据统计，我国2020年公共机构能源消费总量达1.64亿吨标准煤。虽相较于2015年能源消费总量有所下降，但能源消费结构方面仍有进步空间，应保持继续优化，在持续规划节能机制的前提下，协同推进绿色能源的消费方式。公共机构与常规建筑相比，具有功能复杂、系统多样、能耗增长速度快等特点，其能耗情况受到气候区、建筑功能、建筑规模、建筑体形系数、建筑围护结构、建筑运行管理模式等多种因素影响[1]。因此，解决公共机构能源利用问题、实现公共机构能源节能减排是目前我国建筑绿色低碳发展的重点。1能源模型概述能源模型即通过建立数学方程式表达能源系统的流动过程的一种数学模型，可对其进行求解，得出相应的优化结果。能源模型能够准确表达能源系统中各类能源的活动情况以及能源系统的内外联系，也可以结合能源价格、能源供需情况等相关数据，计算所需要的能源平衡点或优化结果[2]。世界范围内对于能源规划问题的研究方法、对象以及层次多种多样。能源模型不仅包括初期预测拟合，也包括后期模拟优化。目前，基于大量的历史数据及模型特性，国内外已开发出大量研究方法对未来能源求量等进行预测和模拟。相关机构也开发出诸多优化方法，处理能源系统中存在的各种不确定性。从能源开发、加工转换或供需消费等部分层面或整体层面对能源系统进行规划，在不同的国家和区域已成功应用并指导实践。如果能够充分发掘能源系统各因素间的关系，加深入地辨识能源系统的不确定性，将更有助于合理规划能源系统[3]。20世纪70年代，研究出一系列能源与经济、环境的数学模型，可用于研究能源规划、能源供需预测以及污染物排放对环境质量影响等问题，研究对象以二元系统为主。20世纪80年代，研究框架则以能源、经济、环境的三元系统为主，优化目标也逐步从成本最小化的单目标向多优化目标的方向发展。20世纪90年代，随着气候问题的出现和加重，对于气候模型的研究也不断加快和完善。现阶段，模型种类包括经济、能源、环境、资源、安全、能效等不同方面的研究不断深入，应用较广泛的模型有Markal模型、Leap模型以及Cge模型等[4]。2能源模型分类目前，国内外对于能源规划模型主要从3个角度展开，分别为自上而下的宏观经济角度、自下而上的技术经济角度以及两者互为利用的角度。自上而下的角度可通过分析经济发展对各经济部分的影响，描述宏观经济变化对能源系统供需关系的影响。对于能源资源的生产以及用能技术的描述比较抽象，能源消费的变化表述也不够清晰，无法针对加工技术的提升潜力进行估计。自下而上的角度可以精准预测成本、发展趋势以及结果，具有较高的可信度，但无法对宏观经济以及非技术市场等要素的影响进行分析。混合能源模型综合了上述两种方法的优点，既可以考虑加工技术的成本，又可以分析弹性价格的波动。但模型的建立和开发难度较大，需要对显示能源系统进行复杂模拟和仿真[5]。主要能源模型的分类及比较如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.08.033.T001表1主要能源模型的分类及比较[6]能源模型研究方法主要功能典型代表开发机构自上而下模型计量经济学方法；一般均衡理论；线性规划理论。能源宏观经济分析；能源政策规划理论。CgeNorway3Es-ModelNUT/JapanMacroIIASAGEM-E3NTUA/EU自下而上模型线性规划理论；非线性规划理论；投入产出法；多目标规划理论。能源技术选择策略；技术对环境影响；技术的成本分析；能源供需预测；能源政策分析。MarkalETSAP/IEAMessageIIASAEfomEUMedeeIEPE/FranceErisPSILeapSEI/SewdenAimNIES/Japan混合能源模型线性规划理论；非线性规划理论；计量经济学方法；混合整数规划方法。能源供需预测；能源政策分析；能源对环境影响；能源技术演化成本。NewsEIA/DOE of AmericaIIASA-WECE3IIASA and WECPrimesJOULE/EUPolesJOULE/EUMidasJOULE/EU表1中对各类能源模型的研究机理和主要功能进行了比较，根据公共机构的优化目标要求，需要从成本、环境、能源、政策等多方面进行求解，故选定自下而上模型进行公共机构能源供应优化研究。其中，Markal模型是由能源需求约束的多周期能源供需线性规划模型，在国家或地区的能源系统规划和结构优化等问题中优势突出[7]，具有较强的多目标分析功能。还可以结合能源系统模型相关的环境、经济和政策等条件以及不同能源载体之间转换关系进行情景模拟。Markal模型可以在给定建筑物的能耗需求时，根据用户的优化目标，给出最优的能源供应配比。公共机构主被动能源耦合供应优化模型的构建，应首先从公共机构需求侧考虑，结合能源消费结构及各类能源的加工技术，分析公共机构能源流动过程，计算公共机构供应侧的能源优化配比，与Markal模型的运算机理相同，故采用Markal模型作为本文的基础数学模型，并根据公共机构的能耗特点及优化目标，构建公共机构主被动能源耦合供应优化模型。3优化模型的构建能源流动方向为各类能源供应侧到终端能源需求侧，模型的优化方向与能源流动的方向相反，即终端能源需求侧到各类能源供应侧。根据公共机构的能耗情况，结合各类约束条件反推公共机构的能源供应结构。Markal模型具有多目标的动态规划特性，可根据用户要求设置能源资源及污染物排放限制，确定最佳的能源供应结构。Markal模型结构如图1所示。Markal模型是国际能源署开发的一种综合型能源系统优化模型，旨在研究国家一级能源系统。Markal模型在能源系统规划和能源供应结构优化等问题上优势突出，有较多成功案例。通过给定终端能源需求的预测数据，Markal模型可以研究经济方面、环境方面、能源方面的能源供应以及消费结构、分配计划等，还可以进行政策方面的情景分析。Markal模型能够描述从一次能源到终端能源使用之间的各个环节，通过比较选择不同能源及不同能源工艺的供应、加工、转换与分配，为满足未来能源需求的最佳方案[8]。10.19301/j.cnki.zncs.2023.08.033.F001图1Markal模型结构同时，该模型具有多目标分析的功能，是其显著的特点之一。模型可拟定多种目标函数，以便研究不同问题时使用，例如斜率函数、费用函数、安全函数、环境函数以及各种资源消耗函数等多类函数。目标函数是基于设计变量对优化目标的数学描述，可直观判断优化方案的优劣。以能源方案优化设计为例，经常使用能源、经济、环境等方面作为优化目标，设计变量与这些优化目标的数学关系式即为目标函数，针对多个相互矛盾的优化目标分别描述，即可得到多目标优化模型，有时也可通过加权、目标转换等方法整合为单目标优化模型，将上述三个基本要素组合，得到多目标优化的数学模型。针对该模型的求解过程，即为多目标优化。在公共机构能源配置方案中，对各类公共机构的能源流动过程进行机理分析，可以在本质上解决各类被动式能源在公共机构能源优化配置中的用能协调问题，实现模型最优解。优化配置是在有限的被动式资源条件下，通过调整各地区公共机构的能源供应结构，实现各地区公共机构多目标综合优化配置方案。根据《“十四五”公共机构节约能源资源工作规划》中提出要求，设置资源及环境的效益目标。资源类目标主要为优化公共机构主被动能源供应结构，提高被动式能源的资源利用率。环境类目标主要为降低公共机构二氧化碳排放量，实现公共机构可持续发展。同时应从经济角度考虑，构建投资效益的目标函数，以达到整个系统成本最小化。公共机构主被动能源耦合供应优化配置方案的建立，除了应与各地区主被动能源的实际资源量相符外，同时也应充分考虑各地区公共机构被动式能源应用情况，依据构建的耦合优化模型计算公共机构主被动能源资源配比，在此基础上对各地区公共机构主被动能源供应进行宏观配置。本研究主要设置了费用函数、资源函数、环境函数以及社会效益函数。以四类目标函数作为公共机构能源供应方案的优化目标，建立公共机构主被动能源供应多目标优化模型如式（1）所示：F=opt{f1 , f2 , f3 , f4} （1）针对该模型的求解过程为多目标优化，同时结合Markal模型建立相应的约束条件，例如能源供应总量约束、各环节能源载体约束、终端能源供求约束、转换技术条件约束、碳排放约束等。通过分析各类能源流动过程及所建模型的运算机理，所得最优解即可作为公共机构主被动能源供应优化方案。4结语基于能源模型种类众多，公共机构类型复杂的特点。通过分析各类能源模型的运算机理，比较其优缺点和适用性，选择适合公共机构主被动能源耦合供应优化研究的数学分析模型。模型以费用、资源、环境以及社会效益等四个规划目标函数作为优化能源配置的优化目标。模型具有动态规划特性，能够在给定建筑物的能耗需求时，结合资源、环境、经济和政策以及不同能源载体之间转换关系进行情景模拟，能够确定出最佳的能源供应结构，使能源供应结构具有较低的使用成本。