既有城市工業區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。由于城市規劃后土地功能方向地轉變，原本位于城市中心的工業園區位置逐漸向郊區偏離。大量既有工業區由于規劃建設的起點不高，園區建筑功能規劃不明，用地布局雜亂，阻礙了現代城市化進程，且與城市居民日益提高的環境健康要求相違背，因此既有城市工業區改造已成為當今城市發展進步的重要推動力。

城市既有工業區改造轉型的迫切性引起了西方發達國家的重視，歐美國家的舊工業區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園區改造，制定了《全國老工業基地調整改造規劃（2013-2022年）》；2014 年發布《國務院辦公廳關于推進城區老工業區搬遷改造的指導意見》《國家發展改革委關于做好城區老工業區搬遷改造試點工作的通知》，從而推進全國既有工業園區的規劃改造。

目前，既有城市工業區普遍存在能源浪費現象，如供熱系統缺乏整體規劃、缺乏實時動態用能調控機制、余熱未利用等。在“節能減排”的時代背景下，為實現既有城市工業區的高效改造發展目標，能源的高效利用是當前必須解決的關鍵問題。

德國柏林牧場工業區在改造過程中，采用組合式采暖供電形式，使用發電余熱供暖；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，配備智能調控系統，以保證相關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園示范區的綜合能源系統在滿足用戶用能需求的前提下，針對園區企業生產線負荷特性，引入壓差發電、熱能梯級利用、余熱回收、空調節能改造等措施。在此基礎上，園區還建立了一套多能協同的智能調度系統，充分消納光伏發電和天然氣冷熱電三聯供等清潔能源，幫助實現工業園區的高效能源利用發展目標。

針對既有城市工業區改造過程中存在的能源利用問題，本文通過對園區負荷平準化和多能互補規劃方法的研究，探究既有城市工業區改造的能源高校利用方法。同時繪制分析既有城市工業區的能流-碳流圖，為能源改造的進程提供技術支撐，以優化改造后園區的能源結構配置，從而實現既有城市工業區功能轉型改造的節能減排目標。

2 既有城市工業區改造的能源高效利用

2.1 負荷平準化規劃方法

在產業結構轉型的進程中，我國很多既有工業區都在大力發展先進的服務業和制造業。工業化初期階段的高溫、高壓、高品位能源需求逐漸轉變為低溫、低壓、低品位能源需求，保障建筑環境的照明、供暖、供冷和供熱水成為能源的主要作用。為實現現代工業園區改造的節能減排目標，應推進供應側能源規劃到需求側能源規劃（Demand Side Management）的轉變發展。

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

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。在園區建筑群中，不同類型的建筑使用同一套能源系統可降低負荷峰值，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，系統運行越高效平穩。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建筑群的逐時冷熱電負荷和總負荷產生影響，從而影響能源系統的配置和運行效率。不同混合程度的區域應有不同的負荷平準化率，以期配置的能源系統可在效率高的區間使用，提高能源利用率，降低能耗。

2.1.2 技術分析

作為能源需求側管理的一種有效手段，負荷平準化規劃方法不僅可滿足園區改造后建筑功能多樣化要求，同時又可使園區建筑整體用能更加高效，以實現既有城市工業區改造的環境可持續發展目標。

對劉海靜等人研究的辦公屬性為主的某商務區進行情景分析，將辦公建筑面積占總混合功能建筑區域比例設為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，結合 9 種建筑功能配比，得到混合建筑功能區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，其月能源節約率為27.5%～63.1%。

綜合以上研究案例可知，在既有工業區里，不同功能的建筑其負荷高峰出現時段不一樣。區域能源系統應充分利用負荷的同時系數和參差率，使總負荷平準化，削平總負荷峰值，降低裝機量的總功率，節約初投資。

2.2 多能互補功能規劃方法

在既有工業區改造過程中，需要注重減少建筑改造和使用過程中的能量消耗。基于增效和減碳雙控的多能互補功能規劃方法有助于提升能源系統的綜合利用效率，緩解能源供需矛盾，從而實現環境保護和生態低碳目。

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，促進生態環境良性循環。根據《關于推進多能互補集成優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）用戶側多能互補。面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，優化布局建設一體化集成供能基礎設施，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用。此類工程針對用戶側，主要為天然氣分布式能源，主要為（冷）熱電三聯供，即以天然氣為主要燃料帶動發電設備運行，產生的電力供應用戶，發電后排出的余熱通過余熱回收利用設備向用戶供熱、供冷，大幅提高整個系統的一次能源利用率，實現了能源的梯級利用。

（2）電源側多能互補。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勢，推進風光水火儲多能互補系統建設運行。此類工程針對電源側，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。

多能互補功能規劃方法可根據用戶需求制定能源供應服務，減少能源轉換和輸送環節，提高能源效率，降低用能成本。中國煤電、水電、風電、太陽能發電等規模均為世界前列，多項技術達到世界領先水平，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、光伏發電具有隨機性和波動性，多能互補功能規劃方法可將風電、光伏發電與火電、水電協同運行，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，減小系統調峰壓力，改善棄風棄光現象，提高新能源消納率。

2.2.2 技術分析

對既有城市工業園區采取多能互補功能規劃方法需要考慮以下內容。

（1）用能結構。工業用能和商業及民用用能的用能結構存在很大區別，因而用戶的用能需求特點及經濟承受能力都應重點衡量。

（2）耦合技術。多能互補的特點增加了能源供應的復雜性，進而影響園區內系統能源供應的協調能力。實現多種能源的互補，需要多種能源的耦合技術。單一能源系統的效能（30%～37% 左右）低于多種能源混合系統（60% 以上）的效能。但是探究既有工業區多種能源的最優混合比例才是關鍵問題。

以江蘇省蘇州工業園區為例進行分析，園區的多能互補集成優化示范工程項目包括 2 個天然氣熱電聯產中心、3個區域能源中心、10 個分布式能源系統。園區針對集中用能區域開展天然氣分布式熱電冷三聯供，實現能源梯級利用，能源綜合效率達 70% 左右。為達到多種能源協調有序的目標，天然氣分布式能源成為園區內電網、熱網、冷網和天然氣網的“樞紐”，實現多種能源的轉換；儲電、儲熱、儲能和管網系統對能源網的進行削峰填谷，降低用戶的用能成本。

3 既有城市工業區改造的能流-碳流圖分析

3.1 能流圖和碳流圖的廣泛應用

能流圖，也稱能源系統網絡圖或系統能流及能源效率圖，是可視化分析既定能源系統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或國家的能源統計概況，利于不同地區或國家間的平行對比。

應用能流圖可測量、監控、評估系統各環節能效水平及影響因素，分析和發現節能潛力所在，選擇和確定提供系統能源效率的對策和措施。胡秀蓮編制了“中國 2012 年能流圖”的桑基圖，有助于系統理清能源系統各個環節間的關系，從而最優化能源系統各個環節的技術措施。

3.2 既有城市工業區的能流-碳流圖的繪制

既有城市工業區內建筑類型改造后要以辦公、商業、展覽等非工業生產類建筑為主，研究的范圍包括基礎設施和建筑中各能耗對象。構建既有城市工業區的能流-碳流圖，從而服務于既有工業園區改造規劃設計、建設等階段，研究既有工業園區改造能源能效提升的關鍵技術，為園區能源效率的提升、降低碳排放提供數據基礎和決策工具。

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，其分類以體現全社會能源消耗結構的大類為基礎，如分為工業、民用、交通、市政等。對于既有工業園區而言，其社會性質較為單一，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，可分為園區基礎設施和建筑兩大類。再根據各類的能源消耗特點進行進一步的分類，如基礎設施可分為能源供應系統，園區交通、照明、通訊和安防系統設施等；建筑能耗可分為辦公、展覽、商業等。

通過識別既有城市工業區轉型發展園區的能流-碳流圖各部分的分析對象，在梳理各部分之間邏輯關系的基礎上，可建立園區能流-碳流圖的整體框架，如圖 1 所示。

圖 1 既有城市工業區能流-碳流圖框架

基于以上的研究基礎探究能流-碳流圖的繪制方法。能流-碳流圖實質上是一種桑基圖 (Sankey Diagram)。桑基圖為了展現數據的流動，主要由邊、流量和支點組成，其中邊代表了流動的數據，流量代表了流動數據的具體數值，節點代表了不同分類。邊的寬度與流量成比例地顯示，邊越寬，數值越大。

桑基圖制作工具包括專業的 JS 庫(D 3、Ecgarts、highlight)，主流的數據科學編程工具（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區功能提升的能流-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、無具體數據的能流-碳流圖。繪制過程中通過分析工業區的普遍能源轉換規律，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、能源轉換方式及能耗終端三個級別對象。根據既有城市工業區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-碳流數據大小。如根據工業園區能源消耗終端具體種類的調研，劃分出園區基礎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據的流向及大小，連線的寬度根據各條連線能流或碳流數據與總量之間的比例進行繪制，通過寬度的不同體現數據的大小，能源流向為從左至右。在 OriginPro 2019 工具的表格區域設置數據，選擇生成 Parallel Sets 類型表格，得到既有城市工業區改造的能流-碳流圖。繪制得到的能流-碳流圖可以在既有工業區轉型改造園區的實際案例應用中提供詳細的思路。

4 結 語

本文針對既有城市工業區改造過程中的能源利用問題，通過文獻調研、典型案例剖析及數值分析的方法，分析既有工業區改造的能源高效利用方法及能流-碳流圖。同時進行既有工業園區改造的負荷平準化規劃方法研究及多能互補供能規劃方法研究及能流-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、用能結構及碳排放量，以實現既有城市工業區改造發展的環境可持續發展目標。