1 概述

 

  氣候變化和能源安全已成為全球發(fā)展面臨的重要問題。在城市的規(guī)劃和發(fā)展過程中，建筑規(guī)模化利用可再生能源，是我國推進(jìn)建筑節(jié)能工作的新舉措。目前，我國建筑能耗約占整個(gè)社會(huì)總能耗的33． 3%，若將建筑單體視為微觀技術(shù)的“硬節(jié)能”，建筑群能源規(guī)劃則是宏觀意義上的“軟節(jié)能”。從單體建筑微觀“硬節(jié)能”向建筑群宏觀“軟節(jié)能”轉(zhuǎn)變，具有重要意義。在我國城市規(guī)劃體系中尚無建筑能源專項(xiàng)規(guī)劃，供水規(guī)劃、供熱規(guī)劃、燃?xì)庖?guī)劃、電力規(guī)劃也各自為政，基礎(chǔ)設(shè)施重復(fù)建設(shè)情況嚴(yán)重。

 

  現(xiàn)階段，我國能源系統(tǒng)仍以市政電力、燃?xì)鉃橹饕?a href="http://www.cityofbrews.com/t/能源.html" >能源，可再生能源的規(guī)?；幂^少。雖有許多規(guī)劃項(xiàng)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(qiáng)，在城市或區(qū)域規(guī)劃中的實(shí)施性規(guī)劃基本處于空白。隨著技術(shù)進(jìn)步，可再生能源的利用將具有極強(qiáng)的競爭力。

 

  本文以重慶某新區(qū)能源規(guī)劃項(xiàng)目為例，從能源需求預(yù)測、可再生能源利用、區(qū)域供冷供熱等方面入手，編制具有可實(shí)施性的區(qū)域能源規(guī)劃，為今后進(jìn)一步深化區(qū)域能源規(guī)劃進(jìn)行初步探索。

 

  2 規(guī)劃區(qū)域概況

 

  該新區(qū)位于“重慶一小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈”的輻射范圍內(nèi)，是重慶主城重要的衛(wèi)星城，總規(guī)劃面積為26km2，新區(qū)規(guī)劃功能分區(qū)見圖1。新區(qū)由A、B、C、D、E 共5 個(gè)組團(tuán)組成，各組團(tuán)位置見圖2。新區(qū)于2010 年開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2020 年全部建成。新區(qū)內(nèi)以民用建筑( 居住建筑、公共建筑) 為主，工業(yè)園區(qū)位于新區(qū)外圍。A ～ E 組團(tuán)規(guī)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(yù)測

 

  ① 空調(diào)冷熱負(fù)荷

 

  雖然建筑功能已明確，但人員密度、作息時(shí)間、照明設(shè)備等對(duì)空調(diào)冷熱負(fù)荷的影響因素仍不確定。

 

  因此，采用指標(biāo)法對(duì)區(qū)域內(nèi)建筑空調(diào)冷熱負(fù)荷進(jìn)行估算。民用建筑空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)見表1。對(duì)于同時(shí)使用系數(shù)，居住建筑按配置分體式電驅(qū)動(dòng)熱泵考慮，同時(shí)使用系數(shù)取0． 5; 公共建筑按配置集中式空調(diào)系統(tǒng)考慮，同時(shí)使用系數(shù)取0． 5。各組團(tuán)居住建筑、公共建筑的建筑面積、空調(diào)面積、空調(diào)冷熱負(fù)荷分別見表2、3。公共建筑冷熱負(fù)荷由各類型公共建筑的規(guī)劃空調(diào)面積及冷熱負(fù)荷指標(biāo)計(jì)算得到。由表2、3 數(shù)據(jù)計(jì)算可得，新區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷為752． 37 MW，熱負(fù)荷為311． 41 MW。

 

  ② 生活熱水負(fù)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(biāo)取80 L /( 人·d) ，同時(shí)使用系數(shù)取0． 4。公共建筑生活熱水負(fù)荷根據(jù)規(guī)劃建筑面積、生活熱水熱負(fù)荷指標(biāo)計(jì)算，生活熱水熱負(fù)荷指標(biāo)取15 W/m2，同時(shí)使用系數(shù)取0． 45?？捎?jì)算得新區(qū)總生活熱水負(fù)荷為463． 13 MW。

 

  ③ 電負(fù)荷

 

  根據(jù)新區(qū)2012—2020 年配電網(wǎng)規(guī)劃，采用負(fù)荷密度法預(yù)測電負(fù)荷。依據(jù)控制性詳細(xì)規(guī)劃及周邊區(qū)域電負(fù)荷指標(biāo)的調(diào)研，選取新區(qū)各類型規(guī)劃用地的需用系數(shù)、電負(fù)荷密度指標(biāo)( 見表4) 。電負(fù)荷預(yù)測結(jié)果顯示: 2015 年，電負(fù)荷達(dá)到54． 32 MW; 2017年，電負(fù)荷達(dá)到97． 57 MW; 2020 年，電負(fù)荷達(dá)到118． 94 MW。

 

  ④ 燃?xì)庳?fù)荷

 

  居住建筑、公共建筑燃?xì)庳?fù)荷采用人均用氣量指標(biāo)法進(jìn)行預(yù)測。居住建筑人均用氣量指標(biāo)取2 300 MJ /( 人·a) ，氣化率按100% 計(jì)算。公共建筑用氣量按居民用氣量的30%測算。

 

  燃?xì)馄嚾細(xì)庳?fù)荷根據(jù)每100 km 耗氣指標(biāo)預(yù)測。新區(qū)內(nèi)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(huán)衛(wèi)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(qū)域根據(jù)各自特點(diǎn)確定各類型車輛的年行駛里程，經(jīng)計(jì)算可得，新區(qū)年燃?xì)庳?fù)荷為3 315 × 104 m3 /a，平均日用氣量9． 08 × 104 m3 /d。

 

  4 區(qū)域能源規(guī)劃總體原則

 

  徐寶萍等人提出，能源規(guī)劃應(yīng)以單體建筑被動(dòng)節(jié)能優(yōu)先，降低末端需求。此外，應(yīng)高效利用清潔能源，合理利用可再生能源。另一方面，能源規(guī)劃應(yīng)以建筑節(jié)能、低碳減排、區(qū)域可再生能源利用為關(guān)注重點(diǎn)，在滿足國家總體可再生能源規(guī)劃目標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地方可再生能源優(yōu)勢，制定適用于本地區(qū)的區(qū)域能源規(guī)劃及可再生能源發(fā)展目標(biāo)。此外，應(yīng)把改進(jìn)能源結(jié)構(gòu)、提高優(yōu)質(zhì)能源比重作為能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，并考慮可再生能源分散性、區(qū)域性的特點(diǎn)，建立多能互補(bǔ)的能源供應(yīng)體系。

 

  文獻(xiàn)以歐洲某50 × 104 人，占地面積超過3 000 km2 的城區(qū)為例，分析了可再生能源利用技術(shù)在區(qū)域能源規(guī)劃中的優(yōu)化作用。結(jié)果表明，將水能、生物質(zhì)能等可再生能源與熱電聯(lián)供相結(jié)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(guī)劃新策略，將集中供能與分散供能相結(jié)合，最大限度利用可再生能源及余熱，構(gòu)建完全由可再生能源供能的城市能源體系。文獻(xiàn)得出在高密度人口地區(qū)，采用區(qū)域集中供能，可提高系統(tǒng)效率，降低運(yùn)行費(fèi)用，減少環(huán)境污染的結(jié)論。文獻(xiàn)提出中國政府應(yīng)根據(jù)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(fā)揮其環(huán)境效益。

 

  結(jié)合以上案例及原則，新區(qū)的區(qū)域能源規(guī)劃總體原則如下:

 

  ① 區(qū)域供冷供熱集中供能: 在各組團(tuán)設(shè)置區(qū)域供冷供熱站，承擔(dān)區(qū)域建筑群空調(diào)冷熱負(fù)荷，發(fā)揮規(guī)?；?a href="http://www.cityofbrews.com/t/集中供能.html" >集中供能的優(yōu)勢。

 

  ② 堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)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(tài)環(huán)境承載力兩方面綜合分析，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保障可持續(xù)發(fā)展。

 

  ③ 節(jié)約能源: 推廣節(jié)能技術(shù)，降低建筑能耗，建設(shè)節(jié)能型社會(huì)。

 

  5 能源利用

 

  5． 1 區(qū)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(qū)北部，近期容量2 × 50 MV·A，遠(yuǎn)期規(guī)劃3× 50 MV·A。2017 年擬建110 kV 玉龍變電站，位于新區(qū)南部，近期容量2 × 50 MV·A，遠(yuǎn)期規(guī)劃3 ×50 MV·A，以滿足遠(yuǎn)期電力負(fù)荷的增長需求。

 

  ② 燃?xì)? 近期利用東石輸氣管線作為新區(qū)的主要?dú)庠?，遠(yuǎn)期考慮利用中緬天然氣管線供氣，并將安穩(wěn)鎮(zhèn)的液化煤層氣、松藻的液化礦井瓦斯氣作為調(diào)峰氣源。

 

  5． 2 區(qū)域內(nèi)部能源利用

 

  ① 太陽能

 

  依據(jù)QX/T 89—2008《太陽能資源評(píng)估方法》，對(duì)太陽能資源的豐富程度進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估結(jié)果顯示，新區(qū)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(qū)，即太陽能資源一般地區(qū)，但對(duì)其加以合理利用，也能取得可觀的節(jié)能效益。

 

  a． 太陽能制生活熱水

 

  能源規(guī)劃中，在各組團(tuán)居住建筑推廣太陽能生活熱水系統(tǒng)，集熱器集中布置于屋頂，經(jīng)集熱器加熱后的熱水加熱各分戶水箱中的水，每戶單獨(dú)設(shè)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(tǒng)承擔(dān)，其余負(fù)荷由電輔助加熱器承擔(dān)。采用GB /T 18713—2002《太陽熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》中推薦的集熱器面積計(jì)算方法，集熱器集熱效率按照40% 計(jì)算，管道熱損失率取0． 2，新區(qū)日均太陽總輻射量按8． 37MJ /( m2·d) 計(jì)算。結(jié)合各組團(tuán)居住建筑生活熱水負(fù)荷，計(jì)算得出各組團(tuán)居住建筑集熱器面積見表5。

 

  各組團(tuán)公共建筑也采用太陽能生活熱水系統(tǒng)，承擔(dān)公共建筑30%的生活熱水負(fù)荷，另外70%的生活熱水負(fù)荷由空氣源熱泵、江水源熱泵承擔(dān)。集熱器面積計(jì)算方法同前，結(jié)合各組團(tuán)公共建筑生活熱水負(fù)荷，計(jì)算得出各組團(tuán)公共建筑集熱器面積。

 

  b． 太陽能光伏發(fā)電

 

  考慮到太陽能光伏發(fā)電成本比較高，因此僅用于商業(yè)建筑。光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏光熱模塊面積按商業(yè)建筑占地面積的2%計(jì)算，光電轉(zhuǎn)換效率按8%計(jì)算。由此可確定各組團(tuán)光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏光熱模塊面積、年發(fā)電量，見表6。由表6 可知，新區(qū)總光伏光熱模塊面積約2． 04 × 104 m2，年發(fā)電量為138 ×104 kW·h /a。

 

  ② 地表水資源

 

  新區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)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(shù)。考慮到建筑負(fù)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(dá)到理想的冷卻效果; 另一方面，水體水流量小，熱恢復(fù)能力較差，長時(shí)間大量向水體排熱易導(dǎo)致水體溫度變化超過允許范圍，對(duì)生態(tài)造成惡劣影響。因此，考慮采用復(fù)合式系統(tǒng)，在地表水源熱泵的基礎(chǔ)上補(bǔ)充其他輔助冷源。

 

  ③ 空氣能

 

  新區(qū)夏熱冬冷地區(qū)的氣候特征有利于熱源塔熱泵( 可利用低于冰點(diǎn)的載體介質(zhì)，高效提取冰點(diǎn)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(yùn)行，有效解決了傳統(tǒng)空氣源熱泵冬季室外換熱器易結(jié)霜導(dǎo)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(qū)，熱源塔熱泵技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

  ④ 淺層地?zé)崮?/a>

  由于新區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地層顆粒較粗，導(dǎo)熱性能較差，鉆孔費(fèi)用高，因此大面積使用受限。

 

  在能源規(guī)劃中，各組團(tuán)區(qū)域供冷、供熱系統(tǒng)不考慮大范圍采用土壤源熱泵。對(duì)于某些單體建筑，可考慮采用土壤源熱泵。

 

  6 區(qū)域供冷供熱規(guī)劃

 

  區(qū)域供冷供熱是指由一個(gè)或多個(gè)能源站集中制取熱水、冷水，通過管網(wǎng)輸配到區(qū)域內(nèi)各單體建筑，為用戶供冷、供熱。具有以下優(yōu)勢: 根據(jù)用戶同時(shí)使用系數(shù)，降低冷熱源設(shè)備、配電裝置容量; 集中配置更高效、環(huán)保的大型設(shè)備; 通過專業(yè)化的管理逐步實(shí)現(xiàn)供冷、供熱的產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化和市場化，避免傳統(tǒng)福利供冷、供熱造成的浪費(fèi)。

 

  針對(duì)5 個(gè)組團(tuán)分別進(jìn)行區(qū)域供冷供熱規(guī)劃，新區(qū)供冷供熱規(guī)劃見圖3。目前，國內(nèi)區(qū)域供冷案例，系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象絕大多數(shù)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(diào)系統(tǒng)同時(shí)使用系數(shù)隨氣溫變化明顯，負(fù)荷率波動(dòng)大且全年總需求量不高，按照尖峰負(fù)荷配置的設(shè)備、管網(wǎng)在大多數(shù)時(shí)間不能被充分利用。因此，規(guī)劃中區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)以公共建筑及少數(shù)高檔住宅小區(qū)為對(duì)象。普通居住建筑則采用分體式電驅(qū)動(dòng)熱泵( 制冷、制熱性能系數(shù)均按2． 5 計(jì)算) 。

 

  離心式電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組夏季制冷性能系數(shù)按照3． 0 計(jì)算。熱源塔熱泵和江水源熱泵，冬季供熱性能系數(shù)按照4． 0 計(jì)算，夏季制冷性能系數(shù)按照3． 5計(jì)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(diào)系統(tǒng)每天運(yùn)行12 h。

 

  根據(jù)用能需求及可再生能源利用情況，計(jì)算規(guī)劃區(qū)域內(nèi)可再生能源( 主要包括太陽能、空氣能、地表水資源) 和常規(guī)能源( 主要包括燃?xì)?、城市電網(wǎng))的供應(yīng)比例，將所有能源形式均折算為能量單位MJ，計(jì)算區(qū)域能源供應(yīng)比例，見表7。由表7 可知，新區(qū)進(jìn)行合理的能源規(guī)劃后，可再生能源的比例達(dá)到18． 08%，能夠達(dá)到國家《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中可再生能源使用率大于15% 的相關(guān)要求，符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，有利于推動(dòng)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

 

  7 節(jié)能及環(huán)境效益分析

 

  ① 供熱節(jié)電環(huán)境效益

 

  根據(jù)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)各組團(tuán)的能源利用形式，計(jì)算太陽能熱水系統(tǒng)、熱源塔熱泵供熱、江水源熱泵供熱所實(shí)現(xiàn)的節(jié)電量、年節(jié)標(biāo)煤量及二氧化碳減排量。

 

  其中，電力折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)取0． 123 kg /( kW·h) ，1t 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生2． 456 t 的二氧化碳。新區(qū)利用可再生能源供熱節(jié)電量達(dá)9 939． 16 × 104 kW·h /a，相當(dāng)于年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合熱泵技術(shù)進(jìn)行供熱，具有顯著的節(jié)能效益。

 

  ② 供冷節(jié)電環(huán)保效益

 

  新區(qū)內(nèi)采用熱源塔熱泵和江水源熱泵供冷，與采用離心式電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組相比，每年可以節(jié)電1 578． 66 × 104 kW · h /a，相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤1 941． 75 t /a，CO2排放量減少4 768． 9 t /a。

 

  ③ 光伏發(fā)電節(jié)能環(huán)保效益

 

  新區(qū)采用光伏發(fā)電系統(tǒng)每年能發(fā)電138 × 104kW·h /a，相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤169． 74 t /a，CO2的排放量減少416． 9 t /a。

 

  8 結(jié)語

 

  對(duì)于該新區(qū)，從能源需求預(yù)測、可再生能源、區(qū)域供冷供熱等方面入手，結(jié)合地區(qū)可再生能源的實(shí)際，制定具有可操作性的區(qū)域能源規(guī)劃。到新區(qū)建成的2020 年，可實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo): 可再生能源的消費(fèi)量達(dá)到能源消費(fèi)總量的18． 08%，CO2減排量達(dá)到3． 52 × 104 t /a。