1 概述

 

  氣候變化和能源安全已成為全球發展面臨的重要問題。在城市的規劃和發展過程中，建筑規模化利用可再生能源，是我國推進建筑節能工作的新舉措。目前，我國建筑能耗約占整個社會總能耗的33． 3%，若將建筑單體視為微觀技術的“硬節能”，建筑群能源規劃則是宏觀意義上的“軟節能”。從單體建筑微觀“硬節能”向建筑群宏觀“軟節能”轉變，具有重要意義。在我國城市規劃體系中尚無建筑能源專項規劃，供水規劃、供熱規劃、燃氣規劃、電力規劃也各自為政，基礎設施重復建設情況嚴重。

 

  現階段，我國能源系統仍以市政電力、燃氣為主要能源，可再生能源的規模化利用較少。雖有許多規劃項目開始提倡利用可再生能源，但大多停留在概念階段，可操作性不強，在城市或區域規劃中的實施性規劃基本處于空白。隨著技術進步，可再生能源的利用將具有極強的競爭力。

 

  本文以重慶某新區能源規劃項目為例，從能源需求預測、可再生能源利用、區域供冷供熱等方面入手，編制具有可實施性的區域能源規劃，為今后進一步深化區域能源規劃進行初步探索。

 

  2 規劃區域概況

 

  該新區位于“重慶一小時經濟圈”的輻射范圍內，是重慶主城重要的衛星城，總規劃面積為26km2，新區規劃功能分區見圖1。新區由A、B、C、D、E 共5 個組團組成，各組團位置見圖2。新區于2010 年開工建設，預計2020 年全部建成。新區內以民用建筑( 居住建筑、公共建筑) 為主，工業園區位于新區外圍。A ～ E 組團規劃人口分別為7． 0 ×104、4． 7 × 104、6． 6 × 104、3． 5 × 104、2． 2 × 104人。

 

  3 能源需求預測

 

  ① 空調冷熱負荷

 

  雖然建筑功能已明確，但人員密度、作息時間、照明設備等對空調冷熱負荷的影響因素仍不確定。

 

  因此，采用指標法對區域內建筑空調冷熱負荷進行估算。民用建筑空調冷熱負荷指標見表1。對于同時使用系數，居住建筑按配置分體式電驅動熱泵考慮，同時使用系數取0． 5; 公共建筑按配置集中式空調系統考慮，同時使用系數取0． 5。各組團居住建筑、公共建筑的建筑面積、空調面積、空調冷熱負荷分別見表2、3。公共建筑冷熱負荷由各類型公共建筑的規劃空調面積及冷熱負荷指標計算得到。由表2、3 數據計算可得，新區空調冷負荷為752． 37 MW，熱負荷為311． 41 MW。

 

  ② 生活熱水負荷

 

  居住建筑生活熱水供水溫度取55 ℃，自來水溫度取7 ℃，用水指標取80 L /( 人·d) ，同時使用系數取0． 4。公共建筑生活熱水負荷根據規劃建筑面積、生活熱水熱負荷指標計算，生活熱水熱負荷指標取15 W/m2，同時使用系數取0． 45。可計算得新區總生活熱水負荷為463． 13 MW。

 

  ③ 電負荷

 

  根據新區2012—2020 年配電網規劃，采用負荷密度法預測電負荷。依據控制性詳細規劃及周邊區域電負荷指標的調研，選取新區各類型規劃用地的需用系數、電負荷密度指標( 見表4) 。電負荷預測結果顯示: 2015 年，電負荷達到54． 32 MW; 2017年，電負荷達到97． 57 MW; 2020 年，電負荷達到118． 94 MW。

 

  ④ 燃氣負荷

 

  居住建筑、公共建筑燃氣負荷采用人均用氣量指標法進行預測。居住建筑人均用氣量指標取2 300 MJ /( 人·a) ，氣化率按100% 計算。公共建筑用氣量按居民用氣量的30%測算。

 

  燃氣汽車燃氣負荷根據每100 km 耗氣指標預測。新區內公交車按每1 × 104人配置12 輛，單輛車每100 km 耗天然氣量40 m3 測算; 環衛車按每1 ×104人配置1． 2 輛，單輛車每100 km 耗天然氣35 m3測算; 出租車按每1 × 104 人配置10． 4 輛，單輛車每100 km 耗天然氣12 m3 測算。天然氣低熱值取35． 54 MJ /m3，各區域根據各自特點確定各類型車輛的年行駛里程，經計算可得，新區年燃氣負荷為3 315 × 104 m3 /a，平均日用氣量9． 08 × 104 m3 /d。

 

  4 區域能源規劃總體原則

 

  徐寶萍等人提出，能源規劃應以單體建筑被動節能優先，降低末端需求。此外，應高效利用清潔能源，合理利用可再生能源。另一方面，能源規劃應以建筑節能、低碳減排、區域可再生能源利用為關注重點，在滿足國家總體可再生能源規劃目標的基礎上，結合地方可再生能源優勢，制定適用于本地區的區域能源規劃及可再生能源發展目標。此外，應把改進能源結構、提高優質能源比重作為能源戰略的重要內容，并考慮可再生能源分散性、區域性的特點，建立多能互補的能源供應體系。

 

  文獻以歐洲某50 × 104 人，占地面積超過3 000 km2 的城區為例，分析了可再生能源利用技術在區域能源規劃中的優化作用。結果表明，將水能、生物質能等可再生能源與熱電聯供相結合，CO2排放量將大大降低。丹麥在從化石能源體系向可再生能源供能體系過渡階段中，提出城市能源規劃新策略，將集中供能與分散供能相結合，最大限度利用可再生能源及余熱，構建完全由可再生能源供能的城市能源體系。文獻得出在高密度人口地區，采用區域集中供能，可提高系統效率，降低運行費用，減少環境污染的結論。文獻提出中國政府應根據資源的空間分布特征，建立國家能源站，整合多種能源，最大限度發揮其環境效益。

 

  結合以上案例及原則，新區的區域能源規劃總體原則如下:

 

  ① 區域供冷供熱集中供能: 在各組團設置區域供冷供熱站，承擔區域建筑群空調冷熱負荷，發揮規模化集中供能的優勢。

 

  ② 堅持可持續發展: 最大限度利用太陽能、空氣能、地表水等可再生能源，從能源可供性和生態環境承載力兩方面綜合分析，優化能源結構，保障可持續發展。

 

  ③ 節約能源: 推廣節能技術，降低建筑能耗，建設節能型社會。

 

  5 能源利用

 

  5． 1 區域外部能源利用

 

  ① 電力: 2013 年建成的110 kV 通惠變電站位于新區北部，近期容量2 × 50 MV·A，遠期規劃3× 50 MV·A。2017 年擬建110 kV 玉龍變電站，位于新區南部，近期容量2 × 50 MV·A，遠期規劃3 ×50 MV·A，以滿足遠期電力負荷的增長需求。

 

  ② 燃氣: 近期利用東石輸氣管線作為新區的主要氣源，遠期考慮利用中緬天然氣管線供氣，并將安穩鎮的液化煤層氣、松藻的液化礦井瓦斯氣作為調峰氣源。

 

  5． 2 區域內部能源利用

 

  ① 太陽能

 

  依據QX/T 89—2008《太陽能資源評估方法》，對太陽能資源的豐富程度進行評估。評估結果顯示，新區年太陽總輻射量為3 053． 89 MJ /( m2·a) ，屬于太陽能資源四類地區，即太陽能資源一般地區，但對其加以合理利用，也能取得可觀的節能效益。

 

  a． 太陽能制生活熱水

 

  能源規劃中，在各組團居住建筑推廣太陽能生活熱水系統，集熱器集中布置于屋頂，經集熱器加熱后的熱水加熱各分戶水箱中的水，每戶單獨設置電輔助加熱器。居住建筑生活熱水需熱量的50% 由太陽能生活熱水系統承擔，其余負荷由電輔助加熱器承擔。采用GB /T 18713—2002《太陽熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范》中推薦的集熱器面積計算方法，集熱器集熱效率按照40% 計算，管道熱損失率取0． 2，新區日均太陽總輻射量按8． 37MJ /( m2·d) 計算。結合各組團居住建筑生活熱水負荷，計算得出各組團居住建筑集熱器面積見表5。

 

  各組團公共建筑也采用太陽能生活熱水系統，承擔公共建筑30%的生活熱水負荷，另外70%的生活熱水負荷由空氣源熱泵、江水源熱泵承擔。集熱器面積計算方法同前，結合各組團公共建筑生活熱水負荷，計算得出各組團公共建筑集熱器面積。

 

  b． 太陽能光伏發電

 

  考慮到太陽能光伏發電成本比較高，因此僅用于商業建筑。光伏發電系統的光伏光熱模塊面積按商業建筑占地面積的2%計算，光電轉換效率按8%計算。由此可確定各組團光伏發電系統光伏光熱模塊面積、年發電量，見表6。由表6 可知，新區總光伏光熱模塊面積約2． 04 × 104 m2，年發電量為138 ×104 kW·h /a。

 

  ② 地表水資源

 

  新區內有綦江河、通惠河、登瀛河。綦江河自南向北流，多年平均流量為83． 9 m3 /s，在新區內常年水位約229． 50 m，夏季最高洪水位為235． 23 m，冬季水位約223． 38 m，水溫全年分布為9． 10 ～ 28． 12℃。通惠河屬綦江右岸支流，多年平均流量2． 20m3 /s，夏季最高洪水位為246． 18 m，冬季水位為235． 84 m。登瀛河水量較小，多年平均流量0． 8m3 /s，常年水位251． 30 m，夏季最高洪水位254． 78m，冬季水位約248． 62 m。

 

  為了充分利用可再生能源，減少化石燃料使用比例，在綦江河、通惠河、登瀛河附近的公共建筑群中采用地表水源熱泵技術。考慮到建筑負荷較大且周圍水系流量較小的情況，僅采用地表水源熱泵不能滿足要求: 一方面水體冷卻能力不足，無法達到理想的冷卻效果; 另一方面，水體水流量小，熱恢復能力較差，長時間大量向水體排熱易導致水體溫度變化超過允許范圍，對生態造成惡劣影響。因此，考慮采用復合式系統，在地表水源熱泵的基礎上補充其他輔助冷源。

 

  ③ 空氣能

 

  新區夏熱冬冷地區的氣候特征有利于熱源塔熱泵( 可利用低于冰點的載體介質，高效提取冰點以下的濕球顯熱能，用于供熱、制冷及制備生活熱水，是一種利用空氣能的新型空氣源熱泵) 全年均保持較高能效運行，有效解決了傳統空氣源熱泵冬季室外換熱器易結霜導致制熱能力下降的問題。特別是土壤源熱泵使用受限的地區，熱源塔熱泵技術具有廣闊的應用前景。

 

  ④ 淺層地熱能

 

  由于新區內地質條件較為復雜，地層顆粒較粗，導熱性能較差，鉆孔費用高，因此大面積使用受限。

 

  在能源規劃中，各組團區域供冷、供熱系統不考慮大范圍采用土壤源熱泵。對于某些單體建筑，可考慮采用土壤源熱泵。

 

  6 區域供冷供熱規劃

 

  區域供冷供熱是指由一個或多個能源站集中制取熱水、冷水，通過管網輸配到區域內各單體建筑，為用戶供冷、供熱。具有以下優勢: 根據用戶同時使用系數，降低冷熱源設備、配電裝置容量; 集中配置更高效、環保的大型設備; 通過專業化的管理逐步實現供冷、供熱的產業化、商業化和市場化，避免傳統福利供冷、供熱造成的浪費。

 

  針對5 個組團分別進行區域供冷供熱規劃，新區供冷供熱規劃見圖3。目前，國內區域供冷案例，系統服務對象絕大多數以公共建筑為主，居住建筑較少。居住建筑容積率明顯低于公共建筑，空調系統同時使用系數隨氣溫變化明顯，負荷率波動大且全年總需求量不高，按照尖峰負荷配置的設備、管網在大多數時間不能被充分利用。因此，規劃中區域供冷供熱系統以公共建筑及少數高檔住宅小區為對象。普通居住建筑則采用分體式電驅動熱泵( 制冷、制熱性能系數均按2． 5 計算) 。

 

  離心式電驅動冷水機組夏季制冷性能系數按照3． 0 計算。熱源塔熱泵和江水源熱泵，冬季供熱性能系數按照4． 0 計算，夏季制冷性能系數按照3． 5計算。重慶供暖期為12 月1 日—2 月28 日，共90d。供冷期為5 月1 日—9 月30 日，共153 d。空調系統每天運行12 h。

 

  根據用能需求及可再生能源利用情況，計算規劃區域內可再生能源( 主要包括太陽能、空氣能、地表水資源) 和常規能源( 主要包括燃氣、城市電網)的供應比例，將所有能源形式均折算為能量單位MJ，計算區域能源供應比例，見表7。由表7 可知，新區進行合理的能源規劃后，可再生能源的比例達到18． 08%，能夠達到國家《可再生能源中長期發展規劃》中可再生能源使用率大于15% 的相關要求，符合我國可持續發展的戰略方針，有利于推動該地區經濟和環境的協調發展。

 

  7 節能及環境效益分析

 

  ① 供熱節電環境效益

 

  根據規劃區域內各組團的能源利用形式，計算太陽能熱水系統、熱源塔熱泵供熱、江水源熱泵供熱所實現的節電量、年節標煤量及二氧化碳減排量。

 

  其中，電力折算標準煤系數取0． 123 kg /( kW·h) ，1t 標準煤燃燒時會產生2． 456 t 的二氧化碳。新區利用可再生能源供熱節電量達9 939． 16 × 104 kW·h /a，相當于年節省標準煤12 225． 17 t /a，CO2排放量減少30 025 t /a。這表明利用可再生能源結合熱泵技術進行供熱，具有顯著的節能效益。

 

  ② 供冷節電環保效益

 

  新區內采用熱源塔熱泵和江水源熱泵供冷，與采用離心式電驅動冷水機組相比，每年可以節電1 578． 66 × 104 kW · h /a，相當于節省標準煤1 941． 75 t /a，CO2排放量減少4 768． 9 t /a。

 

  ③ 光伏發電節能環保效益

 

  新區采用光伏發電系統每年能發電138 × 104kW·h /a，相當于節省標準煤169． 74 t /a，CO2的排放量減少416． 9 t /a。

 

  8 結語

 

  對于該新區，從能源需求預測、可再生能源、區域供冷供熱等方面入手，結合地區可再生能源的實際，制定具有可操作性的區域能源規劃。到新區建成的2020 年，可實現以下目標: 可再生能源的消費量達到能源消費總量的18． 08%，CO2減排量達到3． 52 × 104 t /a。