既有城市工業(yè)區(qū)改造的能源高效利用及能流-碳流圖分析

胡藝萌，張改景，安 宇（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 201108）

1 研究背景

隨著我國進入城市化不斷推進的階段，城市化進程中充滿了機遇與挑戰(zhàn)。由于城市規(guī)劃后土地功能方向地轉(zhuǎn)變，原本位于城市中心的工業(yè)園區(qū)位置逐漸向郊區(qū)偏離。大量既有工業(yè)區(qū)由于規(guī)劃建設的起點不高，園區(qū)建筑功能規(guī)劃不明，用地布局雜亂，阻礙了現(xiàn)代城市化進程，且與城市居民日益提高的環(huán)境健康要求相違背，因此既有城市工業(yè)區(qū)改造已成為當今城市發(fā)展進步的重要推動力。

城市既有工業(yè)區(qū)改造轉(zhuǎn)型的迫切性引起了西方發(fā)達國家的重視，歐美國家的舊工業(yè)區(qū)改造與功能更新模式逐漸改變，早期的“大拆大建”政策也被調(diào)整為以適應性及再利用為主要目標。2010 年，我國為推進全國既有工業(yè)園區(qū)改造，制定了《全國老工業(yè)基地調(diào)整改造規(guī)劃（2013-2022年）》；2014 年發(fā)布《國務院辦公廳關(guān)于推進城區(qū)老工業(yè)區(qū)搬遷改造的指導意見》《國家發(fā)展改革委關(guān)于做好城區(qū)老工業(yè)區(qū)搬遷改造試點工作的通知》，從而推進全國既有工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃改造。

目前，既有城市工業(yè)區(qū)普遍存在能源浪費現(xiàn)象，如供熱系統(tǒng)缺乏整體規(guī)劃、缺乏實時動態(tài)用能調(diào)控機制、余熱未利用等。在“節(jié)能減排”的時代背景下，為實現(xiàn)既有城市工業(yè)區(qū)的高效改造發(fā)展目標，能源的高效利用是當前必須解決的關(guān)鍵問題。

德國柏林牧場工業(yè)區(qū)在改造過程中，采用組合式采暖供電形式，使用發(fā)電余熱供暖；改變能源利用形式，拆除老舊住、庫房屋頂，裝配太陽能光伏電池板，建筑日常運營耗電量明顯減少。另外，配備智能調(diào)控系統(tǒng)，以保證相關(guān)降低能耗措施的管理和運行，減少建筑總體年能耗。廣東省廣州市明珠工業(yè)園示范區(qū)的綜合能源系統(tǒng)在滿足用戶用能需求的前提下，針對園區(qū)企業(yè)生產(chǎn)線負荷特性，引入壓差發(fā)電、熱能梯級利用、余熱回收、空調(diào)節(jié)能改造等措施。在此基礎(chǔ)上，園區(qū)還建立了一套多能協(xié)同的智能調(diào)度系統(tǒng)，充分消納光伏發(fā)電和天然氣冷熱電三聯(lián)供等清潔能源，幫助實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)的高效能源利用發(fā)展目標。

針對既有城市工業(yè)區(qū)改造過程中存在的能源利用問題，本文通過對園區(qū)負荷平準化和多能互補規(guī)劃方法的研究，探究既有城市工業(yè)區(qū)改造的能源高校利用方法。同時繪制分析既有城市工業(yè)區(qū)的能流-碳流圖，為能源改造的進程提供技術(shù)支撐，以優(yōu)化改造后園區(qū)的能源結(jié)構(gòu)配置，從而實現(xiàn)既有城市工業(yè)區(qū)功能轉(zhuǎn)型改造的節(jié)能減排目標。

2 既有城市工業(yè)區(qū)改造的能源高效利用

2.1 負荷平準化規(guī)劃方法

在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的進程中，我國很多既有工業(yè)區(qū)都在大力發(fā)展先進的服務業(yè)和制造業(yè)。工業(yè)化初期階段的高溫、高壓、高品位能源需求逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏?、低壓、低品位能源需求，保障建筑環(huán)境的照明、供暖、供冷和供熱水成為能源的主要作用。為實現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)改造的節(jié)能減排目標，應推進供應側(cè)能源規(guī)劃到需求側(cè)能源規(guī)劃（Demand Side Management）的轉(zhuǎn)變發(fā)展。

園區(qū)建筑群負荷預測既是既有工業(yè)區(qū)改造能源規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是規(guī)劃園區(qū)改造建筑用能、配置能源系統(tǒng)及設備型號、計算碳排放等工作的前提，會顯著影響既有工業(yè)園區(qū)改造后的能源系統(tǒng)的運行能效。能源的更高使用效率可以通過最優(yōu)化不同功能狀態(tài)的建筑配比得到，負荷平準化是管理需求側(cè)能源的有效方法。負荷平準化表示園區(qū)負荷的平穩(wěn)程度，其對象包括單棟建筑及整個區(qū)域的負荷。

2.1.1 定義

負荷平準化的評價指標為負荷平準化率。負荷平準化率為平均負荷與最高負荷的比值，用以衡量平均負荷與最高負荷之間的差異程度。在園區(qū)建筑群中，不同類型的建筑使用同一套能源系統(tǒng)可降低負荷峰值，減小能源供應設備的裝機容量。負荷平準化率越大，設備的利用率越大，系統(tǒng)運行越高效平穩(wěn)。計算公式如式（1）所示。

式中：r1為負荷平準化率，100%；

Lmean為 24 h 逐時負荷的最大值，W/m2；

Lmax為 24 h 逐時負荷的平均值，W/m2。

不同功能建筑的混合配比會對園區(qū)建筑群的逐時冷熱電負荷和總負荷產(chǎn)生影響，從而影響能源系統(tǒng)的配置和運行效率。不同混合程度的區(qū)域應有不同的負荷平準化率，以期配置的能源系統(tǒng)可在效率高的區(qū)間使用，提高能源利用率，降低能耗。

2.1.2 技術(shù)分析

作為能源需求側(cè)管理的一種有效手段，負荷平準化規(guī)劃方法不僅可滿足園區(qū)改造后建筑功能多樣化要求，同時又可使園區(qū)建筑整體用能更加高效，以實現(xiàn)既有城市工業(yè)區(qū)改造的環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標。

對劉海靜等人研究的辦公屬性為主的某商務區(qū)進行情景分析，將辦公建筑面積占總混合功能建筑區(qū)域比例設為0.5，商店建筑與酒店建筑總共占比 0.5。商店建筑占比變化為 0～0.5，酒店建筑占比也隨之從 0.5 降低為 0。分析 9種不同建筑功能配比模式，具體情況如表 1 所示。

表 1 建筑功能配比

模擬計算具體某一建筑功能面積的逐時負荷，結(jié)合 9 種建筑功能配比，得到混合建筑功能區(qū)域的單位面積逐時負荷，通過公式（1）計算出 9 種情景的混合建筑功能區(qū)域負荷平準化率。具體情況如表 2 所示。

表 2 不同情景的負荷平準化率 %

由表可知以下內(nèi)容。① 模式 1、2、9 的冷、熱負荷平準化率均較高。② 模式 2、3、4 電負荷平準化率較高。因此，在此混合功能的建筑群中冷、熱、電負荷平準化率都較高的是情景 2，對應辦公/商店/酒店建筑的配比為 0.5: 0.1:0.4。

此外，有研究表明，相比功能單一的辦公和居住建筑，兼有辦公和居住功能的 SOHO 建筑有更高的負荷平準化率，即更高的能源設備利用率，其月能源節(jié)約率為27.5%～63.1%。

綜合以上研究案例可知，在既有工業(yè)區(qū)里，不同功能的建筑其負荷高峰出現(xiàn)時段不一樣。區(qū)域能源系統(tǒng)應充分利用負荷的同時系數(shù)和參差率，使總負荷平準化，削平總負荷峰值，降低裝機量的總功率，節(jié)約初投資。

2.2 多能互補功能規(guī)劃方法

在既有工業(yè)區(qū)改造過程中，需要注重減少建筑改造和使用過程中的能量消耗?；谠鲂Ш蜏p碳雙控的多能互補功能規(guī)劃方法有助于提升能源系統(tǒng)的綜合利用效率，緩解能源供需矛盾，從而實現(xiàn)環(huán)境保護和生態(tài)低碳目。

2.2.1 定義

多能互補是一種能源政策，旨在按照不同資源條件和用能對象，采取多種能源互相補充，以緩解能源供需矛盾，合理保護自然資源，促進生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)。根據(jù)《關(guān)于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設的實施意見》，多能互補的工程分為以下兩類。

（1）用戶側(cè)多能互補。面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，優(yōu)化布局建設一體化集成供能基礎(chǔ)設施，實現(xiàn)多能協(xié)同供應和能源綜合梯級利用。此類工程針對用戶側(cè)，主要為天然氣分布式能源，主要為（冷）熱電三聯(lián)供，即以天然氣為主要燃料帶動發(fā)電設備運行，產(chǎn)生的電力供應用戶，發(fā)電后排出的余熱通過余熱回收利用設備向用戶供熱、供冷，大幅提高整個系統(tǒng)的一次能源利用率，實現(xiàn)了能源的梯級利用。

（2）電源側(cè)多能互補。利用大型綜合能源基地風能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優(yōu)勢，推進風光水火儲多能互補系統(tǒng)建設運行。此類工程針對電源側(cè)，互補的形式有“風-風互補”“風-光互補”“水-光（風）互補”“煤電-光（風）互補”及“抽蓄-光（風）互補” 等。

多能互補功能規(guī)劃方法可根據(jù)用戶需求制定能源供應服務，減少能源轉(zhuǎn)換和輸送環(huán)節(jié)，提高能源效率，降低用能成本。中國煤電、水電、風電、太陽能發(fā)電等規(guī)模均為世界前列，多項技術(shù)達到世界領(lǐng)先水平，但在多能互補方面還有很大提升空間。通過多能互補實現(xiàn)能源梯級利用，充分利用化石能源中的能量，以有效提高能源利用效率。由于風電、光伏發(fā)電具有隨機性和波動性，多能互補功能規(guī)劃方法可將風電、光伏發(fā)電與火電、水電協(xié)同運行，并輔以儲能電池、蓄熱裝置，形成與用戶負荷相匹配的能源供應，可有效促進新能源就地消納，減小系統(tǒng)調(diào)峰壓力，改善棄風棄光現(xiàn)象，提高新能源消納率。

2.2.2 技術(shù)分析

對既有城市工業(yè)園區(qū)采取多能互補功能規(guī)劃方法需要考慮以下內(nèi)容。

（1）用能結(jié)構(gòu)。工業(yè)用能和商業(yè)及民用用能的用能結(jié)構(gòu)存在很大區(qū)別，因而用戶的用能需求特點及經(jīng)濟承受能力都應重點衡量。

（2）耦合技術(shù)。多能互補的特點增加了能源供應的復雜性，進而影響園區(qū)內(nèi)系統(tǒng)能源供應的協(xié)調(diào)能力。實現(xiàn)多種能源的互補，需要多種能源的耦合技術(shù)。單一能源系統(tǒng)的效能（30%～37% 左右）低于多種能源混合系統(tǒng)（60% 以上）的效能。但是探究既有工業(yè)區(qū)多種能源的最優(yōu)混合比例才是關(guān)鍵問題。

以江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)為例進行分析，園區(qū)的多能互補集成優(yōu)化示范工程項目包括 2 個天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)中心、3個區(qū)域能源中心、10 個分布式能源系統(tǒng)。園區(qū)針對集中用能區(qū)域開展天然氣分布式熱電冷三聯(lián)供，實現(xiàn)能源梯級利用，能源綜合效率達 70% 左右。為達到多種能源協(xié)調(diào)有序的目標，天然氣分布式能源成為園區(qū)內(nèi)電網(wǎng)、熱網(wǎng)、冷網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的“樞紐”，實現(xiàn)多種能源的轉(zhuǎn)換；儲電、儲熱、儲能和管網(wǎng)系統(tǒng)對能源網(wǎng)的進行削峰填谷，降低用戶的用能成本。

3 既有城市工業(yè)區(qū)改造的能流-碳流圖分析

3.1 能流圖和碳流圖的廣泛應用

能流圖，也稱能源系統(tǒng)網(wǎng)絡圖或系統(tǒng)能流及能源效率圖，是可視化分析既定能源系統(tǒng)能源供需平衡和有效利用程度的工具。能流圖可以直觀、形象地展示一個地區(qū)或國家的能源統(tǒng)計概況，利于不同地區(qū)或國家間的平行對比。

應用能流圖可測量、監(jiān)控、評估系統(tǒng)各環(huán)節(jié)能效水平及影響因素，分析和發(fā)現(xiàn)節(jié)能潛力所在，選擇和確定提供系統(tǒng)能源效率的對策和措施。胡秀蓮編制了“中國 2012 年能流圖”的?；鶊D，有助于系統(tǒng)理清能源系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)間的關(guān)系，從而最優(yōu)化能源系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的技術(shù)措施。

3.2 既有城市工業(yè)區(qū)的能流-碳流圖的繪制

既有城市工業(yè)區(qū)內(nèi)建筑類型改造后要以辦公、商業(yè)、展覽等非工業(yè)生產(chǎn)類建筑為主，研究的范圍包括基礎(chǔ)設施和建筑中各能耗對象。構(gòu)建既有城市工業(yè)區(qū)的能流-碳流圖，從而服務于既有工業(yè)園區(qū)改造規(guī)劃設計、建設等階段，研究既有工業(yè)園區(qū)改造能源能效提升的關(guān)鍵技術(shù)，為園區(qū)能源效率的提升、降低碳排放提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策工具。

國家的能流-碳流圖是以全社會的能源供應消費為研究對象，其分類以體現(xiàn)全社會能源消耗結(jié)構(gòu)的大類為基礎(chǔ)，如分為工業(yè)、民用、交通、市政等。對于既有工業(yè)園區(qū)而言，其社會性質(zhì)較為單一，能源消費對象相對較為具體，因此終端消費分類應更加細化，可分為園區(qū)基礎(chǔ)設施和建筑兩大類。再根據(jù)各類的能源消耗特點進行進一步的分類，如基礎(chǔ)設施可分為能源供應系統(tǒng)，園區(qū)交通、照明、通訊和安防系統(tǒng)設施等；建筑能耗可分為辦公、展覽、商業(yè)等。

通過識別既有城市工業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)型發(fā)展園區(qū)的能流-碳流圖各部分的分析對象，在梳理各部分之間邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，可建立園區(qū)能流-碳流圖的整體框架，如圖 1 所示。

圖 1 既有城市工業(yè)區(qū)能流-碳流圖框架

基于以上的研究基礎(chǔ)探究能流-碳流圖的繪制方法。能流-碳流圖實質(zhì)上是一種?；鶊D (Sankey Diagram)。?；鶊D為了展現(xiàn)數(shù)據(jù)的流動，主要由邊、流量和支點組成，其中邊代表了流動的數(shù)據(jù)，流量代表了流動數(shù)據(jù)的具體數(shù)值，節(jié)點代表了不同分類。邊的寬度與流量成比例地顯示，邊越寬，數(shù)值越大。

?；鶊D制作工具包括專業(yè)的 JS 庫(D 3、Ecgarts、highlight)，主流的數(shù)據(jù)科學編程工具（R、Python等）及自助式 BI 工具（PowerBI、Tableau等）。本次研究使用 OriginPro 2019 工具繪制既有城市工業(yè)區(qū)功能提升的能流-碳流圖。通過安裝應用程序可以擴展 Origin 的功能，接入其他應用程序（如 MATLAB?、LabVIEW?、Microsoft Excel）；使用 Script 和 C 語言，嵌入式 Python 或 R 控制臺可在 Origin 中創(chuàng)建自定義例程。

本報告使用 OriginPro 2019 工具繪制能流-碳流圖，為普適性的、無具體數(shù)據(jù)的能流-碳流圖。繪制過程中通過分析工業(yè)區(qū)的普遍能源轉(zhuǎn)換規(guī)律，僅考慮各層級對象分類以及能源、碳的流向，其中包括一次能源、能源轉(zhuǎn)換方式及能耗終端三個級別對象。根據(jù)既有城市工業(yè)區(qū)改造項目的能源特性，按用能比例估計不同層級和同一層級中各個具體對象的能流-碳流數(shù)據(jù)大小。如根據(jù)工業(yè)園區(qū)能源消耗終端具體種類的調(diào)研，劃分出園區(qū)基礎(chǔ)設施和建筑兩大種類。各個對象之間的連線表征能流或碳流數(shù)據(jù)的流向及大小，連線的寬度根據(jù)各條連線能流或碳流數(shù)據(jù)與總量之間的比例進行繪制，通過寬度的不同體現(xiàn)數(shù)據(jù)的大小，能源流向為從左至右。在 OriginPro 2019 工具的表格區(qū)域設置數(shù)據(jù)，選擇生成 Parallel Sets 類型表格，得到既有城市工業(yè)區(qū)改造的能流-碳流圖。繪制得到的能流-碳流圖可以在既有工業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)型改造園區(qū)的實際案例應用中提供詳細的思路。

4 結(jié) 語

本文針對既有城市工業(yè)區(qū)改造過程中的能源利用問題，通過文獻調(diào)研、典型案例剖析及數(shù)值分析的方法，分析既有工業(yè)區(qū)改造的能源高效利用方法及能流-碳流圖。同時進行既有工業(yè)園區(qū)改造的負荷平準化規(guī)劃方法研究及多能互補供能規(guī)劃方法研究及能流-碳流圖繪制方法研究。以圖形方式客觀形象的展示能源用量總量、用能結(jié)構(gòu)及碳排放量，以實現(xiàn)既有城市工業(yè)區(qū)改造發(fā)展的環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標。