王智遠(yuǎn)龔延風(fēng)湯盼城張千

1南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

2華潤(rùn)（南昌）市政設(shè)計(jì)有限公司

3江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心

0 引言

在我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)，能源與環(huán)境問題也愈發(fā)嚴(yán)峻，制定符合區(qū)域綠色發(fā)展需求的能源規(guī)劃是解決當(dāng)前嚴(yán)峻能源與環(huán)境問題的迫切需要。

區(qū)域建筑能源規(guī)劃的研究對(duì)象為區(qū)域內(nèi)的建筑能源系統(tǒng)。其中“區(qū)域”是指街區(qū)，社區(qū),小城鎮(zhèn),園區(qū)及開發(fā)區(qū)等數(shù)平方公里至近百平方公里的空間?！敖ㄖ茉础敝饕紤]的是區(qū)域內(nèi)滿足建筑的采暖，空調(diào)與生活熱水需求的所需能源，而非交通運(yùn)輸，工業(yè)生產(chǎn)等能耗。規(guī)劃旨在通過合理的能源配置結(jié)合一系列節(jié)能技術(shù)措施，達(dá)到區(qū)域內(nèi)的節(jié)能目標(biāo)。

當(dāng)前在編制區(qū)域建筑能源規(guī)劃時(shí)，對(duì)方案的選擇與評(píng)價(jià)過程往往僅憑人為判斷，具體方案與區(qū)域能源控制目標(biāo)缺乏內(nèi)在關(guān)系。本文希望引入網(wǎng)絡(luò)流理論，結(jié)合區(qū)域建筑能源規(guī)劃的實(shí)際特點(diǎn)，構(gòu)建區(qū)域建筑能源規(guī)劃模型，優(yōu)化區(qū)域能源配置形式，降低決斷中的人為干擾。

1 當(dāng)前能源規(guī)劃模型存在的問題

國內(nèi)外對(duì)能源規(guī)劃模型的研究主要從自上而下的宏觀經(jīng)濟(jì)角度，自下而上的工程角度以及兩者互為利用這三個(gè)角度展開[1-2]。主要模型有MARKAL模型、LEAP 模型、CGE 模型、3Es-Model、NEMS 模型、IIASA-WEC E3模型[3-4]等。以上幾種能源規(guī)劃模型主要是面向國家和省市層面能源規(guī)劃中的綜合能源生產(chǎn)規(guī)劃，從宏觀層面確定能源方案，在制定區(qū)域建筑能源規(guī)劃時(shí)直接采用上述模型會(huì)存在一些問題[5]。

①區(qū)域建筑能源規(guī)劃的規(guī)范范圍主要是街區(qū)、社區(qū)等數(shù)平方公里至近百平方公里的空間，而以上能源規(guī)劃模型主要是針對(duì)國家級(jí)、省級(jí)層面的大區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃，涉及內(nèi)容過多，難以針對(duì)區(qū)域建筑的特征進(jìn)行規(guī)劃。

②區(qū)域建筑能源規(guī)劃是以區(qū)域內(nèi)新建和既有建筑為對(duì)象，主要考慮的是建筑運(yùn)行過程中的采暖空調(diào)與熱水供應(yīng)能耗，而傳統(tǒng)能源規(guī)劃模型除了建筑能耗以外還包括了工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)榷喾矫婺芎?，研究?jī)?nèi)容包含能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換、輸送、分配、消耗等全過程，而區(qū)域建筑能源規(guī)劃往往只考慮區(qū)域內(nèi)建筑能源的轉(zhuǎn)換，分配和消耗環(huán)節(jié)，因此傳統(tǒng)能源規(guī)劃模型應(yīng)用于區(qū)域建筑能源規(guī)劃過于龐大，無法適應(yīng)建筑能耗的規(guī)劃要求。

③當(dāng)前運(yùn)用的能源規(guī)劃模型大多直接引用國外模型或進(jìn)行適當(dāng)修改，因此模型內(nèi)數(shù)據(jù)格式類型與我國統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)格式存在較大區(qū)別，我國相關(guān)數(shù)據(jù)尚未統(tǒng)計(jì)或難以獲取，在模型應(yīng)用過程中造成初始資料不齊全問題，難以構(gòu)建符合我國實(shí)際情況能源規(guī)劃模型。

2 網(wǎng)絡(luò)流理論的引入

2.1 網(wǎng)絡(luò)流理論簡(jiǎn)介

圖G是由集合V與集合E構(gòu)成的二元組G=（V,E），其中集合V是圖的頂點(diǎn)集，集合E是集合V中元素組成的邊集。每條邊都有方向的圖稱為有向圖，有向圖的邊稱為弧或有向邊。而網(wǎng)絡(luò)N就是規(guī)定了源和匯，且每條有向邊上都賦了非負(fù)整數(shù)的賦權(quán)有向圖，記作N=（V,X,Y,A,C），其中X是網(wǎng)絡(luò)的源點(diǎn)集，Y是匯點(diǎn)集，V是頂點(diǎn)集，網(wǎng)絡(luò)中的其他點(diǎn)稱為中轉(zhuǎn)點(diǎn)。A是弧集，C稱為網(wǎng)絡(luò)的容量函數(shù)，是定義在弧集A上的非負(fù)函數(shù)，表示每條弧上傳輸能力的限制。

如果網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)源點(diǎn)和一個(gè)匯點(diǎn)，稱該網(wǎng)絡(luò)為單源單匯網(wǎng)絡(luò)，記為N=（V,x,y,A,C）。在實(shí)際應(yīng)用中為了計(jì)算方便需要將多源多匯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為單源單匯網(wǎng)絡(luò)，方法為：給多源多匯網(wǎng)絡(luò)N添加人工源s和人工匯t，對(duì)?x?X，從s向x連一條弧，其容量為∞或以x為起點(diǎn)的弧的容量之和，對(duì)?y?Y同理。

若網(wǎng)絡(luò)中每條?。紆,v＞都被賦以一個(gè)非負(fù)實(shí)數(shù)w(u,v)，表示弧上流過單位流量的費(fèi)用，稱w為費(fèi)用函數(shù)，這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)中，每條弧上的三元數(shù)組分別表示弧上的流量，容量與單位流量的費(fèi)用。

圖1 費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 可行性分析

網(wǎng)絡(luò)流問題中的最小費(fèi)用最大流問題是指在費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)中尋找總費(fèi)用最小的可行流，同時(shí)該可行流也是費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)的最大流，解決這一問題與區(qū)域建筑能源規(guī)劃的目的相似，即在滿足區(qū)域負(fù)荷的情況下，使區(qū)域內(nèi)建筑的采暖、空調(diào)、熱水配置方式合理且能耗最小。

能源配置方式可通過能源供應(yīng)，能源轉(zhuǎn)換和能源需求之間構(gòu)建出的建筑能源系統(tǒng)能源流通圖來表示，將能源供應(yīng)，能源轉(zhuǎn)換和建筑需求三個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容依據(jù)相互關(guān)系用有向線段連接，部分能源流通過程如圖2所示。

圖2 區(qū)域建筑能源系統(tǒng)能源流通示意圖

如圖2所示，區(qū)域建筑能源流通往往有以下特點(diǎn)：

①方向性：區(qū)域建筑能源主要通過能源供應(yīng),能源轉(zhuǎn)換及能源需求三個(gè)過程從而完成能源的提供、轉(zhuǎn)換、分配、消耗等一系列過程，因此能源的利用過程具有一定的方向。

②容量性：每一條有向線段上流過的能源量是有上下限的，能源量上限一般是指區(qū)域內(nèi)可提供、利用的某種能源最大值，下限一般來說是0。一些地區(qū)由于政策等因素，對(duì)部分能源的使用量提出要求，此時(shí)能源容量的上下限發(fā)生了變化。

③層級(jí)性：根據(jù)其中元素種類的不同，能源流通過程可分為能源供應(yīng)層、能源轉(zhuǎn)換層、能源需求這三個(gè)不同的層級(jí)。

網(wǎng)絡(luò)流理論與區(qū)域建筑能源流通過程具有一些相似點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)是規(guī)定了源和匯，并且每條有向邊上都賦了非負(fù)整數(shù)權(quán)的賦權(quán)有向圖，因此每條邊都具有方向；網(wǎng)絡(luò)中流的定義是在弧集A上的一個(gè)整值函數(shù)f，使得0≤f(a)≤c(a)，即網(wǎng)絡(luò)的容量特性；網(wǎng)絡(luò)中對(duì)只有輸出沒有輸入的點(diǎn)稱為源點(diǎn)，對(duì)只有輸入沒有輸出的點(diǎn)稱為匯點(diǎn)，其余的點(diǎn)稱為中轉(zhuǎn)點(diǎn)，形成了一個(gè)源點(diǎn)，中轉(zhuǎn)點(diǎn)以及匯點(diǎn)的三個(gè)層級(jí)。

根據(jù)上述分析，一方面最小費(fèi)用最大流問題與區(qū)域建筑能源規(guī)劃要解決的問題相似，另一方面網(wǎng)絡(luò)流的部分特點(diǎn)與區(qū)域建筑能源流通過程的特點(diǎn)相似，因此本文認(rèn)為可在區(qū)域建筑能源規(guī)劃中引入網(wǎng)絡(luò)流理論，構(gòu)建區(qū)域建筑能源規(guī)劃模型，并將最小費(fèi)用最大流問題的解法運(yùn)用于模型的求解過程中。

3 模型構(gòu)建

3.1 物理模型構(gòu)建

在區(qū)域建筑能源流通過程中，能源供應(yīng)層包含區(qū)域內(nèi)可以利用的能源種類，能源轉(zhuǎn)換層描述各種能源的轉(zhuǎn)換方式，能源需求層主要考慮區(qū)域內(nèi)不同類型建筑的空調(diào)、供暖及熱水需求。

以夏季普通居住建筑為例，夏季供冷常采用的能源轉(zhuǎn)換形式有分體空調(diào)、多聯(lián)機(jī)空調(diào)、地源熱泵等。在能源供應(yīng)層中可通過電網(wǎng)電力來滿足分體空調(diào)、多聯(lián)機(jī)空調(diào)的實(shí)現(xiàn)，地源熱泵則需要通過淺層地?zé)崮芎碗娋W(wǎng)電力共同作用來實(shí)現(xiàn)，生活熱水可由太陽能熱水器提供，以此將各元素之間依據(jù)相互關(guān)系用有向線段連接，得到網(wǎng)絡(luò)流圖，普通居住建筑夏季網(wǎng)絡(luò)流圖如圖3所示。

圖3 普通居住建筑供冷網(wǎng)絡(luò)流圖

參照?qǐng)D3的構(gòu)建方法，將夏季區(qū)域建筑能源規(guī)劃中各層元素分層排布，不同層級(jí)之間的元素根據(jù)能源流通關(guān)系用有向線段相連接，由能源流出元素指向能源流入元素。將能源供應(yīng)層中元素用X表示，能源轉(zhuǎn)換層中元素用V表示，能源需求層中的元素用Y表示，并添加人工源點(diǎn)s和人工匯點(diǎn)t。夏季區(qū)域建筑能源規(guī)劃模型如圖4所示。

圖4 夏季區(qū)域建筑能源規(guī)劃模型圖

3.2 模型數(shù)據(jù)說明

圖4構(gòu)建出的能源規(guī)劃模型描述了所有可行的能源配置方案，模型中各能源供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、需求形式對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)圖中的頂點(diǎn)，各有向線段對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中的弧，各有向線段上能源的流量對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中弧上的容量，同時(shí)各有向線段上還有單位流量的能耗，對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中的費(fèi)用。

能源供應(yīng)層X至能源轉(zhuǎn)換層V各弧的容量為各類能源的可利用量，其中電力、天然氣可利用量可根據(jù)相關(guān)上位規(guī)劃獲得，太陽能、淺層地?zé)崮艿瓤稍偕茉蠢昧啃韪鶕?jù)實(shí)際調(diào)研及計(jì)算得到。能源轉(zhuǎn)換層V至能源需求層Y各弧的容量為各能源轉(zhuǎn)換設(shè)備所提供的冷水、熱水等所包含的能量。能源需求層Y至人工匯t各弧的容量為各建筑負(fù)荷需求，可用單位面積負(fù)荷指標(biāo)估算或軟件模擬得到。人工源s至能源供應(yīng)層X各弧上的容量根據(jù)上節(jié)內(nèi)容計(jì)算，如圖4中?。約,x2＞ 的容量為 c(s,x2)=c(x2,v4)+c(x2,v5)+c(x2,v12)。模型的總能耗為能源供應(yīng)層輸出的總能量，在能源供應(yīng)層X至能源轉(zhuǎn)換層V各弧上賦予費(fèi)用，其值為不同能源與電的轉(zhuǎn)換系數(shù)，其余各弧上費(fèi)用為0。

4 模型求解方法與應(yīng)用思路

4.1 模型求解方法

本文采用由Busacker和Gowan在1961年提出的Busacker-Gowan迭代法來求解最小費(fèi)用最大流問題。該解法首先把零流作為網(wǎng)絡(luò)的初始流，找到一條從源點(diǎn)至匯點(diǎn)的增廣鏈，保證這條增廣鏈為最小費(fèi)用的一條。如果存在增廣鏈，則在該流上增加流得出新流。將新流重新作為初始流，重復(fù)上述過程直至找不出新的增廣鏈，此時(shí)的可行流即為最小費(fèi)用最大流。這種方法的特點(diǎn)是保持解的最優(yōu)性，而逐漸向可行解靠近。

在實(shí)際計(jì)算中，由于區(qū)域內(nèi)能源種類、適宜能源轉(zhuǎn)換形式與建筑需求類型較多，采用BG迭代法手動(dòng)計(jì)算會(huì)過于復(fù)雜，需采用MATLAB軟件進(jìn)行輔助。采用BG迭代法的MATLAB程序時(shí)先需要將模型矩陣化，使計(jì)算機(jī)可以識(shí)別。該程序通過輸入費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)的容量矩陣C與費(fèi)用矩陣B，輸出最小費(fèi)用最大流矩陣，最大流與最小費(fèi)用。

4.2 模型應(yīng)用思路

在進(jìn)行區(qū)域建筑能源規(guī)劃之前，先需要對(duì)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，了解區(qū)域內(nèi)各類能源可利用情況、建筑開發(fā)建設(shè)情況等，以此確定初步規(guī)劃方案。確定后根據(jù)初步能源規(guī)劃方案建立模型并求解，在得到能源配置方案與最小能耗后，需要根據(jù)規(guī)劃區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行分析，若能源配置不合理或能耗超過區(qū)域內(nèi)要求，需要對(duì)模型進(jìn)行修改，再一次進(jìn)行計(jì)算，直至得到的區(qū)域能源配置方案與區(qū)域內(nèi)總能耗均滿足要求。

5 結(jié)論

1）網(wǎng)絡(luò)流理論與區(qū)域建筑能源規(guī)劃特點(diǎn)與求解問題相似，可將網(wǎng)絡(luò)流理論引入?yún)^(qū)域建筑能源規(guī)劃中。

2）區(qū)域建筑能源規(guī)劃模型分為能源供應(yīng)、能源轉(zhuǎn)換、能源需求三層，各層元素根據(jù)能源流通用弧連接，各弧被賦以容量與費(fèi)用。

3）模型可采用BG迭代法與其MATLAB程序進(jìn)行求解，并且求解不是一個(gè)一次性的過程，而是一個(gè)計(jì)算,分析,優(yōu)化，再計(jì)算的過程。

[1]張阿玲,鄧淮,何建坤.適合中國國情的經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境（3E）模型[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,42(12):1616-1620.

[2]Poulopoulos S G,Samaras D P,Philoppoulos C J.Regulated and unregulated emissions from an internal combustion engine operating on ethanol containing fuels[J].Atmospheric Environment,2001,35(26):4399-4406.

[3]Li Z D.An econometric study on China’s economy,energy and environment to the year 2030[J].Energy Policy,2003,31(12):1137-1150

[4]魏一鳴,吳剛,劉蘭翠,等.能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)建模與應(yīng)用進(jìn)展[J].管理學(xué)報(bào),2005,2(2):159-170.

[5]劉貞,張希良.區(qū)域可再生能源規(guī)劃基本框架研究[J].中國能源,2010,32(2):38-41.