多目標(biāo)規(guī)劃方法在綠色社區(qū)能源規(guī)劃中的應(yīng)用

文_祝一波 張改

1.江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技發(fā)展中心 2.江蘇智通交通科技有限公司

綠色社區(qū)能源規(guī)劃旨在社區(qū)或成片建筑開發(fā)之初，對(duì)建筑能源系統(tǒng)進(jìn)行合理配置。目前，通常采用綜合資源規(guī)劃方法進(jìn)行，其核心在于將供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)的資源合理組合以達(dá)到控制目標(biāo)。該方法側(cè)重于宏觀層面，可保證社區(qū)能源供需的總體平衡，但缺乏空間尺度的分析，不能從具體地塊層面指導(dǎo)建筑能源系統(tǒng)配置。在綠色社區(qū)能源規(guī)劃中，通過(guò)引入多目標(biāo)規(guī)劃方法，可明確規(guī)劃社區(qū)的能源結(jié)構(gòu)、不同建筑用能需求，從而指導(dǎo)社區(qū)內(nèi)的建筑能源系統(tǒng)配置。

1 綠色社區(qū)建筑能源系統(tǒng)特征

綠色社區(qū)建筑能源系統(tǒng)主要是由電力、天然氣等常規(guī)能源，以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗瑥哪茉促Y源的轉(zhuǎn)換、分配到最終消耗的各個(gè)環(huán)節(jié)所組成的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)意義上的能源系統(tǒng)的差異在于，其消耗環(huán)節(jié)主要分為采暖空調(diào)消耗、生活熱水消耗、生活炊事消耗、室內(nèi)照明消耗、電器設(shè)備插座消耗、動(dòng)力設(shè)備消耗、特殊用電消耗等終端用能子系統(tǒng)。

2 多目標(biāo)規(guī)劃方法應(yīng)用

2.1 求解思路

以能源消耗總量最低為首要目標(biāo)，以各地塊的技術(shù)性指標(biāo)（技術(shù)水平與現(xiàn)實(shí)條件制約下的能源資源利用能力）、環(huán)境影響指標(biāo)（碳排放、污染物排放等）、能源消耗結(jié)構(gòu)（建筑用能子系統(tǒng)能耗比例）等作為約束條件，通過(guò)多目標(biāo)規(guī)劃方法確定各地塊采暖空調(diào)、生活熱水、室內(nèi)照明等建筑用能子系統(tǒng)的能源消耗目標(biāo)。多目規(guī)劃方法求解流程如圖1所示。

圖1 多目標(biāo)規(guī)劃方法求解流程

2.2 模型建立

2.2.1 能流網(wǎng)絡(luò)圖

在建立多目標(biāo)規(guī)劃模型前，通過(guò)繪制區(qū)域建筑能源系統(tǒng)能流網(wǎng)絡(luò)圖，梳理規(guī)劃社區(qū)建筑能源系統(tǒng)類別。 能流網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

2.2.2 確定目標(biāo)函數(shù)

以終端用能子系統(tǒng)耗能量作為決策變量，綜合考慮能源、環(huán)境因素，以能源消耗總量最低、生態(tài)環(huán)境代價(jià)最低為目標(biāo)，建立多目標(biāo)規(guī)劃模型。

（1）能源消耗總量

各能源品種消耗量之間以噸標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行換算，能消耗總量目標(biāo)函數(shù)為：

（2）CO2排放量

以能源系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2排放量最低作為環(huán)境控制目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)：

2.2.3 確定約束條件

（1）能源消耗總量約束

考慮能源供應(yīng)量的約束，各終端用能子系統(tǒng)的實(shí)際能源消費(fèi)總量不能超過(guò)其供給限度或期望的能耗上限。

（2）能源需求總量約束

終端用能子系統(tǒng)的能源消耗總量應(yīng)滿足最低用能需求。

（3）生態(tài)環(huán)境約束

生態(tài)環(huán)境約束指標(biāo)中主要考慮CO2以及SO2的排放限制。

（4）能源結(jié)構(gòu)約束

此項(xiàng)內(nèi)容是確定各類終端用能子系統(tǒng)能源消耗量的重要因素，根據(jù)當(dāng)前技術(shù)水平下不同建筑類型的用能結(jié)構(gòu)，規(guī)定規(guī)劃社區(qū)在目標(biāo)年內(nèi)各終端用能子系統(tǒng)的能源消耗量區(qū)間范圍，約束限制方程為：

（5）非負(fù)約束

圖2 能流網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2.4 建立數(shù)學(xué)模型

綜合考慮規(guī)劃社區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略及資源稟賦，賦予能源消耗總量目標(biāo)優(yōu)先因子p1，賦予生態(tài)環(huán)境目標(biāo)優(yōu)先因子p2。同時(shí)引入正負(fù)偏差變量，建立數(shù)學(xué)模型如下：

3 案例分析

3.1 規(guī)劃區(qū)域概況

以江蘇某新區(qū)為具體研究對(duì)象，對(duì)規(guī)劃區(qū)域4.94平方公里用地，約741.93萬(wàn)平方米的民用建筑進(jìn)行建筑能源規(guī)劃。規(guī)劃區(qū)域內(nèi)建筑類型主要為住宅建筑，此外還有部分辦公建筑、商業(yè)建筑、科教文衛(wèi)建筑等公共建筑，無(wú)工業(yè)建筑。規(guī)劃區(qū)域的整體用地規(guī)劃指標(biāo)包括各地塊建筑類型、建筑容積率、建筑面積、建筑密度等，根據(jù)規(guī)劃區(qū)域控制性詳細(xì)規(guī)劃確定。同時(shí)，根據(jù)規(guī)劃區(qū)域的空間分布特性，對(duì)各地塊進(jìn)行編號(hào)。

3.2 多目標(biāo)規(guī)劃方法在綠色社區(qū)能源規(guī)劃中的應(yīng)用

3.2.1 確定決策變量及模型參數(shù)

在建立多目標(biāo)規(guī)劃模型前，合理準(zhǔn)確地確定模型所需要的各項(xiàng)參數(shù)，是對(duì)模型求解的基礎(chǔ)。根據(jù)規(guī)劃區(qū)域氣候條件和不同建筑功能類型，確定規(guī)劃目標(biāo)年建筑能源終端用能子系統(tǒng)的模型參數(shù)。此外，根據(jù)規(guī)劃區(qū)域的低碳發(fā)展戰(zhàn)略理念，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)相同氣候區(qū)域、同等發(fā)達(dá)水平區(qū)域建筑物全年單位面積能耗值及污染物排放水平，設(shè)定規(guī)劃區(qū)域的建筑能耗和污染物排放量的基準(zhǔn)線。

3.2.2 求解多目標(biāo)規(guī)劃模型

綜合考慮住宅建筑、公共建筑等不同功能建筑的終端能耗形式，即采暖空調(diào)、生活熱水、炊事、設(shè)備插座、照明、動(dòng)力等子系統(tǒng)。能耗分類由規(guī)劃區(qū)域各地塊能源資源條件決定，主要有電力、天然氣、可再生能源等。建立多目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，將決策變量帶入模型并求解模型，因篇幅有限，表1列出了幾類主要功能地塊的求解結(jié)果。

表1 多目標(biāo)規(guī)劃模型部分地塊求解結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）綠色社區(qū)能源規(guī)劃應(yīng)充分考慮規(guī)劃社區(qū)的空間分布特性，根據(jù)不同地塊的建筑類型與資源稟賦差異，建立能源系統(tǒng)能流網(wǎng)絡(luò)圖，從而有針對(duì)性的開展建筑能源規(guī)劃。

（2）在綠色社區(qū)能源規(guī)劃中引入多目標(biāo)規(guī)劃方法，可確定規(guī)劃社區(qū)建筑中不同終端用能子系統(tǒng)的能耗控制值，從而優(yōu)化建筑能源系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)建筑能源系統(tǒng)配置。