一、制定綜合能源規劃是促進社會可持續發展的當務之急

為貫徹執行“十一五”節能減排的目標，建設能源節約型和環境友好型社會，實現經濟的可持續發展，我國各省市自治區及縣鎮地方政府、各類型開發區及新型園區的建設部門開始把制定能源規劃作為制定經濟社會發展規劃的重要組成部分。

傳統的能源規劃是以滿足能源供求關系為基本出發點、以化石能源資源為物質基礎、核心內容是電力、熱力、燃氣等各行業制定的專項規劃。這種方法已不能適應當前經濟體制和社會發展的需求，制定以科學的理念和新型的物理數學模型為基礎，最大限度地節約資源、減低有害物排放、促進社會經濟可持續發展的綜合能源規劃已經提到重要的地位。

由于20世紀后期可持續發展概念的提出，特別是我國改革開放的不斷深化和市場經濟體制的逐步完善，編制“十五”、“十一五”期間能源規劃的總體思路及方法在不斷改進和發展，體現在能源規劃與社會經濟發展規劃的協調關系，從簡單的能源配套到社會經濟規劃的基礎支撐；從自上而下的計劃到加強市場引導；從資源開發的被動增長到終端能源的高效利用；從規劃與管理脫節到規劃－管理－反饋的實效目標。然而，由于能源管理體制的制約及電力、熱力、燃氣等行業長期形成的獨立經營的管理模式，致使國內在制定綜合能源規劃方面至今停留在探索階段，尚未在規劃行業得到共識，沒有在制定市政規劃、區域發展規劃和能源規劃中作為必要的環節并形成行業規范。規劃部門的有些人仍然抱著傳統規劃的理念和方法，在一些市區縣級的能源規劃中仍然把專項規劃作為制定規劃的基點，違背能源綜合利用的原則，不認識在專項規劃前制定綜合能源規劃的必要性，甚至成為阻力。任何新思想新事物的形成、發展、傳播、和應用都需要一個過程，如何縮短這個過程正是擺在各級政府領導、規劃主管部門面前的責任。

制定綜合能源規劃的技術關鍵首先在于建立科學的物理模型與數學模型。 物理模型反映規劃的目標、功能、范圍、和方法。國外工業發達國家編制復雜能源規劃的歷史較早，從20世紀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的安全研制了預測供應和需求的能源供求模型；80年代中期世界環境溫度變暖，控制溫室氣體排放成為全球關注的焦點，相應發展了能源與環境結合的能源－環境模型；90年代以后，隨著世界范圍能源需求的急劇增長和經濟可持續發展概念的提出，研究和發展了多目標的能源－經濟－環境－技術綜合性模型。目前國際尚未有對能源模型有統一的分類方法，除了上述按目標與功能的分類外還可按規劃的范圍分類，有全球能源模型、國家能源模型、區域能源模型、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，是更深層的技術性模型，從本質上規定了制定規劃的基本原理、組成要素、總體結構、建模方法。由于這種模型反映了綜合能源規劃的物理內涵和基本特征，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劃，大到國家、省市縣地區，小到有限范圍的園區規劃。本文介紹的數學模型是在物理模型的基礎上實現量化過程的數學方法，隸屬于系統分析和數學規劃范疇，其基本結構是以數據庫為中心，以能源預測、能源平衡、能源優化一體化的三元模型。

二、綜合能源規劃物理模型制定

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

新開發區域綜合能源規劃應該采用完全新的理念，盡可能應用成熟的能源新技術，這些新技術既是有獨立意義的子模型，又相互融合，通過能流網絡有機結合成一個完整的能源模型系統。圖示如下：1 分布式能源技術子模型：分布式能源是指將能源生產系統以小規模(幾千瓦至數萬千瓦)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、熱水等負荷，根據用戶用能的特點，定制式的能源生產系統。分布式能源系統的構成是資源的多元化和能源轉化利用技術的多元化，可以開發利用當地各種可再生能源（如地熱能、太陽能、風能、生物質能、水能、工業余壓余熱利用等）。由于分布式能源避免了傳統的大機組、大電廠、大電網帶來的能源生產和長距離傳輸損失，在更大范圍以能源聯供替代分供方式，是節能減排最有效的途徑。

當電力最初進入了人類的生活和生產活動，無論煤電、水電、核電都由于其固有的生產特點采用了集中供應的方式。隨著工業化的進程和電力工業的迅速發展，各國政府對集中供電采取了一些保護政策，助長了行業壟斷的形成，大機組、大電廠、大電網的趨勢越演越烈。然而，隨著能源、環境、安全問題的突出及多種因素的影響，分布式能源技術（DE）應運而生。其發展優勢表現于： 集中發電不能最有效的利用余熱，而分布式發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；根據研究結果，傳遞1MWh熱能比傳遞同樣數量電能的損失增大7倍，集中供電將余熱傳遞遠處后再回收利用是很不經濟的，而分布發電不存在這個障礙；此外，很多工業部門如煉鋼、煉鋁、化學、石油、煉焦、玻璃等有大量的廢熱和低熱值可燃氣，這些能量傳遞到遠處發電或余熱利用是不經濟的，而給分布發電提供了巨大的潛力。實際上，開發利用當地資源的區域性能源規劃必然應用到分布式能源的概念和技術。

美、英、日、尤其是歐洲國家如丹麥、瑞典、芬蘭等國自上世紀末期開始了分布式能源的研究并得到迅速發展。以芬蘭為例，由于政府對分布式能源的政策導向和優惠條件，2000年前后全國能源供應的布局發生了根本變化，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GDP增長一倍，但總能耗反而減小，生態環境進一步改善。分布式能源以成為當前國際范圍能源技術領域發展的大趨勢。

2 能源梯級利用子模型：根據熱力學第一定律，由一次能源轉化成二次能源直到用戶負荷的過程都是功與能的轉換過程，在這個過程中雖然依據能源守恒，能量總合保持不變，但能量品質和能級發生著變化。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，首先可用于發電，轉換成具有最高能級和品質的二次能源。發電后的余熱可以隨著溫度的逐漸降低加以逐級利用，發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機組的驅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生活熱水，直到溫度降低到接近環境溫度排放到大氣。

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

3 三聯供、可再生能源、蓄能耦合子模型：冷熱電三聯供是分布式能源系統的核心技術，三聯供與可再生能源不同方式的結合已成為世界能源技術發展的前沿技術。一種耦合方式是各種生物質燃料、垃圾及污水處理沼氣、及工業廢氣等直接作為燃氣內燃機等動力機的燃料，驅動發電機組，國外許多知名發動機制造廠家開發了適用于代用燃料和不同熱值的機型，廣泛應用于冷熱電聯供裝置。另一種耦合方式是同一個工程項目中采用三聯供裝置與可再生能源裝置的組合共同滿足冷熱電負荷，如水源或污水源熱泵、地熱熱泵、太陽能發電或供熱水、都可作為三聯供的輔助或調峰供能裝置。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荷大的用戶具有很好的經濟運行效果。多種多樣的能源種類與轉換技術的耦合實現了節能減排的更大效果，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，必須配置具有優化調度功能的自動控制系統。對于這種多機種、多臺數、多工況的復雜系統，必須跟蹤實時變化的冷熱電負荷，以最佳的運行模式調動各臺機組的啟停和出力，達到最大的節能與經濟運行。由此可知，綜合能源規劃不是一個目的，只是一個過程中的環節，只有著眼于規劃的可行性和可操作性，把規劃和運行管理緊密結合，才能取得實際的效果。

4 系統分析與能流網絡：系統分析是制定綜合能源規劃的中心環節，依據當地用戶的負荷特點，從可以利用的各種資源、及與其相應的各種能源轉化技術出發，對資源－轉化－終端負荷的全過程進行系統分析和統籌規劃，不需要以某種資源或轉化技術裝置為主，其它為輔的人為規定，規劃的最終選擇取決于達到規劃的優化目標，如滿足負荷前提下最小的能源系統建設成本、或最佳的節能、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，也可規定為多個優化目標進行優化方案的排序和決策建議。

系統分析采用能流網絡作為工具，以節點和有向連線表示的拓撲結構能流網絡可以具體形象地表示出資源－轉化－終端負荷的過程路線和有序的銜接關系、各環節的進出口能流中各類能源的比例、及轉化裝置的特性等。對于自下而上的規劃方法，可以把負荷預測得到的各種負荷作為已知的外生變量，從負荷端開始計算，通過矩陣運算求得中間各環節和資源端的結果。網絡模型由于可以自由的選擇當地的資源、當地可用的技術及設備特性，因此可以隱含地包括了分布式能源技術、能源梯級利用技術和三聯供、可在生能源、蓄能耦合技術，成為制定綜合能源規劃的基礎工具模型。

老區域的綜合能源規劃這些區域已經存在傳統的能源系統，綜合能源規劃必須在原有系統的基礎上加以利用和改造，以能源政策為導向盡可能注入新的能源理念和技術，形成一個傳統能源系統與新能源系統相耦合的綜和能源模型,這種耦合模型的創新點仍然在于融入了新能源與可再生能源技術、能源梯級利用技術、分布式能源及冷熱電三聯供技術、及能源網絡技術的子模型，如下圖所示。

三、綜合能源規劃數學模型

在確定了綜合能源規劃物理模型的基礎上需要通過數學方法進行量化分析計算，得到能源系統從一次能源到終端用戶的能流量的分配及各種過程參數，以及評價體系所需的各項技術經濟指標。數學方法的實質是建立一個描述物理模型的數學模型及數值解法。本文提出的數學模型是以數據庫為中心的能源預測、能源平衡、能源優化的三元模型。

1 能源預測模型：用戶端的負荷預測是制定規劃的基礎。預測需要從研究當地能源消費的歷史和現狀開始，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系，并根據這種關系對規劃期內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、經濟發展速度及結構、生產技術水平、能源生產和消費的構成等。應該強調，必須把規劃期內的技術進步和節能潛力作為需求預測的重要因素之一。我國已把“十一五”期間單位GDP能耗減低20％作為實現的目標，各省市地方也相應提出了自己的指標，在能源預測中應該考慮規劃期內采用的各種節能技術的應用及效果，在按常規情況預測的冷熱電各種負荷量中扣除可能的節能量才能得到規劃期的實際需求。

事實上，這里把節能當作一種外來的能源。負荷預測的準確性直接影響能源供應及各中間轉換環節的量化，最終決定了綜合能源規劃的可靠性。

數學模型是一組變量間的一組數學關系，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學關系確定，稱為內生變量。因此，能源預測模型的整體求解包括三個基本環節，即構造一個完整的模型，給各外生變量賦值，及求解模型確定出各內生變量。

能源預測模型種類繁多，分別適用于超短期規劃、短期預測、中期預測、或遠期預測，以及針對不同的規劃范圍。如傳統的最簡單的綜合性預測模型，即彈性系數模型，適用于全國、地區、或行業的規劃，但不適用于行業或企業的超短期規劃，其它傳統的預測有時間序列法、因果分析法等統計預測方法，正在發展的動態預測如模糊預測、人工神經網絡法等。

對于新開發的區域或園區進行綜合能源規劃時由于沒有歷史數據和運行數據，負荷預測實際上是采用負荷分析的方法。對于熱、電、冷負荷分析一般是參考數據庫中典型建設的資料、結合設計資料和現場調研，選擇一些具有不同特點，有代表性的典型日來分析計算負荷。為了設備選型及系統優化集成的需要，要確定典型日的逐時負荷曲線和相應的年度負荷延時曲線。

2 能源平衡模型：傳統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內屬于一次能源和二次能源數據，把各種能源在能源系統中的所有轉化環節和流程關系在同一表中表示出來。目前我國統計部門已編制了各行業、各類型的能源平衡表并在廣泛應用。

本文介紹的能源平衡分析模型是能流網絡模型，是進行系統技術經濟分析更簡便快捷的定量方法，適用于大量能源規劃方案的比選。其構造可直觀表示為有向連線與節點的組合，有向連線表示系統各環節的工藝過程，其方向代表能流的流向。各過程在節點處相互銜接。在目前研究的靜態平衡系統中系統內的能量流動狀態是連續的，且在過程內部與過程之間都處于平衡狀態。系統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系，用過程效率或損失相關聯；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，各節點處各過程之間的能流量分配可有預定的比例關系。

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、轉化方法、二次能源、或負荷需求時，系統總處于能量平衡狀態。

能流網絡平衡模型可用于兩類分析，一是進行能源系統的供求綜合平衡分析，二是進行能源系統的技術經濟分析比較。

3 能源優化模型：能源系統優化是綜合能源規劃確定決策方案的關鍵環節。即所謂“最優化決策分析模型”。優化的目標函數可人為規定為：能源系統的供能成本最低；排放指標盡可能低；供能安全系數盡可能高；這是一個多目標規劃模型。

優化約束條件主要有 滿足當地熱、電、冷、熱水、蒸汽、燃氣等用能負荷要求；各種化石燃料供應和可再生資源類型與總量的約束；各種能源利用與轉化設備的效率、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； 排放指標的約束；投資總額、系統生命周期成本、其它經濟指標的約束等。

優化求解的算法基本分為兩類，將多目標函數利用加權簡化為單目標函數求解；以及采用定量與經驗結合的方法，如層次分析，模糊優化等。

優化過程可以是局部優化也可是全局優化，局部優化可用于能源系統某些中間過程，如能流分配的優化，轉化設備配置的優化。全局優化用于得到能源系統總體最優的技術經濟指標。

結束語

為了貫徹執行國家“十一五”規劃，建設能源節約型和環境友好型社會，促進經濟可持續發展，各級能源規劃部門把制定和實施綜合能源規劃的工作提升到應有的地位，作為制定各專項規劃的基礎和指導是當務之急，具有重大的現實意義。

制定綜合能源規劃的技術關鍵在于以新的理念和科學的方法建立符合自然規律，體現國內外能源技術發展趨勢的物理數學模型，本文提出的物理數學模型屬于能源－經濟－環境－技術綜合模型，以分布式能源、能源梯級利用、可再生能源與三聯供的耦合、及能源網絡等能源領域的先進技術的有機結合，形成一個具有創新性的制定綜合能源規劃的框架結構。