能源输入型城市能源生态系统建模及优化路径研究

It is of vital importance to coordinate economic development and environmental protection with energy supplies in the procedure of pursuing ecological civilization. As the key element, urban energy structure is in urgent need of economy-energy-environment(3E) cooperative optimization, especially for typical energy-input-oriented(EIO) cities. Therefore, the idea of constructing EIO cities’ energy ecosystem is attempted in this project. To make a clear description of structure and feedback of the system, the material flow analysis(MFA) method are employed in combination with ecology and system theories. Then a bionic model derived from food chains is constructed under the framework of natural ecological principles and methodologies. Meanwhile, graph theory methods and topological analysis are applied on this complex model so as to optimize its network traffic distribution and spatial structure. To reach an integrated conclusion on optimal paths for the transition of EIO cities’ energy structure, this bionic model is associated with domestic and foreign energy structure transition experiences thus to achieve both qualitative and quantitative reference value. Finally, this project conducts an empirical analysis and constructs the Beijing energy ecosystem, aiming to provide feasible suggestions and solutions under different scenarios, which is capable of enhancing the ecological civilization and sustainable development of EIO cities.

城市能源供给、环境保护与经济发展之间有机统一是城市生态文明建设的重要课题，探究能源-经济-环境（3E）协同下典型能源输入型城市能源结构优化是该研究课题核心内容。本项目提出构建能源输入型城市能源生态系统设想，以生态学和系统学理论为依据，基于物质流方法分析能源输入型城市能源系统结构组成和运行机制，构建能源输入型城市能源生态系统；参照生物食物网络进行城市能源生态系统仿生建模，运用图论和拓扑分析方法对能源系统复杂网络进行网络流量分配和空间路径结构优化；基于模型优化结果和国内外城市能源结构转型的案例和经验，设计能源输入型城市能源结构优化路径并进行评估；最后选取北京市为实证研究对象构建北京市能源生态系统模型并进行优化，提出可行的北京市能源生态系统构建方案和能源结构优化路径，为城市生态文明建设和实现“绿色”发展提供参考。

本课题聚焦城市发展进程中能源、经济、环境的协同演化过程，从生态学视角提出城市能源生态系统的理论体系构建思路，结合典型能源输入型城市能源系统特征，基于复杂生态网络和耗散系统模型，探究城市能源生态系统代谢演化机理，并选取北京市进行实证分析。取得的主要认识和结论包括：1）城市能源生态系统是内生要素和结构复杂的。城市能源生态系统是由城市能源系统中主体的集合、围绕能源供需决策而发生的主体间复杂交互关系，以及能源系统的外部支撑、物理设施和社会经济环境共同构成的有机整体，微观要素行为不仅影响其他主体行为和交互结构，也可能主导整个系统的演化方向。2）城市能源生态系统与热力学耗散系统具有结构相似性与功能相似性。城市生态能源系统代谢演化是城市能源系统适配城市发展需求而进行的自我升级过程，是城市能源生态系统应对内、外部环境变化的自适应性行为，能够通过改善外部环境引导城市能源系统演化。3）保持城市内部系统要素差异性是能原生态系统自适应的基础。城市能源生态系统中能源产品与消费部门间基于能流供需关系的微观涨落波动及宏观稳定结构涌现推动了能源生态系统的适应性演化，即基于不同供需能流的异步协同演化和部门要素异质影响综合导致了城市能源生态系统的适应性自组织行为。4）主导北京市能源系统代谢演化的序参量能流为煤炭-第二产业。在2010-2018年期间天然气在“量”上主导了北京市能源生态系统演化，但在深层次系统影响上并未完全取代煤炭，北京市主要部门煤炭和天然气代谢过程对能源、经济、环境供需两端要素影响均具有不同偏好属性和敏感程度，对北京市部门能源代谢演化自组织过程中具有不同的影响趋向。5）北京市能源系统代谢演化的自组织行为主要依赖需求端控制的负熵流引入，具有典型能源输入城市特征。针对非首都功能疏解，部门规模缩减相关政策对教育部门能源代谢优化较为有效，但对交通、零售部门能源代谢影响具有反向作用。