绿色产业园区的需求侧能源规划

龙惟定 同济大学

绿色产业园区的需求侧能源规划

龙惟定 同济大学

编者按：为贯彻落实“创新、协调、绿色、开发、共享”发展理念，开展上海绿色产业园区建设是上海当前推动产业绿色发展、推行产业绿色制造的首要任务。上海市节能协会为发挥在建设能源互联网、智能电网和绿色产业园区等方面的智库作用，2016年9月22日在上海国际会议中心举办了建设绿色产业园区高峰论坛。现特将论坛部分演讲稿刊登如下，以飨读者。希望大家关心、重视绿色产业园区建设，发挥各自优势，献计献策，为推动上海绿色产业园区建设多作贡献。

建设绿色产业园区，成为上海市在新时期重要的发展战略之一。阐述了园区需求侧能源规划的基本概念，介绍了需求侧能源规划的六个步骤，着重介绍了规划目标设定中产业绿色发展指数和地均能耗弹性系数等关键性能指标的设定。并针对产业园区发展特点提出能源微网的方案。

绿色产业园区；需求侧能源规划；产业绿色发展指数；地均能耗弹性系数；能源微网

1 什么是需求侧能源规划

能源规划有两种类型：一是供应侧能源规划，是从顶到底的规划模式，负荷做加法；二是需求侧规划，是从底到顶的规划模式，将终端节能作为替代资源，负荷做减法。

供应侧能源规划遵循可靠性原则，即能源供应必须保证最大负荷和极端条件下的用能，系统要有充足的冗余量和容量储备。这一指导思想，在以大型制造业为供能对象的工业化时代，因为负荷稳定、需求明确、工艺流程不容有丝毫差池，所以要确保供能的安全可靠。很多重制造业企业都有自备电厂和能源中心，就是这种规划思想的体现。但在我国新型城镇化的新常态下，供能对象已经变为服务业、轻制造业、先进制造业和居民生活，其用能特点更多地是以建筑为依托，因此，建筑用能负荷呈现出不稳定的特点，不仅是时间上的不稳定，还有空间分布上的不稳定，沿用供应侧能源规划思想会带来城区能源系统长期在低效率的部分负荷下运行，造成设备利用率低和能效低的种种问题。在我国规划体系中，供应侧能源规划是单项规划，电力、燃气、热力都是自成体系，独立规划，彼此间很少考虑协同、协调。近年来有些城市的可再生能源也做供应侧规划，甚至风电、光伏、光热都分别做分项规划，造成负荷的重复计算和资源的浪费。而目，供应侧能源规划往往与城市空间规划脱节，没有充分利用城市形态的节能潜力。

需求侧能源规划基于综合资源规划（IRP）原则，将终端节能视为一种资源，将降低的负荷视为虚拟电厂。联合国环境计划署（UNEP）在1997年基于需求侧管理理论（Demand Side Management，DSM）提出了综合资源规划方法（Integrated Resource Planning，IRP）［1］，即将供应侧和需求侧的各种资源作为一个整体进行协调的规划方法。

IRP方法的基本思路是，除供应侧资源， 也把需求侧通过运行节能所减少的能耗和需求侧通过设计节能所降低的负荷视为一种资源同时参与能源规划， 对供能方案和节能方案进行成本效益分析， 经过优选组合，形成对社会、供能企业和用户等各方受益，成本最低，满足同样能源服务的综合规划方案。

IRP方法的核心是，改变过去单纯以增加资源供给来满足日益增长的需求的思维定势，将提高需求侧的能源利用率后节约的资源统一作为一种替代资源看待，并给予像其它传统资源供给方式同等的重视， 在比较需求和供应两方面的资源供给费用和效益的基础上选择一种资源组合方案作为城区能源利用的最终方案［2］。简而言之，就是节能的资源化，将终端节能视为煤、石油、天然气、核能和可再生能源之外的第六能源。因此，需求侧能源规划是顺应了供给侧结构性改革的要求，即从提高城区能源供应的质量出发，推进能源结构调整，矫正要素配置扭曲，扩大有效供给，提高能源供给结构对需求变化的适应性和灵活性，提高综合能源效率，更好满足生产和消费的需要，促进经济社会持续健康发展。

2 绿色产业园区建设必须坚持的原则

上海市计划兴建的绿色产业园区，都以发展现代服务业和先进制造业为园区的定位。由于产业结构转型，过去工业化时代高温高压高品位能源需求逐渐向后工业时代低温低压低品位能源需求转化，能源的主要用途是保障建筑环境的照明、供暖、供冷和供热水。因为此类负荷均为不稳定负荷，更适合分布式能源和分散式供能。

先进制造业已逐渐转变为环境依赖性产业，其生产设备趋于轻型化和自动化，而其生产工艺和产品质量很大程度上依靠建筑环境的保障（如恒温恒湿和超净），生产工艺能耗转化为建筑环境保障能耗。室内环境品质的改善能够提高现代制造业的产品附加值、保证合格率。如：制药、生物制品、实验研究、手术室、医疗辅助用房、食品、电子、精密电器、计算机、半导体、精密制陶、印刷、合成树脂、精密机械加工、光学仪器等要求生产环境满足工业洁净室标准的制造业行业。有些生产行业还有严格的室内温湿度标准。像集成电路芯片制造厂的能耗中，空调能耗占据60%以上。生产性能耗逐渐向建筑能耗转移。或者说，建筑能耗逐渐与产业能耗融合。现代服务业的发展，使室内环境成为安全运营的关键因素，最典型的如数据中心、网络中心；而基于办公楼的服务业，如银行、保险、创意、传媒、设计、咨询等。

（1）绿色产业园区，必须对园区的能耗总量和能源效率（单位产值能耗）加以控制，因此，需要严格控制入园产业，设立能耗和污染的准入门槛。绿色产业园区的规划（包括能源规划）是产城融合的规划，一定要将园区产业的工艺能源需求与建筑能源需求放到同一平台综合考量，不能形成产业招商和园区建设的“两张皮”，最终变成“绿色的园区、灰色的产业、黑色的排放”。

通过园区总体规划、空间布局规划和能源规划，尽量在园区各企业之间形成能源梯级利用的流线、废弃物和材料的循环利用链，以及产品的上下游配套关系，以充分体现综合资源规划理念，提高园区整体的资源利用效率。同时，通过规划，充分利用工业园区的资源（例如，大面积的工业厂房屋面），实现园区可再生能源的规模化应用。

（2）绿色产业园区建设，必须遵循“以人为本”的原则。以先进制造业和现代服务业为主的产业园区，生产过程对周边环境的影响已经很小，因此完全可以要求园区达到一定的职住比，即就业岗位数量与人口数量的比值。加州大学伯克利分校城市与城区规划系的教授Robert Cervero曾为“职住平衡”下的定义是：“城市在规模合理的一定范围内所提供的就业岗位数量与该范围内居民中的就业人口数量大致相等，并目大部分有工作的居民可以就近工作，能够通过非机动车的交通方式解决大部分通勤问题，机动车的出行次数少、出行距离和时间均较短”［3］。因此，绿色产业园区要安排一定量的保障性住房和公租房，并有教育、医疗、商业等相应的公建配套设施，避免远郊化居住、超长距离通勤，以及空城、睡城等现象的出现。

（3）绿色产业园区要通过创新和社会服务融入当地社区。由于在某个地区建设制造业园区，往往会引起该地区的土地价值随之下降，从而给当地居民带来经济上的损失和心理上的负担。于是当地居民会千方百计的阻碍工程的实施，造成与政府和园区之间对峙和僵持的局面。解决的办法一是采用先进可靠的技术和更加严格的管理措施；二是增加规划的透明度和公众参与度，若把问题藏着掖着，或视公众为假想敌，反而会将事情复杂化；三是尽可能为社区提供服务，如，将园区的低品位余热废热提供邻近社区供暖或供热水。

3 需求侧能源规划的6个步骤

绿色产业园区的需求侧能源规划应包括以下6个步骤：

3.1 现状分析和目标设定

（1）收集当地到规划制订时的经济、社会、城市发展，以及能源供应的数据，必要时要开展现状调研，获取第一手资料。

（2）根据收集和整理的数据，进行SWOT分析，即优势S（strength），弱势W（weakness），机会O（opportunity），威胁T（threat），其中，S、W是内部因素，O、T是外部因素。特别是要找出终端节能的有利和不利因素。

（3）定义项目边界，包括空间边界、时间边界、交易边界、能耗品种边界。

（4）制定规划目标和关键绩效指标（KPI），必须是可测量、可报告、可核查的。

3.2 负荷和需求预测

园区能源负荷和需求可采用自上而下或自下而上方法估算，也可采用情景分析方法进行分析。一般而言，对产业园区宜采用自上而下的预测方法。该方法通常依据国家能源消耗和碳排放的历史时间序列数据，从宏观层面研究能源与经济之间的内在关系。相关参数包括宏观经济学指标GDP、产业的增加值、人口、就业率、建筑面积和产业结构等，以及当地的地理和气象参数（包括对气候变化的预测）和相近产业和同类产业园区的实际能耗数据。

3.3 资源分析

这一步是体现综合资源规划（IRP）理论的重要环节。如在规划中设定园区的能耗基准线，并编制相应导则，指导二级开发。对能源系统规划，则要研究如何提高系统效率，如何形成能源的梯级利用（在工业园区中，可通过调整空间布局，形成不同生产工艺和不同企业之间余热废热的梯度）。

大部分园区可利用的可再生能源资源是太阳能光伏发电。根据国际能源机构（IEA）分析，2020年太阳能光伏的价格将降低到2010年价格的20%，其中中国的价格将最低，达到1 000美元/ kW［4］。如果在我国太阳能资源3类地区，年当量满负荷小时数是1 000，而光伏寿命为20年的话，电力的净成本只有0.30元/kWh，有良好的推广普及前景。

建筑节能作为资源有3个方面：

（1）通过改变城区建筑的功能混合度使供冷供热负荷平准化，从而降低能源系统装机量，延长系统满负荷工作小时数，让设备始终处于高效区运行。

（2）通过建筑围护结构热工性能的改善，降低建筑负荷，从而降低能源系统装机量和能源需求。

（3）通过能耗限额和能耗基准量的设定，取得比现行节能设计标准更低的实际能耗量。

3.4 气候设计和园区能源系统的规划影响因素分析

这是园区城市规划与园区能源结合的重要环节。主要影响因素包括：

（1）气候因素。即全球气候变化带来的未来气候的不确定性。尽管难以准确，但仍可通过规划城区所在地区的气候趋势性预测，对中长期能源负荷和能耗的变化做出简单预判。

（2）规划因素。城区的容积率、功能混合度、建筑密度、人口等规划和城市形态要素都会对建筑基准负荷产生影响，同时也会影响能源系统的选择和配置、影响规划城区的微气候。通过规划的合理调整，可降低负荷，同时也可构建能源梯级利用的能流链。

（3）建筑因素。建筑高度、体形系数、围护结构型式等对建筑负荷有显著影响，特别是影响到建筑对自然资源（如天然采光和自然通风）的利用及被动式节能技术的有效性。

（4）政策因素。当地能源政策，如能源价格因素、能源消费总量控制因素、当地对绿色建筑占比的要求，以及电力部门的需求管理（DM）等，都需要对负荷加以控制。

（5）产业因素。园区产业结构、入驻企业的节能环保水平，以及入驻人员的节能环保意识等，也在很大程度上影响园区的运营管理。

3.5 园区能源系统的配置与优化

园区能源系统是一个复杂系统，对技术方案需要全方位、多元的评价，不同情况下对各种因素会有不同的侧重，会强调某一方面，忽略某一方面。但任何情况下都不能只顾一点，不及其余。

3.6 经济性、能源效率、环境影响和碳足迹分析

选择城区能源系统，无论分散系统、集中系统，或是分布式系统，都必须是技术上可行、经济上合理的项目。切忌以“绿色”、“生态”的名义，不顾血本、不计回报、无视环境影响地采用先进技术。要用符合国家标准的计算方法、计算节能量、减排量，以及符合商业标准的投资回报率等。

4 两个重要的关键绩效指标

根据目标管理的理论，如果一个领域没有特定目标，则这个领域必然会被忽视；如果没有一定的目标指导项目的开展，则项目的规模越大，涉及的专业、人员以及利益相关方越多，发生冲突和浪费的可能性也就越大［5］。

本文限于篇幅，仅介绍其中两个关键绩效指标。

（1）地均能耗弹性系数。

衡量单位土地面积的能耗，如果仅用能耗绝对值，则在单位产值能耗相差不大的情况下，会产生产值越高，地均能耗也越高的现象。直接用地均能耗来作为一个地区的能耗评价指标显然不合理。因此，可以引入“单位土地面积能耗弹性系数（简称为地均能耗弹性系数）”的概念。地均能耗弹性系数CE为：

式中，E为所处城市当年单位土地面积能耗（tce/km2）；P为所处城市单位土地面积产值（亿元/km2）；Ec为规划城区单位土地面积能耗（tce/km2）；Pc为规划城区单位土地面积产值（亿元/km2）。

以上海静安区为例，2013年它的Ec=131 632 tce/km2，Pc=86.6亿元/km2。而2013年上海市的E=17 921 tce/km2，P=3.2亿元/km2，可以得出CE=7.345/27.062=0.271。

由此可以看出，如果产业园区的地均能耗大于当地地均能耗，即Ec≥E；而园区创造的增加值却低于当地，即Pc≤P，则CE＞1。说明该园区投资的是高能耗、低产出的产业，这样的投资是不合理的。所以地均能耗弹性系数CE应小于1，目越小越好。

表1 国内几个城区地均产值和地均能耗指标

从表1可以看出，地均能耗弹性系数最低的是上海金桥出口加工区，甚至要低于现代服务业云集的上海静安区和北京西城区。说明像金桥这样的密集的轻制造业园区，是可以做到高产值低能耗的。当然，其中也有一些不可比性。无论是静安区还是西城区，都有相当部分的居住社区是不创造价值的。而像金桥这样的工业企业鳞次栉比，几乎没有居住社区的工业园区，职住比很低，每天需要潮汐式的通勤交通。

（2）产业绿色发展指数

产业绿色发展指数=产业人均总产值/产业单位产值资源消耗

产业单位产值资源消耗=（产业单位产值地耗+产业单位产值能耗+产业单位产值水耗）/3

产业绿色发展指数应该再加上产业材料消耗和产业环境影响等因素。由于产业单位产值材料消耗的没有相应完整的统计数据，环境质量水平包含内容很多，无法获得单一的量化数据，所以产业绿色发展指数只考虑能耗、水耗和地耗三大因素。可以根据当地实际情况选取这3个因素各自不同的权重系数，也可以平均分配各占三分之一权重。

1）在计算产业单位产值地耗、能耗和水耗时，可以依据下述文件和标准确定指数基准线：

国土资发〔2008〕24号，关于发布和实施《工业项目建设用地控制指标》的通知

上海产业用地指南（2016版）工业和信息化部，全国工业能效指南（2014版）上海产业结构调整负面清单及能效指南（2014版）

GB/T 50878-2013 绿色工业建筑评价标准

绿色工业建筑评价导则

国发［2012］3号，关于实行最严格水资源管理制度的意贝

工业和信息化部等，重点工业行业用水效率指南（2013）

2）可根据下式将单位产值地耗、能耗和水耗无量纲化：

式中，C： 产业的资源消耗（地耗/能耗/水耗）；Cmin： 所有产业中最小资源消耗（地耗/能耗/水耗）；Cmax： 所有产业中最大资源消耗（地耗/能耗/水耗）。

如果出现三个C=Cmin的极端情况，此时会出现产业绿色发展指数分母为零的情况，就可以不用再继续评估下去，被评估的该产业一定是最好的产业。

当然，评价园区产业结构，除了绿色指数还应该考量其经济性。可以用土地投入产出比、产业区位商等指标来衡量，此处不再赘述。

5 绿色产业园区的能源微网

图1 绿色产业园区能源微网示意图

热力系统和信息系统的能源微网。由于热力系统输运损耗大、距离不能过长、输送速度低、双向传输难度大，所以需要做更细致的研究，充分利用能源互联网的优势。

图1中简单绘出了园区能源微网的流程图。园区的电力，来自城市公用电网、现场热电联产发电机组，以及现场可再生能源发电。在有工艺过程高品位热需求的园区，热电联产机组宜选用燃气轮机，其产热通过余热锅炉转化为蒸汽。一部分供工艺需求，也可以有一部分用来驱动蒸汽离心式热泵，为建筑供冷供热。其发出的电力并入园区电网，与市政电力和可再生能源发电一起，为各建筑或建筑群附近的水源热泵直供电。水源热泵为各建筑或建筑群供冷供热和蓄冷蓄热。水源热泵的热源/热汇则来自于能源总线。

园区能源微网有3个层次。

（1）核心层：以光伏、小型风电、燃料电池、利用天然气或生物质气的小型热电联产系统等现场发电（On Site Generation）系统为核心。这些现能源微网的前身是智能电网（Smart Grid）。所谓智能电网，是现代化的电力网，利用信息和通信技术（ICT）收集和处理供应侧和需求侧的信息，自动地提高电力生产和输配的效率、可靠性、经济性和可持续性［6］。即智能电网是传统电力网与现代信息网的两网融合。正因为能源微网派生自智能电网，所以也造成了一个错觉，即能源微网就是电力互联网。因为电力传输具备低损耗和双向传输可能性的特性，所以能源微网也把电网作为其主干网。这在城市、地区，甚至跨国层面都没有问题。而从园区角度，则还要增加承担供冷供热功能智能热力网（Smart Thermal Grid）），成为电力网、信息网和热力网的三网融合。在绿色产业园区层面，要构建的是综合了电力系统、场发电系统，可以集中在一个或多个能源站内，也可以分散在各幢建筑中。

（2）框架层：以连接核心层各种发电装置的微电网、分布式热泵、集成各种低品位热源/热汇的能源总线、蓄冷蓄热和储电设施为框架。核心层、框架层和用户之间，热泵作为重要的联系纽带。能源总线所集成的热源/热汇可以来自于太阳能、土壤、地表水、污水，也可以来自于热源塔、空气换热和工艺过程排出的已经没有其它利用价值的低温废热和乏热，即所谓低品位的可再生热源或未利用能源（Untapped Energy）。

（3）管理层：以网络技术、物联网技术、云技术等信息通信技术为支撑，对园区能源系统进行双向管理，这种管理本质上是一种能源服务。

能源总线是整合城区中不同空间分布的可再生热源的环状或枝状管网。例如，土壤源热泵适于埋管的土地位置分散、地表水源热泵的河流或湖泊位于园区的一隅、污水处理厂距离核心区比较远、系统需要有辅助的冷却塔或热源塔等。以致各二级开发的土地范围内不一定有可利用的可再生热源资源，单体建筑想要利用这些资源变得十分困难。能源总线将这些资源作为公共基础设施，使整个园区能够分享资源。

能源总线联接分布式热泵，将高效水源热泵安装在贴近用户的位置或建筑群中间，减少了对区域能源系统能效影响最大的供冷供热管道长度，适合采用小容量的、安装灵活的模块化机组。如磁浮离心机可以做成集装箱式，在露天公共用地中安装，用快速接管与空调楼内水系统联接，即插即用，无人值守，成为类似移动通信基站或箱式变压器那样的公共设施。

能源微网充分利用了电能传输的优势，尽量缩短了热力管网输送距离，特别是可以将供冷管网输送半径控制在400m以下，转而用能源总线输送对热损失不那么敏感的热源/热汇水，系统总体能效非常高。但因为设备分散，对系统的管理和维护都提出了更高要求，必须要有先进的能源管理系统，实现设备无人值守。

6 结语

建设绿色产业园区，是上海市在经济转型时期重要的发展战略之一。产业园区的绿色，一是体现在土地的集约高效利用，二是体现在能源利用的低碳节能。因此，绿色产业园区应该有基于末端节能的需求侧能源规划，综合产业节能、建筑节能、能源的有效利用和梯级利用，使节能成为煤炭、石油、天然气、核能和可再生能源之外的第六大资源［7］。

［1］ UNEP，Tools and Methods for Integrated Resource Planning，November， 1997

［2］ 张改景，龙惟定，城区建筑能源规划中资源潜力分析方法，西安建筑科技大学学报，第42卷第5期，2010年10月

［3］ 转引自36大数据网站：王鹏、郝新华、谢力唯，大数据论证：你的上班路为何会变成漫长取经路？（北京）http：//www.36dsj.com/ archives/34177

［4］ International Energy Agency， Renewable Energy Medium-term Market Report 2013

［5］ 百度百科，http：//baike.baidu.com/view/54093.htm

［6］ 维基百科，http：//en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid

［7］ 龙惟定，白玮，城区需求侧能源规划和能源微网技术，中国建筑工业出版社，2016年9月出版

节能信息与动态

长宁区2016年锅炉能效测试任务全面完成

为加强高耗能特种设备节能监管，进一步提高节能综合管理水平，2016年，长宁区市场监管局委托市特检院依据相关规定和标准，采用锅炉运行工况热效率测试方法，对凌空SOHO、上海虹桥迎宾馆等13家单位的在用锅炉进行能效测试。经测试，均全部达标，圆满完成2016年锅炉能效测试任务。

下一步，长宁区市场监管局将联合区环保局等相关职能部门开展上海市达标锅炉房评选，推进锅炉使用单位做好安全、经济、环保管理工作，提升锅炉系统运行水平。

（长宁区）

Demand Sie Energy Planning of Green Industry Park

Long Weiding Tongji University

Constructing green industry park has become one of Shanghai important development strategy during new period. The article introduces basic idea of industry park demand side energy planning and six steps of demand side energy planning. It focuses on introducing key performance index setting， such as industry green development index and energy consumption elasticitycoefficient per land during planning goal setting. It also puts forward energy grid solution based on industry park development characteristics.

Green Industry Park， Demand Side Energy Planning， Industry Green Development Index， Energy Consumption Elasticity Coefficient per Land， Energy Grid

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.10.002

龙惟定：（1946- ），男，同济大学高密度区域智能城镇化协同创新中心特聘教授，博士生导师。