0 引言

 

  根據IEA的估計, 2006 年全球城市能耗達79億t油當量, 占全球總能耗的三分之二, 這一比例到2030年將上升到四分之三。因此, 未來與能源有關的CO2 排放量的增長將主要來自城市。到2030年, 由能耗產生的CO2 排放中將有76%來自城市。

 

  我國正處于快速城市化發展階段, 城市化率以每年接近1個百分點的速度增長, 2008年達到45.7%。

 

  2020年預期將達到60%以上。根據2010中國新型城市化報告, 2007年全國GDP排名前100位的地級及以上城市能源消耗驚人, 僅有1個城市能源消耗未過100 萬t標準煤, 有近一半數量的城市能源消耗超過了1000 萬t標準煤。百強城市用僅占全國2.65%的土地面積, 承載著全國17.57%的人口, 同時貢獻了全國一半以上(達52.52%)的GDP, 但也消耗了53.05%的總能耗。數據再一次證實了城市是經濟、技術、人才集聚的高地, 也是國家能源消耗的主體。發展低碳城市是中國應對氣候變化、發展低碳經濟、面向“后京都時代”的必然選擇。在快速城市化過程中, 主要的碳排放源來自土地利用和能源利用。探索城市能源利用的最佳途徑是構建低碳城市的前提和保障。因此, 要求我們需要用一種全新的視角去審視城市能源的利用模式和方法。

 

  1 國內外城市能源系統規劃模型研究

 

  概況

 

  城市模型技術經過若干年的發展在相關領域有了廣泛的應用, 但其主要聚焦于土地利用和結構布局兩個方面。Batty曾經給出了三個經典的城市模塊模型:即土地利用和交通布局模型、城市系統動力學模型、基于城市分區和用戶活動的模型, 這些模型開始只應用于城市經濟和空間規劃問題, 后來一些研究人員將其應用到應對氣候變化和環境污染領域, 最著名的一個例子就是Tyndall中心的綜合評價模型正在倫敦空間布局的氣候風險領域發揮著重要的作用。國外也有研究人員致力于城市能源系統的建模并開發出一些工具, 包括在建筑和社區尺度評估能源、水和廢棄物消耗的模型[ 3] , 地理信息系統(GIS)在城市不同空間模式下能源需求評價中的應用模型, 城市熱需求和當地可利用能源量之間相互作用關系的模型[ 4] , 城市能源需求預測與能源管理優化集成模型等等。然而, 這些模型雖然種類眾多,但都不約而同得彰顯出兩個特點:一是這些模型必然體現了城市能源需求在時間和空間上的變化, 這就需要輸入大量的相關數據:如來自地理信息系統GIS的數據, 或者是建筑的設計說明等;二是這些模型均在試圖尋求城市能源在供應測和需求側的優化, 比如給出一些優化的供應策略或運行策略等。

 

  除了以上優點, 現在的國內外的研究實踐也顯示出了一定的局限性, 那就是大多針對既定系統的某單一方面, 并且需要大量的數據支持, 這就造成了一些模型細化有余而宏觀指導不足, 一旦離開了具體針對的案例和大規模的數據支持就往往顯得推廣應用性不強, 沒有可復制性。更關鍵的是, 他們不能在城市能源系統的各個設計階段、眾多應用領域給出一個高度宏觀提煉的集成模型, 來指導城市能源系統規劃建設的各個步驟。

 

  2 SynCity模型簡介

 

  本文的創新點在于設計了一種嶄新的城市能源系統集成模型— SynCity, 它將城市能源系統設計的主要步驟和主要應用對象通過數學建模的手段集成在一個模塊框架中, 形成了一個工具包, 既能夠展示城市能源利用在時間和空間分布中的變化, 又不依賴于大量的數據輸入, 同時具有宏觀的綜合指導意義。

 

  SynCity模型主要包括三個模塊, 每個模塊解決城市能源系統規劃中的一個主要問題。三個模塊可以序列運行, 為一個低碳生態城做從規劃到能源的全程模擬, 有時候由于客觀條件所限,也可以單獨運行某一模塊, 在能源系統的某一方面給出建議。

 

  布局模型(layoutmodel), 主要是在某一目標函數下, 求解城市中不同類型建筑和交通設施的最佳選址布局, 以達到初投資和運行費用最低, 或者是能耗和碳排放最低。根據城市規劃圖將目標城市的土地利用規劃情況(包括辦公建筑、住宅、工廠、綠地等)、城市交通設施的規劃情況以及人口數量等信息輸入模型, 設置城市居民活動的幾種情景, 通過混合線性規劃技術(MILP), 給出各種建筑和交通設施在目標函數下新的布局方案。在這種方案下, 城市建筑既能夠滿足城市居民居住、辦公和生活娛樂的需求, 同時也可以達到造價最低, 或出行距離最短(能耗最低)等。

 

  用戶活動模型(agentactivitymodel), 用來對規劃城市進行負荷預測。它改變了過去單純以冷、熱、電單位面積指標乘以規劃面積進行需求預測的方式, 而是通過情景分析設置城市居民的生活活動, 如通過收入調查將城市居民分作不同種類, 他們出行選用的交通方式不同就會導致他們各自產生的交通能耗不同, 他們的住宅檔次不同亦會產生不同的建筑能耗等等。必須指出的是用戶活動模型里需要輸入的是布局模型的結果, 如果是三個模塊序列運行,它將按照布局模型生成的優化布局進行冷、熱、電的需求預測, 如果是單獨運行此模塊, 即可輸入規劃方案中的布局進行預測。

 

  資源—技術—網絡模型(resource-ktechnologynetworkmodel,RTNmodel)是在用戶活動模型負荷預測的基礎上, 探索城市能源的最佳供應模式和方案。模型認為, 每一種城市能源系統均可以表述為某些資源和某些技術的組合。這些資源可以是化石能源(煤, 石油, 天然氣等), 也可以是可再生能源(太陽能、風能、生物質能、海洋能、地熱等), 還可以是城市未利用能源(地鐵排熱、工廠廢熱、淺層土壤或地表水溫差熱等), 而這些技術是將這些輸入資源轉化為另外一些輸出的資源(熱電冷聯供技術、熱泵技術等), 如基于天然氣的熱電冷聯供技術(CCHP)是將一定數量的天然氣轉化為電、高品位的熱和廢熱。而高品位的熱可以通過換熱器制取熱水進行冬天建筑供熱, 也可以通過吸收式制冷機制取冷量進行夏季供冷。因為任何城市在空間形態上都可以分割成一些不同的單元(其優化的結果由布局模型得出), 而每一個單元又有著各自不同的隨時間變化的動態的負荷分布(其模擬結果由用戶活動模型得出), 資源技術網絡模型正是通過混合線性規劃技術解決在滿足各個城市單元負荷需求的前提下, 這些技術如何最佳配置以達到最優的供應方案, 以及各個城市單元之間的能流調度模式。目標函數同樣可以是費用最低, 能耗最低或者是碳排放最低, 也可以通過設置各目標的權重, 得到一種綜合的優化方案。模型輸出圖將顯示每一種技術被配置在哪一個城市單元以及能流調度網絡(包括能源流向和數量)。

 

  模型里最主要的方程是資源平衡, 即Prit+Qrit+Irit+Srit-Erit-Drit=0, rit, 其中:Prit為區域i在時間t內資源r的凈生產量, 其值可正可負, 為正代表生產量, 為負代表消耗量;Qrit為在時間t內從城市其他區域通過調度流入區域i的資源r總量, 其值同樣可正可負, 為負代表在時間t內通過調度從區域i流向城市其他區域的資源r總量;Irit為區域i在時間t內從城市外進口的資源r總量;Srit為區域i在時間t內使用的資源r凈儲存量, 其值為負表示區域i在時間t內儲存多余的資源r總量;Erit為區域i在時間t內的資源r出口量, Drit為區域i在時間t內對資源r的需求量。其中Drit由用戶活動模型通過負荷預測得到, 而其他值的確定則與選擇的技術有關, 通常需要設定各種技術的能源效率、運行效率等參數。

 

  可見, 資源平衡方程可以保證城市每個單元區域的需求被多種方式滿足, 包括進口、當地生產、從其他區域調入或者使用貯存量等;同理, 如果某個區域對于某種資源有著過剩的生產量或者進口量, 也可以調入其他供應不足的區域, 或者出口, 或者儲存起來供日后使用。RTN模型就是模擬這種多種資源和多種技術的最佳組合配置, 通過多目標尋優使得各種技術配置在最合適的區域, 同時, 不同城市單元之間有著最佳的能流調度方案。其中技術的選址配置和網絡的連接與否都可以用二進制變量, 如0代表該技術不設置在區域i, 區域i與區域j之間沒有能流網絡連接(即沒有能流調度), 而1則代表相反;而各種技術的生產量等參數均可用連續變量表示。

 

  3 SynCity模型應用實例

 

  3.1 臨港新城簡介

 

  臨港新城是上海繼浦東開發開放之后獨具輔城作用的又一個戰略重點發展區域, 也是市政府確定的上海市三大低碳示范區域之一(另外兩個為崇明東灘生態城和虹橋商務區)。規劃面積約296.6km2 , 規劃人口83萬。分為四大片區布局, 分別為中心區(主城區)、主產業區、綜合區、重裝備產業區和物流園區四大片區。土地利用規劃圖見圖1。

 

  3.2 SynCity模擬結果

 

  3.2.1 布局模型結果

 

  臨港新城的開發商已經對新城進行了總體規劃, 而布局模型可以對該總體規劃結果的初投資和年運行費用、能耗以及CO2 排放量進行初步估算,進而從多種角度對該設計進行綜合評估, 并給出可替代的規劃布局。與基準布局相比, 優化布局中, 辦公區域與住宅區域的相對位置得到調整, 辦公區域與住宅區域的空間距離大幅縮短, 這樣有助于降低交通能耗, 而娛樂區域的數量被略微削減, 這是因為模型認為在滿足規劃區域人口娛樂需求的前提下,不需要更多的娛樂功能建筑。

 

  3.2.2 用戶活動模型結果

 

  將模型預測結果, 與按照不同功能類型建筑的冷、熱、電負荷指標乘以建筑面積得到的負荷計算結果相比, 吻合性在80%以上, 說明用戶活動模型在負荷預測方面的功能可以信賴。

 

  3.2.3 資源技術網絡模型結果

 

  比較了7 種冬季采暖技術, 即燃氣鍋爐(boiler),電鍋爐(eheater), 空氣源熱泵用于采暖(ASHPh),土壤源熱泵用于采暖(GSHP-h), 燃氣發動機熱泵用于采暖(GHP-h), 燃氣直燃型吸收式熱泵用于采暖(AHP-h), 及建筑熱電冷三聯供用于發電采暖(BCHP-hp);5種夏季供冷技術, 即空氣源熱泵用于供冷(ASHP-c), 土壤源熱泵用于供冷(GSHP-c), 燃氣發動機熱泵用于供冷(GHP-c), 燃氣直燃型吸收式熱泵用于供冷(AHP-c), 及建筑熱電冷三聯供用于發電供冷(BCHP-cp)。Heatex表示換熱裝置。優化目標為CO2 排放量最低。網絡圖中, 網絡線表示資源流向調度情況, 線寬與資源流動量成比例。其中, 紅色代表燃氣流, 綠色代表電力流, 深藍色代表區域熱流, 淺藍色代表區域冷流。

 

  (1)需要輸入模型的各種技術的能源效率及CO2 排放量參數。

 

  (2)CO2 排放量最低目標下的資源技術網絡圖現構件的異地操作。

 

  懸臂剛架梁柱節點的設計要解決以下三個問題,首先該結構中柱子和梁分屬兩種不同的材料, 節點的連接須保證兩種材料可靠連接;其次, 柱與懸臂梁連接, 節點須能很好的傳遞彎矩且具有足夠的剛度;再次, 節點構造須實現異地拆裝和制作。鑒于上述要求, 鋼柱與鋁鎂合金梁采用高強螺栓連接。

 

  4 結語

 

  本文以2010年世博會山東館序廳大懸挑剛架為研究對象, 從靜力、動力、穩定性三方面對結構進行分析, 并完成了對關鍵構件及節點的設計, 得出以下結論:

 

  (1)通過在各懸臂剛架側面增加橫向聯系的方式, 解決了大懸臂剛架豎向剛度不足的問題, 保證了各懸臂剛架變形后整體曲面的流暢、協調。

 

  (2)序廳懸臂剛架的橫梁和立柱均采用箱形截面, 提高結構的穩定性, 同時增強了構件的豎向剛度, 改善了結構的動力特性。

 

  (3)在材料的選取上, 通過材料對比分析, 立柱部分采用鋼板焊接的剛度較大的箱形柱, 橫梁部分采用材質較輕的鋁鎂合金, 滿足了結構受力與變形要求。