多目標規劃方法在綠色社區能源規劃中的應用

文_祝一波 張改

1.江蘇省住房和城鄉建設廳科技發展中心 2.江蘇智通交通科技有限公司

綠色社區能源規劃旨在社區或成片建筑開發之初，對建筑能源系統進行合理配置。目前，通常采用綜合資源規劃方法進行，其核心在于將供應側與需求側的資源合理組合以達到控制目標。該方法側重于宏觀層面，可保證社區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建筑能源系統配置。在綠色社區能源規劃中，通過引入多目標規劃方法，可明確規劃社區的能源結構、不同建筑用能需求，從而指導社區內的建筑能源系統配置。

1 綠色社區建筑能源系統特征

綠色社區建筑能源系統主要是由電力、天然氣等常規能源，以及太陽能、風能、生物質能和地熱能等可再生能源，從能源資源的轉換、分配到最終消耗的各個環節所組成的系統。與傳統意義上的能源系統的差異在于，其消耗環節主要分為采暖空調消耗、生活熱水消耗、生活炊事消耗、室內照明消耗、電器設備插座消耗、動力設備消耗、特殊用電消耗等終端用能子系統。

2 多目標規劃方法應用

2.1 求解思路

以能源消耗總量最低為首要目標，以各地塊的技術性指標（技術水平與現實條件制約下的能源資源利用能力）、環境影響指標（碳排放、污染物排放等）、能源消耗結構（建筑用能子系統能耗比例）等作為約束條件，通過多目標規劃方法確定各地塊采暖空調、生活熱水、室內照明等建筑用能子系統的能源消耗目標。多目規劃方法求解流程如圖1所示。

圖1 多目標規劃方法求解流程

2.2 模型建立

2.2.1 能流網絡圖

在建立多目標規劃模型前，通過繪制區域建筑能源系統能流網絡圖，梳理規劃社區建筑能源系統類別。 能流網絡示意圖如圖2所示。

2.2.2 確定目標函數

以終端用能子系統耗能量作為決策變量，綜合考慮能源、環境因素，以能源消耗總量最低、生態環境代價最低為目標，建立多目標規劃模型。

（1）能源消耗總量

各能源品種消耗量之間以噸標準煤進行換算，能消耗總量目標函數為：

（2）CO2排放量

以能源系統產生的CO2排放量最低作為環境控制目標，建立目標函數：

2.2.3 確定約束條件

（1）能源消耗總量約束

考慮能源供應量的約束，各終端用能子系統的實際能源消費總量不能超過其供給限度或期望的能耗上限。

（2）能源需求總量約束

終端用能子系統的能源消耗總量應滿足最低用能需求。

（3）生態環境約束

生態環境約束指標中主要考慮CO2以及SO2的排放限制。

（4）能源結構約束

此項內容是確定各類終端用能子系統能源消耗量的重要因素，根據當前技術水平下不同建筑類型的用能結構，規定規劃社區在目標年內各終端用能子系統的能源消耗量區間范圍，約束限制方程為：

（5）非負約束

圖2 能流網絡示意圖

2.2.4 建立數學模型

綜合考慮規劃社區發展戰略及資源稟賦，賦予能源消耗總量目標優先因子p1，賦予生態環境目標優先因子p2。同時引入正負偏差變量，建立數學模型如下：

3 案例分析

3.1 規劃區域概況

以江蘇某新區為具體研究對象，對規劃區域4.94平方公里用地，約741.93萬平方米的民用建筑進行建筑能源規劃。規劃區域內建筑類型主要為住宅建筑，此外還有部分辦公建筑、商業建筑、科教文衛建筑等公共建筑，無工業建筑。規劃區域的整體用地規劃指標包括各地塊建筑類型、建筑容積率、建筑面積、建筑密度等，根據規劃區域控制性詳細規劃確定。同時，根據規劃區域的空間分布特性，對各地塊進行編號。

3.2 多目標規劃方法在綠色社區能源規劃中的應用

3.2.1 確定決策變量及模型參數

在建立多目標規劃模型前，合理準確地確定模型所需要的各項參數，是對模型求解的基礎。根據規劃區域氣候條件和不同建筑功能類型，確定規劃目標年建筑能源終端用能子系統的模型參數。此外，根據規劃區域的低碳發展戰略理念，通過對國內相同氣候區域、同等發達水平區域建筑物全年單位面積能耗值及污染物排放水平，設定規劃區域的建筑能耗和污染物排放量的基準線。

3.2.2 求解多目標規劃模型

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、生活熱水、炊事、設備插座、照明、動力等子系統。能耗分類由規劃區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。建立多目標規劃數學模型，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果。

表1 多目標規劃模型部分地塊求解結果

4 結語

（1）綠色社區能源規劃應充分考慮規劃社區的空間分布特性，根據不同地塊的建筑類型與資源稟賦差異，建立能源系統能流網絡圖，從而有針對性的開展建筑能源規劃。

（2）在綠色社區能源規劃中引入多目標規劃方法，可確定規劃社區建筑中不同終端用能子系統的能耗控制值，從而優化建筑能源系統的能源結構，指導建筑能源系統配置。