一、制定綜合能源規(guī)劃是促進社會可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急

為貫徹執(zhí)行“十一五”節(jié)能減排的目標(biāo)，建設(shè)能源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，我國各省市自治區(qū)及縣鎮(zhèn)地方政府、各類型開發(fā)區(qū)及新型園區(qū)的建設(shè)部門開始把制定能源規(guī)劃作為制定經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分。

傳統(tǒng)的能源規(guī)劃是以滿足能源供求關(guān)系為基本出發(fā)點、以化石能源資源為物質(zhì)基礎(chǔ)、核心內(nèi)容是電力、熱力、燃?xì)獾雀餍袠I(yè)制定的專項規(guī)劃。這種方法已不能適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟體制和社會發(fā)展的需求，制定以科學(xué)的理念和新型的物理數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，最大限度地節(jié)約資源、減低有害物排放、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的綜合能源規(guī)劃已經(jīng)提到重要的地位。

由于20世紀(jì)后期可持續(xù)發(fā)展概念的提出，特別是我國改革開放的不斷深化和市場經(jīng)濟體制的逐步完善，編制“十五”、“十一五”期間能源規(guī)劃的總體思路及方法在不斷改進和發(fā)展，體現(xiàn)在能源規(guī)劃與社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的協(xié)調(diào)關(guān)系，從簡單的能源配套到社會經(jīng)濟規(guī)劃的基礎(chǔ)支撐；從自上而下的計劃到加強市場引導(dǎo)；從資源開發(fā)的被動增長到終端能源的高效利用；從規(guī)劃與管理脫節(jié)到規(guī)劃－管理－反饋的實效目標(biāo)。然而，由于能源管理體制的制約及電力、熱力、燃?xì)獾刃袠I(yè)長期形成的獨立經(jīng)營的管理模式，致使國內(nèi)在制定綜合能源規(guī)劃方面至今停留在探索階段，尚未在規(guī)劃行業(yè)得到共識，沒有在制定市政規(guī)劃、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃和能源規(guī)劃中作為必要的環(huán)節(jié)并形成行業(yè)規(guī)范。規(guī)劃部門的有些人仍然抱著傳統(tǒng)規(guī)劃的理念和方法，在一些市區(qū)縣級的能源規(guī)劃中仍然把專項規(guī)劃作為制定規(guī)劃的基點，違背能源綜合利用的原則，不認(rèn)識在專項規(guī)劃前制定綜合能源規(guī)劃的必要性，甚至成為阻力。任何新思想新事物的形成、發(fā)展、傳播、和應(yīng)用都需要一個過程，如何縮短這個過程正是擺在各級政府領(lǐng)導(dǎo)、規(guī)劃主管部門面前的責(zé)任。

制定綜合能源規(guī)劃的技術(shù)關(guān)鍵首先在于建立科學(xué)的物理模型與數(shù)學(xué)模型。 物理模型反映規(guī)劃的目標(biāo)、功能、范圍、和方法。國外工業(yè)發(fā)達國家編制復(fù)雜能源規(guī)劃的歷史較早，從20世紀(jì)70年代開始，由于石油危機的沖擊，主要石油進口國為了能源供應(yīng)的安全研制了預(yù)測供應(yīng)和需求的能源供求模型；80年代中期世界環(huán)境溫度變暖，控制溫室氣體排放成為全球關(guān)注的焦點，相應(yīng)發(fā)展了能源與環(huán)境結(jié)合的能源－環(huán)境模型；90年代以后，隨著世界范圍能源需求的急劇增長和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展概念的提出，研究和發(fā)展了多目標(biāo)的能源－經(jīng)濟－環(huán)境－技術(shù)綜合性模型。目前國際尚未有對能源模型有統(tǒng)一的分類方法，除了上述按目標(biāo)與功能的分類外還可按規(guī)劃的范圍分類，有全球能源模型、國家能源模型、區(qū)域能源模型、和部門能源模型。也可按建模的方法分類，有自上而下、自下而上、及混合模型。本文介紹的物理模型與上訴分類意義上的模型不同，是更深層的技術(shù)性模型，從本質(zhì)上規(guī)定了制定規(guī)劃的基本原理、組成要素、總體結(jié)構(gòu)、建模方法。由于這種模型反映了綜合能源規(guī)劃的物理內(nèi)涵和基本特征，從而具有普遍的實用意義，適用于編制不同時空與地域范圍的綜合能源規(guī)劃，大到國家、省市縣地區(qū)，小到有限范圍的園區(qū)規(guī)劃。本文介紹的數(shù)學(xué)模型是在物理模型的基礎(chǔ)上實現(xiàn)量化過程的數(shù)學(xué)方法，隸屬于系統(tǒng)分析和數(shù)學(xué)規(guī)劃范疇，其基本結(jié)構(gòu)是以數(shù)據(jù)庫為中心，以能源預(yù)測、能源平衡、能源優(yōu)化一體化的三元模型。

二、綜合能源規(guī)劃物理模型制定

綜合能源規(guī)劃的目的在于規(guī)避以專項規(guī)劃為基點的諸多弊病，最大限度地節(jié)約資源、減低有害物排放、獲得最佳經(jīng)濟效益與社會效益，促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。其性質(zhì)和作用決定了綜合能源規(guī)劃物理模型的組成要素為一些遵從能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、分配、利用過程的自然規(guī)律、利于能源的綜合利用、有最佳節(jié)能減排效果的能源新技術(shù)所組成。對于新開發(fā)的區(qū)域制定綜合能源規(guī)劃與對老區(qū)域已有能源系統(tǒng)的綜合能源規(guī)劃需要采用不同的模型。

新開發(fā)區(qū)域綜合能源規(guī)劃應(yīng)該采用完全新的理念，盡可能應(yīng)用成熟的能源新技術(shù)，這些新技術(shù)既是有獨立意義的子模型，又相互融合，通過能流網(wǎng)絡(luò)有機結(jié)合成一個完整的能源模型系統(tǒng)。圖示如下：1 分布式能源技術(shù)子模型：分布式能源是指將能源生產(chǎn)系統(tǒng)以小規(guī)模(幾千瓦至數(shù)萬千瓦)分散的方式配置在用戶端附近，可獨立滿足用戶的電、熱、冷、蒸汽、熱水等負(fù)荷，根據(jù)用戶用能的特點，定制式的能源生產(chǎn)系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)的構(gòu)成是資源的多元化和能源轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的多元化，可以開發(fā)利用當(dāng)?shù)馗鞣N可再生能源（如地?zé)崮?、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水能、工業(yè)余壓余熱利用等）。由于分布式能源避免了傳統(tǒng)的大機組、大電廠、大電網(wǎng)帶來的能源生產(chǎn)和長距離傳輸損失，在更大范圍以能源聯(lián)供替代分供方式，是節(jié)能減排最有效的途徑。

當(dāng)電力最初進入了人類的生活和生產(chǎn)活動，無論煤電、水電、核電都由于其固有的生產(chǎn)特點采用了集中供應(yīng)的方式。隨著工業(yè)化的進程和電力工業(yè)的迅速發(fā)展，各國政府對集中供電采取了一些保護政策，助長了行業(yè)壟斷的形成，大機組、大電廠、大電網(wǎng)的趨勢越演越烈。然而，隨著能源、環(huán)境、安全問題的突出及多種因素的影響，分布式能源技術(shù)（DE）應(yīng)運而生。其發(fā)展優(yōu)勢表現(xiàn)于： 集中發(fā)電不能最有效的利用余熱，而分布式發(fā)電可以就地消化余熱，能源利用效率從平均30－40％提高到80%以上；根據(jù)研究結(jié)果，傳遞1MWh熱能比傳遞同樣數(shù)量電能的損失增大7倍，集中供電將余熱傳遞遠處后再回收利用是很不經(jīng)濟的，而分布發(fā)電不存在這個障礙；此外，很多工業(yè)部門如煉鋼、煉鋁、化學(xué)、石油、煉焦、玻璃等有大量的廢熱和低熱值可燃?xì)?，這些能量傳遞到遠處發(fā)電或余熱利用是不經(jīng)濟的，而給分布發(fā)電提供了巨大的潛力。實際上，開發(fā)利用當(dāng)?shù)刭Y源的區(qū)域性能源規(guī)劃必然應(yīng)用到分布式能源的概念和技術(shù)。

美、英、日、尤其是歐洲國家如丹麥、瑞典、芬蘭等國自上世紀(jì)末期開始了分布式能源的研究并得到迅速發(fā)展。以芬蘭為例，由于政府對分布式能源的政策導(dǎo)向和優(yōu)惠條件，2000年前后全國能源供應(yīng)的布局發(fā)生了根本變化，從大城市為中心的集中供能改變成星羅棋布的分布式能源，其效果是國內(nèi)GDP增長一倍，但總能耗反而減小，生態(tài)環(huán)境進一步改善。分布式能源以成為當(dāng)前國際范圍能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的大趨勢。

2 能源梯級利用子模型：根據(jù)熱力學(xué)第一定律，由一次能源轉(zhuǎn)化成二次能源直到用戶負(fù)荷的過程都是功與能的轉(zhuǎn)換過程，在這個過程中雖然依據(jù)能源守恒，能量總合保持不變，但能量品質(zhì)和能級發(fā)生著變化。以化石燃料的煤、石油、天然氣為例，燃料燃燒過程中最高溫度可在攝氏千度以上，首先可用于發(fā)電，轉(zhuǎn)換成具有最高能級和品質(zhì)的二次能源。發(fā)電后的余熱可以隨著溫度的逐漸降低加以逐級利用，發(fā)電機組排放的余熱溫度在300－500℃范圍可以作為熱泵或吸收式空調(diào)機組的驅(qū)動熱源用于供暖和制冷，溫度降到200℃以下的低溫段可用于除濕或生產(chǎn)生活熱水，直到溫度降低到接近環(huán)境溫度排放到大氣。

的熱力學(xué)效率。如果將化石燃料在鍋爐燃燒后直接供熱，轉(zhuǎn)化后的能級及有用能的比例將顯著降低，造成能源品質(zhì)和能源效率的浪費。冷熱電三聯(lián)供是能源梯級利用最典型的方式，在綜合能源規(guī)劃的能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中采用三聯(lián)供工藝流程及設(shè)備是首要考慮的要素之一。

3 三聯(lián)供、可再生能源、蓄能耦合子模型：冷熱電三聯(lián)供是分布式能源系統(tǒng)的核心技術(shù)，三聯(lián)供與可再生能源不同方式的結(jié)合已成為世界能源技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)。一種耦合方式是各種生物質(zhì)燃料、垃圾及污水處理沼氣、及工業(yè)廢氣等直接作為燃?xì)鈨?nèi)燃機等動力機的燃料，驅(qū)動發(fā)電機組，國外許多知名發(fā)動機制造廠家開發(fā)了適用于代用燃料和不同熱值的機型，廣泛應(yīng)用于冷熱電聯(lián)供裝置。另一種耦合方式是同一個工程項目中采用三聯(lián)供裝置與可再生能源裝置的組合共同滿足冷熱電負(fù)荷，如水源或污水源熱泵、地?zé)釤岜谩⑻柲馨l(fā)電或供熱水、都可作為三聯(lián)供的輔助或調(diào)峰供能裝置。采用蓄能裝置如冰蓄冷、水蓄冷、蓄熱等對于實行峰谷平分時電價及冷熱負(fù)荷大的用戶具有很好的經(jīng)濟運行效果。多種多樣的能源種類與轉(zhuǎn)換技術(shù)的耦合實現(xiàn)了節(jié)能減排的更大效果，開辟了能源綜合利用的廣闊途徑。

為了這種耦合模型的實際運行效果，必須配置具有優(yōu)化調(diào)度功能的自動控制系統(tǒng)。對于這種多機種、多臺數(shù)、多工況的復(fù)雜系統(tǒng)，必須跟蹤實時變化的冷熱電負(fù)荷，以最佳的運行模式調(diào)動各臺機組的啟停和出力，達到最大的節(jié)能與經(jīng)濟運行。由此可知，綜合能源規(guī)劃不是一個目的，只是一個過程中的環(huán)節(jié)，只有著眼于規(guī)劃的可行性和可操作性，把規(guī)劃和運行管理緊密結(jié)合，才能取得實際的效果。

4 系統(tǒng)分析與能流網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)分析是制定綜合能源規(guī)劃的中心環(huán)節(jié)，依據(jù)當(dāng)?shù)赜脩舻呢?fù)荷特點，從可以利用的各種資源、及與其相應(yīng)的各種能源轉(zhuǎn)化技術(shù)出發(fā)，對資源－轉(zhuǎn)化－終端負(fù)荷的全過程進行系統(tǒng)分析和統(tǒng)籌規(guī)劃，不需要以某種資源或轉(zhuǎn)化技術(shù)裝置為主，其它為輔的人為規(guī)定，規(guī)劃的最終選擇取決于達到規(guī)劃的優(yōu)化目標(biāo)，如滿足負(fù)荷前提下最小的能源系統(tǒng)建設(shè)成本、或最佳的節(jié)能、或最小的碳排放、或最低的運行費用和最短的投資回收期等，也可規(guī)定為多個優(yōu)化目標(biāo)進行優(yōu)化方案的排序和決策建議。

系統(tǒng)分析采用能流網(wǎng)絡(luò)作為工具，以節(jié)點和有向連線表示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能流網(wǎng)絡(luò)可以具體形象地表示出資源－轉(zhuǎn)化－終端負(fù)荷的過程路線和有序的銜接關(guān)系、各環(huán)節(jié)的進出口能流中各類能源的比例、及轉(zhuǎn)化裝置的特性等。對于自下而上的規(guī)劃方法，可以把負(fù)荷預(yù)測得到的各種負(fù)荷作為已知的外生變量，從負(fù)荷端開始計算，通過矩陣運算求得中間各環(huán)節(jié)和資源端的結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)模型由于可以自由的選擇當(dāng)?shù)氐馁Y源、當(dāng)?shù)乜捎玫募夹g(shù)及設(shè)備特性，因此可以隱含地包括了分布式能源技術(shù)、能源梯級利用技術(shù)和三聯(lián)供、可在生能源、蓄能耦合技術(shù)，成為制定綜合能源規(guī)劃的基礎(chǔ)工具模型。

老區(qū)域的綜合能源規(guī)劃這些區(qū)域已經(jīng)存在傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)，綜合能源規(guī)劃必須在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以利用和改造，以能源政策為導(dǎo)向盡可能注入新的能源理念和技術(shù)，形成一個傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與新能源系統(tǒng)相耦合的綜和能源模型,這種耦合模型的創(chuàng)新點仍然在于融入了新能源與可再生能源技術(shù)、能源梯級利用技術(shù)、分布式能源及冷熱電三聯(lián)供技術(shù)、及能源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的子模型，如下圖所示。

三、綜合能源規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

在確定了綜合能源規(guī)劃物理模型的基礎(chǔ)上需要通過數(shù)學(xué)方法進行量化分析計算，得到能源系統(tǒng)從一次能源到終端用戶的能流量的分配及各種過程參數(shù)，以及評價體系所需的各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。數(shù)學(xué)方法的實質(zhì)是建立一個描述物理模型的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值解法。本文提出的數(shù)學(xué)模型是以數(shù)據(jù)庫為中心的能源預(yù)測、能源平衡、能源優(yōu)化的三元模型。

1 能源預(yù)測模型：用戶端的負(fù)荷預(yù)測是制定規(guī)劃的基礎(chǔ)。預(yù)測需要從研究當(dāng)?shù)啬茉聪M的歷史和現(xiàn)狀開始，分析影響能源消費的各種因素，找出這些因素與能源需求量之間的量化關(guān)系，并根據(jù)這種關(guān)系對規(guī)劃期內(nèi)各階段和年度的能源需求進行估計和評價。這些因素一般包括資源、人口、經(jīng)濟發(fā)展速度及結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)技術(shù)水平、能源生產(chǎn)和消費的構(gòu)成等。應(yīng)該強調(diào)，必須把規(guī)劃期內(nèi)的技術(shù)進步和節(jié)能潛力作為需求預(yù)測的重要因素之一。我國已把“十一五”期間單位GDP能耗減低20％作為實現(xiàn)的目標(biāo)，各省市地方也相應(yīng)提出了自己的指標(biāo)，在能源預(yù)測中應(yīng)該考慮規(guī)劃期內(nèi)采用的各種節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用及效果，在按常規(guī)情況預(yù)測的冷熱電各種負(fù)荷量中扣除可能的節(jié)能量才能得到規(guī)劃期的實際需求。

事實上，這里把節(jié)能當(dāng)作一種外來的能源。負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性直接影響能源供應(yīng)及各中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的量化，最終決定了綜合能源規(guī)劃的可靠性。

數(shù)學(xué)模型是一組變量間的一組數(shù)學(xué)關(guān)系，其中一些變量可以直接取值稱為外生變量，另些變量需由直接取值的變量通過數(shù)學(xué)關(guān)系確定，稱為內(nèi)生變量。因此，能源預(yù)測模型的整體求解包括三個基本環(huán)節(jié)，即構(gòu)造一個完整的模型，給各外生變量賦值，及求解模型確定出各內(nèi)生變量。

能源預(yù)測模型種類繁多，分別適用于超短期規(guī)劃、短期預(yù)測、中期預(yù)測、或遠期預(yù)測，以及針對不同的規(guī)劃范圍。如傳統(tǒng)的最簡單的綜合性預(yù)測模型，即彈性系數(shù)模型，適用于全國、地區(qū)、或行業(yè)的規(guī)劃，但不適用于行業(yè)或企業(yè)的超短期規(guī)劃，其它傳統(tǒng)的預(yù)測有時間序列法、因果分析法等統(tǒng)計預(yù)測方法，正在發(fā)展的動態(tài)預(yù)測如模糊預(yù)測、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

對于新開發(fā)的區(qū)域或園區(qū)進行綜合能源規(guī)劃時由于沒有歷史數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)，負(fù)荷預(yù)測實際上是采用負(fù)荷分析的方法。對于熱、電、冷負(fù)荷分析一般是參考數(shù)據(jù)庫中典型建設(shè)的資料、結(jié)合設(shè)計資料和現(xiàn)場調(diào)研，選擇一些具有不同特點，有代表性的典型日來分析計算負(fù)荷。為了設(shè)備選型及系統(tǒng)優(yōu)化集成的需要，要確定典型日的逐時負(fù)荷曲線和相應(yīng)的年度負(fù)荷延時曲線。

2 能源平衡模型：傳統(tǒng)的能量平衡分析多采用能量平衡表，它用表格的形式綜合能源系統(tǒng)內(nèi)屬于一次能源和二次能源數(shù)據(jù)，把各種能源在能源系統(tǒng)中的所有轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)和流程關(guān)系在同一表中表示出來。目前我國統(tǒng)計部門已編制了各行業(yè)、各類型的能源平衡表并在廣泛應(yīng)用。

本文介紹的能源平衡分析模型是能流網(wǎng)絡(luò)模型，是進行系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析更簡便快捷的定量方法，適用于大量能源規(guī)劃方案的比選。其構(gòu)造可直觀表示為有向連線與節(jié)點的組合，有向連線表示系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工藝過程，其方向代表能流的流向。各過程在節(jié)點處相互銜接。在目前研究的靜態(tài)平衡系統(tǒng)中系統(tǒng)內(nèi)的能量流動狀態(tài)是連續(xù)的，且在過程內(nèi)部與過程之間都處于平衡狀態(tài)。系統(tǒng)的能量平衡過程由三個約束條件描述：① 每個工藝過程的輸入與輸出能量流之間存在確定的關(guān)系，用過程效率或損失相關(guān)聯(lián)；② 在各過程的銜接點處流入的能流量總和等于流出的能流量總和；③ 對于給定的系統(tǒng)，各節(jié)點處各過程之間的能流量分配可有預(yù)定的比例關(guān)系。

以上三個約束條件保證了在分析計算中無論改變一次能源、轉(zhuǎn)化方法、二次能源、或負(fù)荷需求時，系統(tǒng)總處于能量平衡狀態(tài)。

能流網(wǎng)絡(luò)平衡模型可用于兩類分析，一是進行能源系統(tǒng)的供求綜合平衡分析，二是進行能源系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析比較。

3 能源優(yōu)化模型：能源系統(tǒng)優(yōu)化是綜合能源規(guī)劃確定決策方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。即所謂“最優(yōu)化決策分析模型”。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可人為規(guī)定為：能源系統(tǒng)的供能成本最低；排放指標(biāo)盡可能低；供能安全系數(shù)盡可能高；這是一個多目標(biāo)規(guī)劃模型。

優(yōu)化約束條件主要有 滿足當(dāng)?shù)責(zé)?、電、冷、熱水、蒸汽、燃?xì)獾扔媚茇?fù)荷要求；各種化石燃料供應(yīng)和可再生資源類型與總量的約束；各種能源利用與轉(zhuǎn)化設(shè)備的效率、出力范圍、變工況性能曲線；各種可在生能源消耗與再生的平衡條件； 排放指標(biāo)的約束；投資總額、系統(tǒng)生命周期成本、其它經(jīng)濟指標(biāo)的約束等。

優(yōu)化求解的算法基本分為兩類，將多目標(biāo)函數(shù)利用加權(quán)簡化為單目標(biāo)函數(shù)求解；以及采用定量與經(jīng)驗結(jié)合的方法，如層次分析，模糊優(yōu)化等。

優(yōu)化過程可以是局部優(yōu)化也可是全局優(yōu)化，局部優(yōu)化可用于能源系統(tǒng)某些中間過程，如能流分配的優(yōu)化，轉(zhuǎn)化設(shè)備配置的優(yōu)化。全局優(yōu)化用于得到能源系統(tǒng)總體最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。

結(jié)束語

為了貫徹執(zhí)行國家“十一五”規(guī)劃，建設(shè)能源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，各級能源規(guī)劃部門把制定和實施綜合能源規(guī)劃的工作提升到應(yīng)有的地位，作為制定各專項規(guī)劃的基礎(chǔ)和指導(dǎo)是當(dāng)務(wù)之急，具有重大的現(xiàn)實意義。

制定綜合能源規(guī)劃的技術(shù)關(guān)鍵在于以新的理念和科學(xué)的方法建立符合自然規(guī)律，體現(xiàn)國內(nèi)外能源技術(shù)發(fā)展趨勢的物理數(shù)學(xué)模型，本文提出的物理數(shù)學(xué)模型屬于能源－經(jīng)濟－環(huán)境－技術(shù)綜合模型，以分布式能源、能源梯級利用、可再生能源與三聯(lián)供的耦合、及能源網(wǎng)絡(luò)等能源領(lǐng)域的先進技術(shù)的有機結(jié)合，形成一個具有創(chuàng)新性的制定綜合能源規(guī)劃的框架結(jié)構(gòu)。