)城的能耗需求主要為電力、熱力、燃油、燃?xì)?。從能耗需求類型分，生態(tài)城的能耗需求主要為采暖空調(diào)用熱，生活熱水用熱，空調(diào)用電，市政、電器、辦公設(shè)備等其他用電，炊事等。表1列出了各項(xiàng)用能的詳細(xì)內(nèi)容和層次關(guān)系。

表1 能源需求測(cè)算對(duì)象詳細(xì)內(nèi)容

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

區(qū)域內(nèi)負(fù)荷預(yù)測(cè)主要包括規(guī)劃區(qū)域內(nèi)冷、熱、電等方面負(fù)荷預(yù)測(cè)。

1.2 能耗需求和負(fù)荷預(yù)測(cè)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

進(jìn)行區(qū)域能耗需求和負(fù)荷預(yù)測(cè)必須確定預(yù)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在符合區(qū)域總體規(guī)劃、城市定位和用能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，終端能耗和負(fù)荷預(yù)測(cè)采用了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、能耗統(tǒng)計(jì)和模擬計(jì)算相結(jié)合的方法。對(duì)分類、分項(xiàng)和分級(jí)的能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。所采用的數(shù)據(jù)的來(lái)源主要包括：（1）總體規(guī)劃和各專項(xiàng)規(guī)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（2）正式出版的國(guó)家和地方節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)措施、技術(shù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)；（3）類似地區(qū)、城市的能耗統(tǒng)計(jì)和調(diào)研數(shù)據(jù)；（4）模擬計(jì)算數(shù)據(jù)；（5）國(guó)外相關(guān)能耗統(tǒng)計(jì)指標(biāo)；（6）規(guī)劃區(qū)域指標(biāo)體系和實(shí)施模式及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

模擬計(jì)算獲取能耗指標(biāo)方法依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家和地方建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建建筑，并按節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定[2]與能耗相關(guān)的建筑使用條件，采用軟件或根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷指標(biāo)計(jì)算全年能耗。該方法符合國(guó)家和地方現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)具有很好的適用性。該方法設(shè)定的使用條件具有廣泛代表性，因此能耗計(jì)算結(jié)果適合于作為區(qū)域或城市規(guī)劃依據(jù)。

1.3 能耗需求和負(fù)荷預(yù)測(cè)的關(guān)鍵因素[3]

負(fù)荷預(yù)測(cè)首先要明確規(guī)劃區(qū)域的特點(diǎn)，并對(duì)這些特點(diǎn)進(jìn)行完整的定性描述。然后按照定性描述所構(gòu)筑的框架，對(duì)一些關(guān)聯(lián)因素設(shè)定量化目標(biāo)。對(duì)于區(qū)域建筑冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)來(lái)說(shuō)，需要設(shè)定的參數(shù)包括：人口密度、建筑朝向、體形參數(shù)、占地面積等。通過(guò)相關(guān)參數(shù)的量化，對(duì)參數(shù)進(jìn)行組合分析，即可得到不同組合類型的建筑冷熱負(fù)荷和建筑能耗。

1.3.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)發(fā)展?fàn)顩r

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于建筑冷熱負(fù)荷的影響是緩慢的。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人們的生活水平提高，對(duì)建筑環(huán)境的要求相應(yīng)提高，這就會(huì)造成建筑室內(nèi)冬季溫度上升，通風(fēng)量的增加。

對(duì)該因素的預(yù)測(cè)和分析，通常是按照我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略部署，比如國(guó)家及地方的短期或中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要。結(jié)合現(xiàn)階段的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃綱要，對(duì)未來(lái)的GDP及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的比重做出科學(xué)預(yù)測(cè)。

1.3.2 人口密度

人員負(fù)荷是影響建筑冷熱負(fù)荷的重要因素，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人口發(fā)展規(guī)模就顯得尤為重要。

在我國(guó)區(qū)域規(guī)劃過(guò)程中通常采用勞動(dòng)平衡法對(duì)人口規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)“按一定比例分配社會(huì)勞動(dòng)”的基本原理和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)發(fā)展規(guī)劃，以國(guó)民經(jīng)濟(jì)計(jì)劃的基本人口數(shù)和勞動(dòng)構(gòu)成比例的平衡關(guān)系確定城市人口規(guī)模。該方法將城市人口分成3類：基本人口、服務(wù)人口和被撫養(yǎng)人口，3類人口間存在著客觀的比例關(guān)系。

注：被撫養(yǎng)人口比重可用分析居民年齡構(gòu)成的方法確定；服務(wù)人口比重按照城市居民生活水平、城市的規(guī)模、作用和特點(diǎn)確定。

人口密度的預(yù)測(cè)也可以按照城市化進(jìn)程的速度來(lái)分析。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部提出的相關(guān)住房標(biāo)準(zhǔn)，換算為人均住宅建筑面積，然后根據(jù)規(guī)劃區(qū)域的建筑面積，預(yù)測(cè)未來(lái)規(guī)劃區(qū)域的人口密度。需要注意的是在對(duì)冷熱負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，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(guī)劃階段，只有詳細(xì)了解區(qū)域建筑形式，才能更詳細(xì)的計(jì)算建筑冷熱負(fù)荷。決定建筑形式的控制指標(biāo)有容積率、建筑密度、建筑控制高度和建筑體量等參數(shù)。

常見(jiàn)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(guī)則建筑等。建筑形狀的確定通過(guò)對(duì)規(guī)劃區(qū)域所在城市的建筑形狀進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，得到區(qū)域內(nèi)幾種建筑類型的組成比例。

在對(duì)區(qū)域建筑進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)，同樣需要考慮建筑朝向?qū)ω?fù)荷的影響。表2為推薦的居住建筑朝向。區(qū)域建筑朝向可根據(jù)規(guī)劃區(qū)域平面圖進(jìn)行設(shè)置。

表2 我國(guó)部分地區(qū)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(shù)。建筑體形系數(shù)參數(shù)可以參考 《共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005）、《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134-2010）中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定范圍。

對(duì)區(qū)域建筑不同參數(shù)進(jìn)行量化，通過(guò)不同參數(shù)的不同組合，利用模擬軟件得到區(qū)域建筑的負(fù)荷。

2 能源需求與負(fù)荷預(yù)測(cè)的方法

2.1 居住建筑冷熱負(fù)荷計(jì)算

規(guī)劃區(qū)居住建筑類型按用地性質(zhì)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(fù)荷差別較大，計(jì)算地塊總負(fù)荷需要考慮居住用地中兩類建筑比例。

如圖1所示，根據(jù)用地性質(zhì)、限高、建筑體形等指標(biāo)，建立典型居住建筑負(fù)荷計(jì)算模型，利用DEST模擬軟件對(duì)建筑的全年室內(nèi)動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行模擬，得到采暖空調(diào)的負(fù)荷指標(biāo)；同時(shí)對(duì)建筑的采暖空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比確定出居住建筑單位負(fù)荷指標(biāo)，確定同時(shí)使用系數(shù)[4]。另一方面根據(jù)地塊建筑面積、凈用地面積、建筑密度等參數(shù)，確定出各類居住建筑的面積。結(jié)合居住建筑單位負(fù)荷指標(biāo)和面積，以及同時(shí)使用系數(shù)，得出各地塊居住建筑冷熱總負(fù)荷。

圖1 居住建筑冷熱負(fù)荷計(jì)算方法流程示意圖

圖2 公共建筑冷熱負(fù)荷計(jì)算方法流程示意圖

2.2 公共建筑冷熱負(fù)荷計(jì)算

由于處于規(guī)劃階段，公共建筑只能按用地性質(zhì)分類：教育科研設(shè)施用地，旅館業(yè)用地，商業(yè)金融業(yè)用地，文化娛樂(lè)用地，體育用地，公共設(shè)施用地。按不同地塊性質(zhì)采用三種負(fù)荷計(jì)算方法[5]：

（1）建筑模型計(jì)算法：商業(yè)金融業(yè)用地，旅館業(yè)用地，文化娛樂(lè)用地。

與居住建筑類似，此處不再贅述。

（2）地塊模型指標(biāo)法：教育科研設(shè)施用地。根據(jù)國(guó)家建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合規(guī)劃區(qū)域的實(shí)際項(xiàng)目功能定位和控規(guī)指標(biāo)，確定規(guī)劃區(qū)域的不同類型建筑比例；查閱相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定各類建筑經(jīng)驗(yàn)負(fù)荷指標(biāo)；對(duì)該規(guī)劃區(qū)域所在地區(qū)的典型項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)。通過(guò)以上三個(gè)影響因素的研究和分析，建立地塊模型指標(biāo)法的計(jì)算模型。另一方面，參考同類建筑的運(yùn)行規(guī)律和最大負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)段的經(jīng)驗(yàn)，確定同時(shí)使用系數(shù)。根據(jù)計(jì)算模型和同時(shí)使用系數(shù)，確定各地塊建筑冷熱總負(fù)荷。

（3）經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)法：公共設(shè)施用地建筑，體育用地建筑，文化娛樂(lè)用地(博物館)。

對(duì)于公共設(shè)施用地建筑，如博物館，體育館等建筑，可查閱相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，確定該地區(qū)不同類型建筑的經(jīng)驗(yàn)負(fù)荷指標(biāo)、同時(shí)使用系數(shù)和規(guī)劃面積，計(jì)算各地塊建筑冷熱總負(fù)荷。

2.3 生活熱水負(fù)荷計(jì)算

生活熱水用熱量按照公式(1)計(jì)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(fù)荷按照公式(2)計(jì)算：

式中：

Qh—設(shè)計(jì)小時(shí)秒耗熱量，kW；

Qw—最高日生活熱水耗熱量，kJ；

Td—熱水使用時(shí)間；

Kh—熱水小時(shí)變化系數(shù)；

設(shè)計(jì)日用水定額根據(jù)不同功能用地參照規(guī)范取值；設(shè)計(jì)熱水溫度：60℃，設(shè)計(jì)冷水溫度：17℃，水的比熱容取4.187kJ/（kg·℃），小時(shí)變化系數(shù)根據(jù)規(guī)范按插值法取值[6]。

2.4 電負(fù)荷計(jì)算

式中：

Qe—建筑用電負(fù)荷，kW；

q—用電指標(biāo)，W/m2；

S—建筑面積，m2；

規(guī)劃區(qū)用電負(fù)荷的預(yù)測(cè)可采用不同性質(zhì)建設(shè)用地用電負(fù)荷預(yù)測(cè)法、人均綜合用電量法等方法預(yù)測(cè)用電負(fù)荷，考慮規(guī)劃區(qū)主要功能區(qū)建設(shè)用地已經(jīng)確定的實(shí)際情況，用電負(fù)荷預(yù)測(cè)可采用不同性質(zhì)建設(shè)用地用電負(fù)荷預(yù)測(cè)法對(duì)規(guī)劃區(qū)用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.5 氣負(fù)荷計(jì)算

居民耗熱定額是確定居民用氣量的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性和可靠性決定了城市居民用氣量計(jì)算及預(yù)測(cè)的準(zhǔn)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(xí)慣、社會(huì)上主副食品的成品、半成品供應(yīng)情況、燃?xì)庥镁叩呐渲们闆r、氣候條件、熱水供應(yīng)等。居民用氣主要用于三方面，炊事、飲用開(kāi)水、生活熱水（淋浴洗澡、熱水供應(yīng)）等。一般公建商業(yè)用戶主要指賓館、飯店、餐飲業(yè)、洗浴業(yè)、機(jī)關(guān)學(xué)校、企事業(yè)單位、醫(yī)院、托幼等機(jī)構(gòu)。其耗熱主要適用于的炊事、熱水供應(yīng)等。

文獻(xiàn)[7]給出了典型商業(yè)用戶用氣量指標(biāo)，根據(jù)不同類型建筑的用氣量指標(biāo)，結(jié)合同時(shí)使用系數(shù)，可計(jì)算出規(guī)劃區(qū)域的用氣負(fù)荷。

3 結(jié)論

區(qū)域能源需求分析預(yù)測(cè)是區(qū)域能源規(guī)劃的先決條件，只有在充分掌握區(qū)域內(nèi)全年的各類能源需求，才能為能源規(guī)劃和系統(tǒng)冷熱源方案的設(shè)計(jì)選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從能源的種類分，區(qū)域能源站的能耗需求主要為電力、熱力、燃油（燃?xì)猓?；從能耗需求類型分，區(qū)域能源站的能耗需求主要為采暖空調(diào)用熱，生活熱水用熱，空調(diào)用電，市政、電器、辦公設(shè)備等其他用電，炊事等。

本文介紹了區(qū)域能源各種負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法，通過(guò)對(duì)區(qū)域能源站不同類型負(fù)荷的合理預(yù)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)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(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，使規(guī)劃設(shè)計(jì)更加合理，有利于提高能源站的運(yùn)行效率。

[1]馬藝然,區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè) [J].區(qū)域供熱,2013（4）:70-73.

[2]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ134-2010夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]龍惟定，白林，范蕊.低碳城市的區(qū)域建筑能源規(guī)劃[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]雷婭蓉.重慶市居住建筑能耗預(yù)測(cè)方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[5]孫冬梅.公共建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[6]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施：給水排水[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[7]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施：暖通空調(diào)、動(dòng)力[M].北京：中國(guó)計(jì)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(guó)家科技支撐計(jì)劃課題2013BAJ03B05；中央高校項(xiàng)目CDJZR12 210012。

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.066

2014-05-09

王曉飛（1990-），男，河南洛陽(yáng)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