多目标规划方法在绿色社区能源规划中的应用

文_祝一波 张改

1.江苏省住房和城乡建设厅科技发展中心 2.江苏智通交通科技有限公司

绿色社区能源规划旨在社区或成片建筑开发之初，对建筑能源系统进行合理配置。目前，通常采用综合资源规划方法进行，其核心在于将供应侧与需求侧的资源合理组合以达到控制目标。该方法侧重于宏观层面，可保证社区能源供需的总体平衡，但缺乏空间尺度的分析，不能从具体地块层面指导建筑能源系统配置。在绿色社区能源规划中，通过引入多目标规划方法，可明确规划社区的能源结构、不同建筑用能需求，从而指导社区内的建筑能源系统配置。

1 绿色社区建筑能源系统特征

绿色社区建筑能源系统主要是由电力、天然气等常规能源，以及太阳能、风能、生物质能和地热能等可再生能源，从能源资源的转换、分配到最终消耗的各个环节所组成的系统。与传统意义上的能源系统的差异在于，其消耗环节主要分为采暖空调消耗、生活热水消耗、生活炊事消耗、室内照明消耗、电器设备插座消耗、动力设备消耗、特殊用电消耗等终端用能子系统。

2 多目标规划方法应用

2.1 求解思路

以能源消耗总量最低为首要目标，以各地块的技术性指标（技术水平与现实条件制约下的能源资源利用能力）、环境影响指标（碳排放、污染物排放等）、能源消耗结构（建筑用能子系统能耗比例）等作为约束条件，通过多目标规划方法确定各地块采暖空调、生活热水、室内照明等建筑用能子系统的能源消耗目标。多目规划方法求解流程如图1所示。

图1 多目标规划方法求解流程

2.2 模型建立

2.2.1 能流网络图

在建立多目标规划模型前，通过绘制区域建筑能源系统能流网络图，梳理规划社区建筑能源系统类别。 能流网络示意图如图2所示。

2.2.2 确定目标函数

以终端用能子系统耗能量作为决策变量，综合考虑能源、环境因素，以能源消耗总量最低、生态环境代价最低为目标，建立多目标规划模型。

（1）能源消耗总量

各能源品种消耗量之间以吨标准煤进行换算，能消耗总量目标函数为：

（2）CO2排放量

以能源系统产生的CO2排放量最低作为环境控制目标，建立目标函数：

2.2.3 确定约束条件

（1）能源消耗总量约束

考虑能源供应量的约束，各终端用能子系统的实际能源消费总量不能超过其供给限度或期望的能耗上限。

（2）能源需求总量约束

终端用能子系统的能源消耗总量应满足最低用能需求。

（3）生态环境约束

生态环境约束指标中主要考虑CO2以及SO2的排放限制。

（4）能源结构约束

此项内容是确定各类终端用能子系统能源消耗量的重要因素，根据当前技术水平下不同建筑类型的用能结构，规定规划社区在目标年内各终端用能子系统的能源消耗量区间范围，约束限制方程为：

（5）非负约束

图2 能流网络示意图

2.2.4 建立数学模型

综合考虑规划社区发展战略及资源禀赋，赋予能源消耗总量目标优先因子p1，赋予生态环境目标优先因子p2。同时引入正负偏差变量，建立数学模型如下：

3 案例分析

3.1 规划区域概况

以江苏某新区为具体研究对象，对规划区域4.94平方公里用地，约741.93万平方米的民用建筑进行建筑能源规划。规划区域内建筑类型主要为住宅建筑，此外还有部分办公建筑、商业建筑、科教文卫建筑等公共建筑，无工业建筑。规划区域的整体用地规划指标包括各地块建筑类型、建筑容积率、建筑面积、建筑密度等，根据规划区域控制性详细规划确定。同时，根据规划区域的空间分布特性，对各地块进行编号。

3.2 多目标规划方法在绿色社区能源规划中的应用

3.2.1 确定决策变量及模型参数

在建立多目标规划模型前，合理准确地确定模型所需要的各项参数，是对模型求解的基础。根据规划区域气候条件和不同建筑功能类型，确定规划目标年建筑能源终端用能子系统的模型参数。此外，根据规划区域的低碳发展战略理念，通过对国内相同气候区域、同等发达水平区域建筑物全年单位面积能耗值及污染物排放水平，设定规划区域的建筑能耗和污染物排放量的基准线。

3.2.2 求解多目标规划模型

综合考虑住宅建筑、公共建筑等不同功能建筑的终端能耗形式，即采暖空调、生活热水、炊事、设备插座、照明、动力等子系统。能耗分类由规划区域各地块能源资源条件决定，主要有电力、天然气、可再生能源等。建立多目标规划数学模型，将决策变量带入模型并求解模型，因篇幅有限，表1列出了几类主要功能地块的求解结果。

表1 多目标规划模型部分地块求解结果

4 结语

（1）绿色社区能源规划应充分考虑规划社区的空间分布特性，根据不同地块的建筑类型与资源禀赋差异，建立能源系统能流网络图，从而有针对性的开展建筑能源规划。

（2）在绿色社区能源规划中引入多目标规划方法，可确定规划社区建筑中不同终端用能子系统的能耗控制值，从而优化建筑能源系统的能源结构，指导建筑能源系统配置。