能源与城市用地布局规划关系密切。能源是城市生产、生活的动力来源,它能够影响城市的空间形态、规模。反过来,城市规模、开发强度、空间形态也是决定能源需求、能源利用效率的主要因素。但传统的城市用地布局规划往往缺少能源因素的考虑,造成下一步能源规划时系统方案受限等问题。而能源规划(如燃气、电力、供热等规划) 则将总规、控规确定的用地布局及规模作为已定条件,缺少从优化能源利用、提高能源利用效率等角度对城市空间形态提出调整建议。建筑能源需求受外部气候条件、用户用能习惯、人流变化等因素影响,时刻变化,而能源供应通常在一段时间内稳定供应,能源供应与能源需求之间存在不匹配的问题。为了保障能源供应安全,对于投资较低的能源系统通常按照峰值负荷确定设备容量,而对于目前成本仍然较高的可再生能源利用设备、天然气分布式能源设备等,通常按照基础负荷设计规模,再配备调峰、储能设施。可见当能源负荷波动较大时,将造成设备容量偏大,设备利用率偏低、经济性差等问题。用地混合是优化需求侧结构,平稳负荷的重要手段之一。不同功能建筑用能需求持续时间、峰值负荷出现时间不同,因此按照合理的比例混合可达到消减峰值负荷,减少负荷波动的效果,进而减少能源供应设备装机容量、提升系统整体能效。而如何量化负荷波动性、以最大限度减小负荷波动为目标,寻求不同建筑的最优配比是解决上述问题的重要突破口。本文将结合具体案例,从降低建筑负荷波动的角度出发,研究考虑能源因素的用地布局优化方法,为城市用地布局规划提供参考。
传统的能源规划主要为供应侧规划,包括电力规划、燃气规划及供热规划。供应侧能源规划遵循安全可靠的原则,负荷预测采用人均指标法或单位建筑面积指标法等静态负荷指标方法,造成能源设施容量冗余,初投资增大;系统长期在低负荷情况下运行,能源输配管网容量偏大,供回水温差减小,输送能耗增加,运行成本增加(龙惟定,刘魁星,2017)。为适应新型城镇化进程中,终端用能需求高质化,终端用能形态多样化的趋势,需求侧能源规划成为能源规划的新方向。需求侧能源规划从需求侧出发,采用精细化负荷预测方法得到建筑动态负荷,以用户建筑负荷特性为基础,匹配用能需求与能源供应方式,确定能源系统构成及设备容量。可见建筑动态负荷特性是需求侧能源规划的关键。目前建筑动态负荷一般采用软件模拟得到。规划阶段通常缺少准确的建筑信息,通常采用典型建筑模型,按照节能要求设置建筑热工参数,根据现状调研数据及同类城市用能特性,设置人员及设备负荷率。
建筑负荷的平稳程度是消减初投资,提高设备利用小时数,节约运行能耗的关键。目前学者提出的判定负荷平稳程度的指标有负荷平准化率(龙惟定,2016;刘海静,潘毅群,2017)。负荷平准化率为:
以上指标适用于评价典型日建筑动态负荷特性。本文以全年建筑逐时负荷为分析对象,研究不同建筑的全年负荷的波动程度。为量化负荷波动程度,定义负荷波动指数为表征负荷波动程度的无量纲常数。负荷波动指数如下式所示,其值越小表示负荷越平稳,反之则表示负荷波动越大。
本文以永久会址为案例研究考虑能源因素的用地布局优化方法。同里新能源小镇永久会址位于江苏省苏州市同里镇同里湖东岸,与同里古镇隔湖相望。规划将其打造为国际能源变革论坛永久会址,兼具会议、论坛、培训、教育、实习、交流、观摩等多种功能,范围内全部为新建区域,总建设用地面积86hm2。主要用能用地对应的建筑类型有住宅、商业、旅馆、办公(注:商务、科研对应建筑类型为办公)、娱乐康体、文化设施六种。
本文以主要用能用地对应建筑类型为本次负荷特性分析的对象。建筑负荷主要包括炊事负荷、热水负荷、空调冷(热) 负荷、照明及日常电器负荷,考虑到炊事负荷、热水负荷相对较小且不同类型建筑负荷互补性不明显,且一般由电力及燃气两种系统解决,因此暂不列入本次分析对象。本文建筑负荷主要指空调(冷)热负荷、照明及日常电器负荷。以节能规范为基础,运用模拟软件,调用当地气象参数,结合居民用能习惯,可得到空调、照明及日常电器全年逐时负荷,通过折算、叠加可得到各类建筑全年及典型日逐时建筑能耗如图1、图2所示。
图1 全年建筑逐时能耗
Fig.1 Hourly energy consumption of buildings throughout the year
资料来源:笔者自绘.

图2 典型日建筑逐时能耗
Fig.2 Hourly energy consumption of buildings of a typical day
资料来源:笔者自绘.
根据全年逐时建筑能耗可计算得波动指数(如图3所示),建筑负荷波动性由小至大依次为:旅馆、娱乐康体、商业、住宅、文化设施、办公。
图3 建筑负荷波动指数
Fig.3 Building load fluctuation index
资料来源:笔者自绘.
由图1可以看出,建筑逐时负荷曲线季节性波动明显,高峰出现在制冷季及采暖季,过渡季较为平稳,办公建筑相对其他建筑负荷持续时间较短,办公、商业、文化设施、娱乐康体负荷较大。由图2可知,负荷高峰出现时间有一定的差别,工作日尤为明显,因此通过建筑功能混合可消减峰值负荷。旅馆、娱乐康体、商业负荷持续时间较长,日负荷曲线较为平稳,因此波动较小;办公建筑仅工作日运行,且日运行时间较短,因此波动较大。从负荷出现时间来看,住宅与办公、文化设施、商业、娱乐康体具有一定的互补性,办公、文化设施、商业、娱乐康体之间互补性不明显,旅馆因本身负荷较为平稳,与其他建筑互补性也不明显。通过建筑功能混合减小负荷波动的关键为具有负荷互补性的建筑之间最优组合,即住宅与其他建筑的最优建筑面积配比。为进一步分析住宅与办公、商业、文化设施、娱乐康体的互补程度及最优组合比例,计算住宅与其他类型建筑两两组合时,不同建筑面积配比时的波动指数。由图4可知,建筑配比在一定区间范围内时,负荷波动较为平稳,负荷波动在住宅与办公建筑最优组合时达到最小值0.63。从各类建筑与住宅最优组合时的波动指数(如表1所示),可以看出住宅与办公建筑负荷互补性最明显,其次是文化设施、娱乐康体、商业,可见住宅及办公的比例是影响混合建筑的关键因素。
图4 住宅与其他建筑不同配比时负荷波动曲线
Fig.4 Load fluctuation curve of mixed-use buildings at different ratios of residential use
and non-residential uses
资料来源:笔者自绘.
表1 住宅与其他建筑建筑面积最优配比区间
Tab.1 Optimal matching ratio of building area of residential use and non-residential uses

能源仅是影响城市用地布局众多因素之一,考虑能源因素的用地布局规划应从对已形成方案评估入手,即根据用地面积、容积率、逐时负荷计算混合用地的建筑负荷波动指数,并分析各类建筑的建筑面积与负荷波动指数的关系,以确定优化方向。根据永久会址原有规划用地平衡表及相应的容积率控制范围(如表2所示),可计算得优化前的主要用能用地混合后负荷波动指数在0.78—0.92之间,错峰消减峰值负荷11%—18%,最大负荷是平均负荷的4.2倍。表2 容积率范围一览表
Tab.2 List of floor-area ratio range

资料来源:上海同济城市规划设计研究院,2016.
图5、图6是在各类用地面积不变的情况下,5类用地分别取容积率低限、高限时,剩下一类用地容积率与混合用地的波动指数的关系。由图5、图6曲线斜率可以看出容积率变化对负荷波动指数影响较大的用地类型有居住、旅馆、商务、科研;居住、旅馆容积率与负荷波动指数呈负相关关系;商务、科研容积率与负荷波动指数呈正相关关系。住宅、旅馆容积率越高,商务、科研容积率越低,越有利于负荷平稳。
图5 波动指数与容积率关系图(低限)
Fig.5 Fluctuation index and floor-area ratio diagram (low limit)
资料来源:笔者自绘.

图6 波动指数与容积率关系图(高限)
Fig.6 Fluctuation index and floor-area ratio diagram (high limit)
资料来源:笔者自绘.
用地布局优化的原则是在尽量减少用地调整及不影响规划主要功能的前提下,通过调整各类建筑比例最大限度减少建筑负荷波动指数。
由计算结果可知,优化前用地的波动指数与最小值0.63有一定的差距,可见用地结构仍有优化空间。永久会址核心功能为会议、论坛,围绕该功能配置的用地类型主要包括文化设施、旅馆、娱乐康体用地。为不影响核心功能,用地结构优化时维持上述用地比例不变。用地比例调整主要对象为其他对主要功能影响较小的用地,即居住、商业、商务、科研用地。为尽量减少用地调整,本次用地布局优化分析时尽量保持原商务、科研用地及商业用地之间的比例不变,并选取有利于负荷平稳的最优容积率进行分析计算。通过计算,当居住用地面积在18.88—24.74hm2,商务及科研用地在4.40—7.66hm2之间,商业用地在3.44—5.99hm2之间,其他用地维持原面积时,该区域负荷波动指数在0.64—0.65之间,错峰消减峰值负荷28%—32%,最大负荷是平均负荷的2倍左右,与调整前相比调峰量大幅减小,混合建筑负荷特性较优。结合上文分析结果及和区域的功能定位调整用地平衡表如表3所示。
表3 用地平衡表对比
Tab.3 Comparison of land balance

资料来源:上海同济城市规划设计研究院有限公司,2016.
考虑永久会址周边地区开发后,将与永久会址区域纳入同一个供能范围,因此也可维持原用地方案,通过在永久会址周边增加相应用地,从大范围优化建筑能耗负荷特性。
从负荷平稳化角度出发,未来永久会址区域周边建议适当增加一定比例的居住用地,若容积率控制在1.2—1.8之间,则新增用地面积宜控制在37—76hm2之间(用地面积取低值时,居住用地容积率取高值,用地面积取低值时,居住用地容积率取高值),此时负荷波动指数在0.63—0.65之间,错峰消减峰值负荷27%—32%,最大负荷也是平均负荷的2倍左右。

图7 优化前用地规划图
Fig.7 Land-use planning map before optimization
资料来源:上海同济城市规划设计研究院有限公司,2016.

图8 优化后用地规划图
Fig.8 Land-use planning map after optimization
资料来源:上海同济城市规划设计研究院有限公司,2016.
本文采用软件模拟对苏州地区6类典型建筑负荷进行预测,并基于这几类建筑逐时负荷数据,以负荷波动指数为评价指标,分析各类建筑之间的互补性,得出住宅建筑与办公、商业、旅馆、文化设施、娱乐康体建筑的最优配比区间0.4—0.6、0.5—0.9、0.5—0.8、0.5—1.0。最后对实际规划案例的混合用地负荷波动指数进行了评估,并对用地布局进行了优化,优化后负荷波动指数从原来的0.78—0.92降低到0.64—0.65。结合上文分析可将基于能源负荷平稳化的用地布局优化方法总结如下。(1) 根据用地分类及比例筛选主要的用能用地类型,将其对应的建筑类型作为下一步负荷分析的对象。(2) 充分考虑不同用户的用能习惯、并依据节能相关规范要求对筛选出来的典型建筑进行建筑能耗模拟,最终确定全年逐时建筑负荷数据。(3) 进行单种用地及组合用地波动指数计算,分析各类用地负荷互补关系,研究具有互补关系的建筑间的最优配比,确定混合用地最小波动指数。(4) 按照已有用地面积及容积率等边界条件,计算用地方案混合用地的波动指数,对其进行评估,确定优化空间及方向。(5) 从规划总体考虑确定可调整用地及调整空间,根据(3) 的结论,求解负荷波动指数最小时的最优建筑面积配比区间,当容积率确定时,根据配比提出用地、容积率调整建议。能源仅为用地布局规划需要考虑的因素之一,因此本文研究的方法是在规划总体层面确定的边界条件下,在合理的范围内寻求最优的用地配比。可见,将此方法应用于规划中时,需要城市规划专业与能源专业的规划师密切配合,共同确定可变范围及限制条件。建筑动态负荷是本次研究的规划方法的基础数据,其特性受气候条件、人员作息习惯、建筑热工特性等多种因素影响,本文重点研究规划方法的应用思路,建筑能耗模拟时仅参照周边地区情况采用单一情景进行分析,具有一定局限性。下一阶段可选取不同气候区的多个典型区域,进行多个情景分析,研究不同地区在不同情景下的用地配比最优区间,为用地布局规划提供参考。
全文刊载于 《城市规划学刊》 2019年第7期
刘晓青 上海同济城市规划设计研究院有限公司 总工程师 市政规划设计所所长
周梅 上海同济城市规划设计研究院有限公司 市政规划设计所副主任规划师 同济大学建筑与城市规划学院 博士研究生 高级工程师
谢中元 上海同济城市规划设计研究院有限公司 市政规划设计所所长助理主任规划师(兼)
焦小龙 上海同济城市规划设计研究院有限公司 市政规划设计所副所长