1 概述

 

  中國在實行改革開放政策的30 多年來，經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對能源的消耗也不斷加大。中國的能源資源總量約為世界的10%，但人均資源占有量僅為世界人均資源占有量的40%，因此能源供應(yīng)前景不容樂觀。2010 年，中國一次能源消費量為32． 5 × 108 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，超過美國成為全球第一能源消費大國。種種跡象表明，能源消耗已經(jīng)成為中國在發(fā)展中需要高度重視的一個問題，這個問題會影響到中國今后在經(jīng)濟(jì)和社會各方面的發(fā)展前景。

 

  能源問題使得能源規(guī)劃在我國具有重要的實際意義。中國的人口、資源儲藏和能源消耗具有明顯的地區(qū)性差異，因此，對某區(qū)域( 小到村鎮(zhèn)，大到幾個省) 進(jìn)行有針對性的能源規(guī)劃尤其必要。在改革開放之前，中國的區(qū)域能源規(guī)劃大多為北方地區(qū)的供熱規(guī)劃，都屬于行政性條文而沒有成為一類研究課題。在改革開放之后，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的進(jìn)步以及系統(tǒng)科學(xué)的興起，我國對區(qū)域能源規(guī)劃的研究從無到有，并且隨著時代的發(fā)展不斷豐富和深化，呈現(xiàn)出與當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展?fàn)顩r相對應(yīng)的特點。本文對中國區(qū)域能源規(guī)劃的研究發(fā)展歷程進(jìn)行探述。

 

  2 20 世紀(jì)80 年代: 研究的起步

 

  20 世紀(jì)70 年代末，我國實行改革開放政策。

 

  與經(jīng)濟(jì)改革對應(yīng)，我國當(dāng)時的能源發(fā)展戰(zhàn)略為“在堅持改革、對內(nèi)搞活、對外開放中，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，進(jìn)行綜合開發(fā)”［3］。在這一戰(zhàn)略思想的指導(dǎo)下，各地區(qū)能源規(guī)劃大多突出了“綜合開發(fā)”的特點，新能源和可再生能源的利用在地區(qū)性的能源規(guī)劃中得到了充分的重視和應(yīng)用。1979 年，科學(xué)家錢學(xué)森在光明日報發(fā)表了文章《大力發(fā)展系統(tǒng)工程，盡早建立系統(tǒng)科學(xué)的體系》; 1980 年，中國運籌學(xué)學(xué)會成立; 系統(tǒng)工程方法的研究和應(yīng)用在中國活躍起來，其直接的影響是把系統(tǒng)優(yōu)化方法引入到經(jīng)濟(jì)決策中，各部門紛紛采用最優(yōu)化技術(shù)制定發(fā)展規(guī)劃。

 

  20 世紀(jì)80 年代，中國對區(qū)域能源規(guī)劃的研究主要以國家科技成果為主。清華大學(xué)在這方面做了很多工作。1985 年，清華大學(xué)的核能技術(shù)研究所對北京地區(qū)的能源系統(tǒng)規(guī)劃方法及其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，將研究成果在北京地區(qū)加以應(yīng)用并在中國部分地區(qū)推廣。該規(guī)劃模型運用了系統(tǒng)分析、運籌學(xué)方法和計算機(jī)技術(shù)，可用于地區(qū)能源系統(tǒng)規(guī)劃與政策研究，亦可用于部門和企業(yè)，進(jìn)行能源需求預(yù)測、供需平衡、供應(yīng)系統(tǒng)方案比較與選擇、能源與其他資源的優(yōu)化分配、系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評價等工作。

 

  1988 年，清華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院研究成功了能源規(guī)劃( MARKAL) 模型矩陣/報告發(fā)生器。該軟件使用靈活，方便用戶，適應(yīng)性廣，可用于編制各省、區(qū)的能源規(guī)劃。另外，清華大學(xué)技術(shù)經(jīng)濟(jì)能源所承擔(dān)了“七五”國家科技攻關(guān)項目的一個子課題，對縣級農(nóng)村能源建設(shè)問題做了研究，總結(jié)出一套科學(xué)的規(guī)劃工作程序，建立和發(fā)展了一套科學(xué)的農(nóng)村能源規(guī)劃方法及模型體系，并在12 個試點縣的規(guī)劃和建設(shè)中得到了實際應(yīng)用。

 

  在20 世紀(jì)80 年代這10 年間，中國各地方政府的相關(guān)部門也對區(qū)域能源規(guī)劃做了許多的工作，發(fā)布了相應(yīng)的國家級科技成果。這些科技成果多以農(nóng)村能源規(guī)劃為主，最具有代表性的是江西省玉山縣、河北省河間縣和黑龍江省哈爾濱市等地。這些地區(qū)的農(nóng)村能源規(guī)劃在制定時分別應(yīng)用了層次逐步優(yōu)化建模法、能源平衡表和網(wǎng)絡(luò)圖、能量消費流程圖等工具，統(tǒng)計并分析了所轄區(qū)域內(nèi)農(nóng)村的各行業(yè)能源消費構(gòu)成，提出了能源消費的優(yōu)化方案，對區(qū)域內(nèi)各行業(yè)的發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

 

  除以上國家科技成果外，孟慶福、劉立民對吉林省輝南縣總體規(guī)劃中的能源規(guī)劃進(jìn)行了研究。

 

  他們采用系統(tǒng)工程理論的建模方法，以工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值翻兩番為目標(biāo)，對全縣的能源供求進(jìn)行了近期、中期和遠(yuǎn)期的預(yù)測，優(yōu)化了能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為總體規(guī)劃提供了能源方面的依據(jù)。原華中理工大學(xué)( 現(xiàn)已并入華中科技大學(xué)) 的劉立平、李開勤以HREM 模型( 農(nóng)村能源模型，劉立平于1987 年提出) 為基礎(chǔ)，經(jīng)過適當(dāng)簡化、合并和具體化得到新的縣級農(nóng)村能源發(fā)展規(guī)劃的模型體系［5］。該多級模型體系包括效應(yīng)關(guān)聯(lián)模型、MEDEE 模型( 法國能源經(jīng)濟(jì)研究所創(chuàng)建和發(fā)展的一種能源需求預(yù)測模型) 、能源系統(tǒng)優(yōu)化模型等，各子模型通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的媒介作用耦合成一個有機(jī)的模型系統(tǒng)。

 

  除農(nóng)村能源規(guī)劃外，西安交通大學(xué)的樂偉梁等對能源規(guī)劃中廣泛應(yīng)用的混合規(guī)劃方法做了研究，并用變量帶上界線性規(guī)劃方法對求解混合規(guī)劃問題中常用的Benders 算法做了改進(jìn)，解決了Benders 算法的維數(shù)災(zāi)難問題，節(jié)省了計算量和存儲量。改進(jìn)后的算法對能源開發(fā)規(guī)劃、能源運輸規(guī)劃、廠址選擇等實際問題的求解十分有效。

 

  3 20 世紀(jì)90 年代: 研究過渡期在20 世紀(jì)90 年代這10 年中，我國經(jīng)濟(jì)繼續(xù)迅速發(fā)展，地區(qū)性經(jīng)濟(jì)水平差異開始出現(xiàn)，這使得區(qū)域能源規(guī)劃研究的對象有向一省或多省級別轉(zhuǎn)移的趨勢。總體來看，在這一時期舊的研究熱點開始消退，新的研究熱點尚未形成，并且“系統(tǒng)工程熱”也有所減弱。這些原因共同導(dǎo)致了這10 年間關(guān)于區(qū)域能源規(guī)劃的研究成果較少。

 

  20 世紀(jì)90 年代前期，一些學(xué)者相繼對大區(qū)域

 

  的能源規(guī)劃進(jìn)行了研究。1993 年，中國礦業(yè)大學(xué)的賀祖琪等研究了西南云、貴、川3 省的能源重點建設(shè)工程的排序問題。他們先期考慮了重點建設(shè)工程的布局，在確定排序基本原則之后，構(gòu)造了0 － 1整數(shù)規(guī)劃模型來描述3 省的煤炭、火電、核電和水電等重點建設(shè)工程的綜合排序問題，最后用計算機(jī)對模型求解。1994 年，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的王林江、邵安綜合考慮了多因素的復(fù)雜關(guān)系，提出了1990—2000 年內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的能源規(guī)劃模型。他們的研究方法是: 建立線性規(guī)劃模型，在該模型基礎(chǔ)上修改得到混合整數(shù)規(guī)劃模型。改進(jìn)后的模型目標(biāo)函數(shù)與原模型相同，只有一部分約束條件發(fā)生變化。

 

  4 21 世紀(jì): 研究趨于興旺

 

  進(jìn)入21 世紀(jì)后，隨著我國經(jīng)濟(jì)增長，城市和城市群能源供應(yīng)緊張的問題開始顯現(xiàn)。因此，以城鎮(zhèn)區(qū)域能源規(guī)劃為主題的研究工作得到廣泛開展。與此同時，能源大量消耗引起的溫室效應(yīng)等環(huán)境問題也愈發(fā)嚴(yán)重。相應(yīng)地，對環(huán)境的影響也成為了區(qū)域能源規(guī)劃研究工作中新的重點。在21 世紀(jì)前10 年中，中國對區(qū)域能源規(guī)劃的研究熱點主要集中于“城鎮(zhèn)”和“環(huán)保”兩個關(guān)鍵詞，由此形成了以下幾個研究熱點。

 

  4． 1 熱點一: 著眼于建筑能耗的城鎮(zhèn)能源規(guī)劃21 世紀(jì)，中國進(jìn)入城鎮(zhèn)化快速增長期。城鎮(zhèn)人口和建筑面積均大量增長。龐大的城鎮(zhèn)人口導(dǎo)致了巨大的能源消耗，建筑面積的增長使得建筑能耗在城鎮(zhèn)能耗總量中所占的比例更大。因此，城鎮(zhèn)的能源規(guī)劃對當(dāng)前的中國而言意義重大，建筑能耗尤其應(yīng)當(dāng)作為城鎮(zhèn)能源規(guī)劃的重點考慮。清華大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)的學(xué)者近年來在這一領(lǐng)域做了許多研究工作，發(fā)布了一些領(lǐng)先的研究成果。

 

  2008 年，受國家“十一五”科技支撐計劃項目“城市能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)優(yōu)化與模擬技術(shù)”支持，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系的付林等提出了基于動態(tài)和空間分布的城市能源規(guī)劃方法。這種新的規(guī)劃方法在調(diào)研、收集資料的基礎(chǔ)上，綜合城市規(guī)劃中的熱力、燃?xì)夂碗娏σ?guī)劃，根據(jù)城市能源系統(tǒng)現(xiàn)狀和調(diào)研數(shù)據(jù)選擇能源負(fù)荷和轉(zhuǎn)換特性庫，作為城市能源系統(tǒng)情景設(shè)定的輸入條件，在軟件平臺上實現(xiàn)模擬計算，并利用評價體系判斷方案的可行性。該方法應(yīng)用的軟件平臺集成了管網(wǎng)輸配水力計算軟件，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)( GIS) 和環(huán)境污染物分析等軟件工具，以實現(xiàn)規(guī)劃成果的顯示。

 

  針對我國城市能源規(guī)劃缺乏模擬軟件平臺的狀況，該項目組還對城市能源規(guī)劃模擬軟件平臺及其模型進(jìn)行了研究和開發(fā)，取得了以下兩項成果:

 

  提出了三維分層城市能源系統(tǒng)模型，開發(fā)了CEEDS城市能源環(huán)境動態(tài)模擬工具。陳杰在此研究基礎(chǔ)上開發(fā)了基于能源設(shè)備特性的能源系統(tǒng)仿真平臺軟件City Energy V1． 0，實現(xiàn)和完善了CEEDS 的功能，具有初步的后處理和模擬結(jié)果輸出、圖表顯示功能。

 

  同在2008 年，同濟(jì)大學(xué)以龍惟定教授為首的研究團(tuán)隊對“區(qū)域建筑能源規(guī)劃”做了詳細(xì)的定義。

 

  以此為基礎(chǔ)，該團(tuán)隊引入了一些其他研究領(lǐng)域的理論和方法，近年來進(jìn)行了以下研究工作:

 

  ① 引入了綜合資源規(guī)劃( IRP) 方法。IRP方法是需求側(cè)管理理論與能源規(guī)劃相結(jié)合的產(chǎn)物，其核心是改變過去單純以增加資源供給來滿足需求的思維定勢，把因需求側(cè)能源利用率提高而節(jié)約的資源統(tǒng)一作為一種替代資源看待。運用IRP 方法，該團(tuán)隊提出了區(qū)域建筑能源規(guī)劃中包含的各方面所需要遵循的原則以及具體操作方法。

 

  ② 引入能值( emergy) 的概念。能值是指某種資源、產(chǎn)品或人類勞務(wù)形成所需直接或間接應(yīng)用的太陽能總量，表示在時間和空間上進(jìn)入產(chǎn)品的所有能量。根據(jù)能值分析的思想，該團(tuán)隊提出了反映區(qū)域建筑能源規(guī)劃系統(tǒng)特點的能值評價指標(biāo)，并通過一個實際案例給出了能源資源的能值評估過程。

 

  ③ 運用能源資源潛力分析、碳夾點技術(shù)等。

 

  能源資源潛力分析方法包括供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)兩方面，是綜合資源規(guī)劃方法所包含的重要內(nèi)容。碳夾點技術(shù)作為初步能源規(guī)劃工具，可以簡單、直觀地得到一種可行的能源規(guī)劃方案，適用于碳約束的低碳區(qū)域建筑可利用能源資源優(yōu)化。該團(tuán)隊于2010 年在文獻(xiàn)［14］中為區(qū)域建筑可利用能源資源量的評估提供了分析方法，主要介紹了供應(yīng)側(cè)資源中的可再生能源的資源量評估方法和需求側(cè)資源潛力分析的各種方法。又于2011 年在文獻(xiàn)［15］中以情景分析法為基礎(chǔ)，對碳排放限制和資源限制的低碳區(qū)域建筑可利用能源資源優(yōu)化問題進(jìn)行了情景設(shè)定，利用一個低碳區(qū)域建筑能源規(guī)劃的案例具體介紹了碳夾點技術(shù)的應(yīng)用方法。

 

  4． 2 熱點二: 強調(diào)低碳減排的區(qū)域能源規(guī)劃

 

  近年來，碳排放造成的環(huán)境負(fù)面影響引起了我國政府的高度重視，“低碳”成為我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一個關(guān)鍵詞。2009 年的哥本哈根會議上，我國政府向世界做出了2020 年單位GDP 的二氧化碳排放量比2005 年下降40% ～ 45% 的承諾。在這種大形勢下的許多區(qū)域能源規(guī)劃的研究工作中，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)被弱化，而碳減排則成為了研究的前提和最終目的。

 

  在 碳減排問題上，碳夾點技術(shù)是一種行之有效的分析手段。在2009 年，受國家自然科學(xué)基金項目和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目的雙重支持，施小妹等基于夾點分析技術(shù)，提出了一種最小化清潔能源用量的圖形方法，合成了受碳排放限制的能源規(guī)劃問題的總組合曲線［16］。他們分別通過總組合曲線方法和與之對應(yīng)的組合表格算法求得了幾個算例的最小零碳能源及低碳能源的用量，并將該圖形和表格方法推廣到多種清潔能源問題中。同年，受綠色化學(xué)產(chǎn)品技術(shù)廣東省重點實驗室開放基金支持。

 

  賈小平等以某化工園區(qū)的能源規(guī)劃為例，運用碳夾點分析方法對能源系統(tǒng)進(jìn)行分析，運用累積二氧化碳排放量－ 累積能源用量組合曲線圖，確定最小清潔能源目標(biāo)、能源需求結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的二氧化碳排放量，最終得到了碳減排的量化結(jié)果［17］。

 

  長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)( LEAP) 是一個基于情景分析的能源–環(huán)境模型軟件，已在150 多個國家得到了應(yīng)用。2010 年，受國家自然科學(xué)基金項目和國家863 資助項目雙重支持，賈彥鵬、劉仁志基于LEAP 模型框架，建立起針對基準(zhǔn)情景和節(jié)能低碳情景的能源消費和二氧化碳排放的預(yù)測技術(shù)。并以江西省景德鎮(zhèn)市為例，預(yù)測這兩種情景下能源需求和二氧化碳排放變化［18］。

 

  天津中新生態(tài)城是中國、新加坡兩國政府的戰(zhàn)略性合作項目，是世界上第一個國家間合作開發(fā)建設(shè)的生態(tài)城市。2010 年，受國家科技支撐項目“既有建筑綜合改造技術(shù)集成示范工程”的資助，談孜超等基于生態(tài)城2020 年的發(fā)展規(guī)劃，利用綜合資源規(guī)劃方法對生態(tài)城的能耗進(jìn)行了預(yù)測。隨后計算了采用比節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的節(jié)能措施而減少的能耗，又計算了生態(tài)城可再生能源的利用量以及由于應(yīng)用節(jié)能措施和可再生能源而減少的二氧化碳排放量［19］。

 

  4． 3 熱點三: 區(qū)域可再生能源規(guī)劃

 

  太陽能和生物質(zhì)能( 以沼氣為代表) 等可再生能源在我國20 世紀(jì)80 年代的農(nóng)村能源規(guī)劃中就已被應(yīng)用。進(jìn)入21 世紀(jì)，我國政府更加重視可再生能源的開發(fā)和利用，2005 年頒布的《可再生能源法》就是一個標(biāo)志。在進(jìn)行區(qū)域能源規(guī)劃時，為達(dá)到低碳的目標(biāo)，利用可再生能源是必經(jīng)之路。前文所提到的區(qū)域能源規(guī)劃的研究工作中，可再生能源都是作為區(qū)域能源的一個組成部分而非主要研究對象。一些學(xué)者將可再生能源獨立出來，開辟了一個新的研究方向。

 

  在省級可再生能源規(guī)劃方面，國家發(fā)改委能源研究所高虎等在2004 年填補了我國的空白。他們利用LEAP 模型，借助湖南省和新疆維吾爾自治區(qū)兩個案例研究了省級可再生能源規(guī)劃的具體步驟以及利用LEAP 模型的定量分析方法。根據(jù)規(guī)劃結(jié)果，分析了LEAP 模型在省級可再生能源規(guī)劃方面應(yīng)用的長處和不足。受國家自然科學(xué)基金的資助，清華大學(xué)的陳榮等在2006 年以MESSAGE 模型耦合能源需求MAED 模型為基礎(chǔ)，提出可再生能源綜合規(guī)劃方法，并以四川省為例進(jìn)行實證。

 

  4． 4 熱點四: 傳統(tǒng)意義上的城市能源規(guī)劃

 

  2002 年，青島科技大學(xué)的雷仲敏以某市居民用能情況的調(diào)查資料為依據(jù)，采用矩陣規(guī)格化處理方法分析了適用于該市居民的4 種用能方案，并將方案按最小成本原則排序，最后對居民的家庭投資能力和投資意向進(jìn)行了調(diào)查和分析。2003 年，中國礦業(yè)大學(xué)的樊京春等對廣西省柳州市進(jìn)行了能源規(guī)劃［23］。他們首先制定能源平衡表，隨后用能源彈性系數(shù)法進(jìn)行能源需求預(yù)測，最后采用線性規(guī)劃方法進(jìn)行定量優(yōu)化，最終實現(xiàn)了能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益三者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

 

  在國家科技成果方面，濟(jì)南市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所在2001 年至2003 年期間對濟(jì)南市進(jìn)行了環(huán)境能源規(guī)劃研究，成果主要包括: 重點用能單位的實地調(diào)查; 利用彈性系數(shù)法和部門分析法對濟(jì)南市2005年能源消費需求進(jìn)行預(yù)測，克服了單一方法的不確定性; 在國內(nèi)首創(chuàng)了利用對流層高分辨率物質(zhì)模式，動態(tài)地模擬能源消費變化對環(huán)境空氣質(zhì)量影響的方法; 針對濟(jì)南市能源消費結(jié)構(gòu)和工業(yè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)提出規(guī)劃方案，并以高能耗行業(yè)為重點，提出行業(yè)企業(yè)層面的技術(shù)改造和節(jié)能措施。

 

  5 結(jié)語

 

  通過我國區(qū)域能源規(guī)劃研究的發(fā)展歷程可以看出，我國區(qū)域能源規(guī)劃的研究開始于改革開放之后，但總體而言，至今研究工作開展得并不廣泛。直至近幾年，我國對區(qū)域能源規(guī)劃的研究基本集中于系統(tǒng)工程方法和國外既有能源規(guī)劃模型的應(yīng)用以及改進(jìn)。2008 年前后，清華大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)的學(xué)者幾乎同時對區(qū)域能源規(guī)劃進(jìn)行了新的探索，使我國區(qū)域能源規(guī)劃的研究呈現(xiàn)出了新氣象。前者重點研究城市能源規(guī)劃的模型和軟件開發(fā)，后者以“區(qū)域建筑能源規(guī)劃”為題目引入其他領(lǐng)域的理論和方法進(jìn)行研究。這兩個研究方向本質(zhì)上都是對城鎮(zhèn)內(nèi)整體或局部建筑群的能源規(guī)劃研究。

 

  此外，已經(jīng)有學(xué)者開始關(guān)注區(qū)域可再生能源規(guī)劃和中小城鎮(zhèn)的能源規(guī)劃。隨著我國能源緊張問題的加劇和城市化的快速進(jìn)行，這兩個方向很可能成為今后幾年我國區(qū)域能源規(guī)劃領(lǐng)域新的研究熱點。