新区规划可再生能源利用率算法研究与探讨

  １ 概述

 

  可再生能源有六大类：太阳能、风能、地热能、生物质能、海洋能和水电。可再生能源利用对调整城市能源结构、减少矿物能源消耗、推进城市可持续发展意义重大，受关注程度越来越高。

 

  在新区层面提出科学合理的可再生能源利用目标，从规划阶段开始统筹考虑可再生能源的合理开发和利用，同时实现其与常规能源系统的有效匹配，是新区综合能源规划的关键内容。现有国内外绿色建筑标准、政策引导目标、生态城市指标体系、区域能源规划目标中，出现频率最高的控制性指标为可再生能源利用率。但对于可再生能源利用率的具体评价方法，目前尚无统一的标准界定和规范的算法。

 

  因此，如何进行可再生能源利用的合理评价，特别是科学统一的可再生能源利用率算法，对明确规划新区能源系统建设目标，同时作为管理抓手在后续工作中落实，是值得重视并亟需深入研究的问题。

 

  １．１ 相关标准

 

  美国ＬＥＥＤ规定，可再生能源替代率为５％，１０％和２０％的得分分别为１分、２分和３分；在绿色建筑评价标准中规定，居住建筑可再生能源的使用量占建筑总能耗的比例大于５％，１０％的分别为一般项、优选项；公共建筑可再生能源产生的热水量不低于建筑生活热水消耗量的１０％，或可再生能源发电量不低于建筑用电量２％的，为优选项。

 

  １．２ 支持政策

 

  《财政部 住房城乡建设部关于进一步推进可再生能源建筑应用的通知》（财建［２０１１］６１号）提出切实提高太阳能、浅层地能、生物质能等可再生能源在建筑用能中的比例，到２０１５年重点区域内可再生能源消费量占建筑能耗的比例达到１０％以上；到２０２０年，实现可再生能源在建筑领域消费量比例占建筑能耗的１５％以上。

 

  １．３ 新区指标

 

  在低碳生态城区中，可再生能源利用率几乎成了所有能源规划或生态规划的指标必选项。

 

  如天津中新生态城的指标体系中，提出可再生能源比例占２０％；城科会提出的生态城市指标体系，可再生能源所占比例≥２０％；北京长辛店生态城指标体系，可再生能源使用率≥２０％；武汉绿色ＣＢＤ建设体系的指标体系，提出可再生能源使用比例为２％。

 

  １．４ 能源规划

 

  国家“十二五”能源规划提出，要确保到２０１５年非矿物能源消费占一次能源消费的比例达到１１％以上，为实现２０２０年非矿物能源消费比例占一次能源消费比例达１５％和单位ＧＤＰ二氧化碳排放比２００５年下降４０％～４５％的目标奠定坚实的基础。

 

  北京市“十二五”能源规划明确提出，２０１５年北京优质能源消费比例将达到８０％以上。可再生能源发展比例将由原来的３．２％增加到６％左右。

 

  ２ 问题分析

 

  可再生能源利用率这一项重要指标贯穿建筑、

 

  新区、城市、国家等不同层面。在实际项目操作过程中，由于缺少权威的、统一的可再生能源利用率算法，对可再生能源利用评价存在多种不同算法，且不同算法得出的结果大相径庭，导致横向项目指标难以比对、纵向项目指标难以衔接。

 

  归纳目前大多算法的分歧点、主要问题，如下。

 

  ２．１ 对常规能源消耗的考虑

 

  现有的评价方法大多针对可再生能源利用收

 

  益进行评价，忽视了可再生能源利用过程中的额外能耗，如：热泵系统应用中的电耗、太阳能热水系统应用中的辅助电耗。由此，导致评价结果夸大可再生能源利用的作用，可能误导人们只注重追求扩大可再生能源利用系统的规模，而不重视提高可再生能源利用系统的效率。

 

  可再生能源利用评价中，应扣除由于可再生能源应用引起的常规能源消耗。

 

  ２．２ 对不同能源品位的考虑

 

  在扣除常规能源消耗时，采用等热或等效电的换算方法，前者未考虑能源品位，后者则以高品位的电作为标准。将其他终端能源按照一定的折算系数转化为电，就不仅考虑了不同能源之间量的差异，还体现出质的不同。

 

  可再生能源利用评价中，应区分利用方式和能源品质的差异，综合考虑利用过程中的得与失，即采用等效电换算方法。表１给出等效电换算方法参考折算系数。

 

  ２．３ 对基准情景门槛的设置

 

  相对于不同基准情景，替代能源种类及替代量会不同，尤其是对于可再生能源热泵系统的应用。

 

  如果常规能源利用效率足够高，甚至超过某种可再生能源的利用效率，就没有必要应用这种可再生能源。

 

  在进行可再生能源利用评价时，第一步就应将可再生能源系统与基准情景下的常规能源系统效率进行比较，只有当前者综合效率高于后者时，该可再生能源系统方案才具备应用的价值与意义。

 

  基准情景的设置，与规划区域的常规能源供应条件有关。比如，在有市政热力条件的区域，供热的基准情景方案为市政热力供热；倘若不具备市政热力条件而有较好的天然气供应条件，则供热的基准情景方案为燃气锅炉供热等。

 

  ２．４ 折算到源端消耗而非用户端

 

  可再生能源替代量应统一折算到源端消耗，这样才能把系统能源效率的差异考虑进去。例如，ＣＯＰ 为４的地埋管地源热泵冬季从土壤中吸收３份热，消耗１份电，向用户端提供４份热；那么，虽然用户端的４份热全部由地埋管地源热泵系统承担，但该系统中可再生能源替代量并不是４份热，而应该是从４份热中扣除掉１份电（按当年国家公布的电网效率转为一次能源量）后得到的值。

 

  ２．５ 对大水电的考虑

 

  在进行区域能源规划时，应将当地大水电、核电、风电等比例考虑在内，从而形成一种对当地政府的倒逼机制。比如，某区域使用的电力由大电网提供，该电网供电量中约１０％来自水电，这部分水电量应纳入可再生能源利用量中。

 

  ２．６ 对被动式可再生能源应用的考虑

 

  除了太阳能光热、太阳能光电、风力发电、各类热泵等主动式应用，还有自然采光、自然通风、被动式太阳房等可再生能源被动式应用。但由于后者目前还没有成熟的量化评价方法，特别是新区、城市或更高层面，因此尚未纳入到可再生能源应用的总体量化目标中。

 

  在新区层面，建议与城市设计相结合，通过布局优化、景观设计等方式，采用计算机模拟，对风、光、热等区域微环境进行改善，并对区域内建筑设计中被动式技术应用提出引导性要求；在建筑层面，通过细部窗洞设计、空间排布、构造节点等方式，采用模拟方法，对利用自然采光、遮阳、自然通风、太阳房减少建筑能耗进行量化评估，进而纳入到可再生能源利用量中。

 

  ３ 评价方法

 

  可再生能源利用评价的三个关键指标为：可再生能源替代量、可再生能源利用量、可再生能源利用率。替代量与利用量是两个不同的概念，不应混为一谈，前者关乎矿物能源消耗量的减少，与基准情景下的能源消耗种类和能源综合效率有关；后者关乎当前情景下能源结构的优化，与基准情景无关。明确替代量、利用量等绝对值的统一评价算法，可实现建筑、新区、城市、国家等不同层面可再生能源利用评价的纵向衔接；明确利用率等相对值的统一评价方法，可实现同类建筑、同类新区、同类城市之间等不同对象的横向比较。

 

  ３．１ 可再生能源替代量

 

  可再生能源替代量是指与基准情景相比，减少矿物能源的消耗量，亦可理解为，可再生能源节能贡献量。依据当地常规能源供应条件及需求特性，设置基准情景，判断替代能源种类及替代量，当综合效率低于基准情景下的常规系统，则替代量为负数，该可再生能源利用方式不可行，不应计入可再生能源利用量。

 

  对于太阳能光电、风力发电、生物质能发电等可再生能源系统形式，在产电过程中基本不消耗常规能源，可再生能源替代量就等于发电量。对于太阳能光热系统，需要一定的电辅助加热；追溯到能源供应源头，替代电或替代气的结果也会有所不同。详见如下算例分析。

 

  １）例１

 

  基准情景下，规划所在地住宅生活热水主要采用燃气热水器，燃气热水器效率８５％。设基准情景每户年生活热水用热量为２ １６０ＭＪ；采用太阳能生活热水器（分散式）后，实现太阳能保证率６０％，则电辅助加热量占总耗热量的４０％，电加热效率９０％。

 

  太阳能生活热水器的应用，减少原有的耗气量约２ １６０ＭＪ÷８５％÷３５．１６ＭＪ／ｍ３＝７２．３ｍ３，增加辅助电加热的耗电量约２ １６０ＭＪ×４０％÷９０％÷３．６ＭＪ／（ｋＷ·ｈ）＝２６７ｋＷ·ｈ，综合考虑不同能源品位，统一折算成标准煤，可得可再生能源替代量为：７２．３ｍ３×３５．１６ ＭＪ／ｍ３ × （６６．１％ ÷４５．４％）÷２９．２７ＭＪ／ｋｇ－２６７ｋＷ·ｈ×３．６ＭＪ／（ｋＷ·ｈ）×（１００％÷４５．４％）÷２９．２７ＭＪ／ｋｇ＝５４ｋｇ。

 

  ２）例２

 

  基准情景下，规划所在地住宅生活热水主要采用电热水器，其他条件同例１。

 

  太阳能生活热水器的应用，减少原电热水器的耗电量约６００ｋＷ·ｈ÷９０％＝６６７ｋＷ·ｈ，增加太阳能热水器电辅助加热的耗电量约６００ｋＷ·ｈ×４０％÷９０％＝２６７ｋＷ·ｈ，统一折算成标准煤，可再生能源替代量为：６６７ｋＷ·ｈ×３．６ＭＪ／（ｋＷ·ｈ）× （１００％ ÷４５．４％）÷２９．２７ ＭＪ／ｋｇ－２６７ｋＷ·ｈ×３．６ＭＪ／（ｋＷ·ｈ）×（１００％÷４５．４％）÷２９．２７ＭＪ／ｋｇ＝１０８ｋｇ。

 

  ３）例３

 

  基准情景下，规划所在地采用燃气锅炉供暖，系统热效率约９０％；当地电网效率转为一次能源为标准煤３２０ｇ／（ｋＷ·ｈ）；某用户供暖季用热量约１ ０００ＭＷ·ｈ，若采用地埋管地源热泵系统，冬季工况供暖平均ＣＯＰ 约为４。

 

  地埋管地源热泵系统的应用，减少耗气量约１ ０００ＭＷ·ｈ×３ ６００ ＭＪ／（ＭＷ·ｈ）÷９０％÷３５．１６ＭＪ／ｍ３＝１１３ ７６５．６ｍ３，取天然气标准电折算系数为７．１５６ ｋＷ ·ｈ／ｍ３［４］，等效电量为１１３ ７６５．６ｍ３×７．１５６ｋＷ·ｈ／ｍ３＝８１４ＭＷ·ｈ；增加耗电量约１ ０００ＭＷ·ｈ÷４＝２５０ＭＷ·ｈ；按当地电网效率统一折算成标准煤，可再生能源替代量为：（８１４ ＭＷ·ｈ－２５０ ＭＷ·ｈ）×３２０ｋｇ／（ＭＷ·ｈ）＝１８０．５ｔ。若地埋管地源热泵系统冬季工况供暖平均ＣＯＰ 提升至５左右，则可再生能源替代量增加为１９６．５ｔ标准煤。

 

  ３．２ 可再生能源利用量

 

  光电、风电、生物质能的可再生能源利用量即为产电量（规划区域内全部消纳），太阳能生活热水系统的可再生能源利用量对应用户消耗的太阳能产热量。而各类可再生能源热泵，其可再生能源利用量的计算方法参考欧盟Ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ ｏｎ ｔｈｅｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ ｒｅｎｅｗａｂｌｅｓｏｕｒｃｅｓ（ＣＯＭ／２００８／１９／ｆｉｎａｌ）的相关规定：

 

  Ｅｒ＝Ｑｕ（１－ＳＰ１Ｆ）

 

  （２）式中 Ｅｒ为可再生能源利用量；Ｑｕ为热泵产生的总的可利用热量，且符合可再生能源替代量为正值时才计入；ＳＰＦ      为热泵平均季节性能系数。

 

  对于例１及例２，可再生能源利用量为：６００ｋＷ·ｈ×６０％＝３６０ｋＷ·ｈ，即太阳能对生活热水的有效加热量；对于例３，可再生能源利用量为：

 

  １ ０００ＭＷｈ×（１－１／４）＝７５０ＭＷ·ｈ，即地埋管地源热泵从土壤中吸收的热量。

 

  按上述方法计算得到的可再生能源利用量仅为初步结果，最后还需考虑不同能源品位，采用等效电算法统一折算成标准煤量。

 

  ３．３ 可再生能源利用率

 

  单独讨论可再生能源利用率是没有意义的，需在可再生能源替代量大于零的前提下来讨论。可再生能源利用率不是单一指标，而是由能源消耗总量和可再生能源利用量构成.

 

  ４ 结论

 

  ４．１ 可再生能源利用评价中，应扣除由于可再生能源应用引起的常规能源消耗；应区分利用方式和能源品质的差异，即采用等效电换算方法；应将可再生能源系统与基准情景下的常规能源系统效率进行比较，且只有当前者综合效率高于后者时，可再生能源才具备应用价值；可再生能源利用量应统一折算成源端消耗，以将系统能源效率的差异考虑进去；应将当地大水电、核电、风电等的使用量考虑在内，从而形成对当地政府的倒逼机制；自然采光、自然通风、被动式太阳房等可再生能源被动式技术应受到重视并纳入量化评估。

 

  ４．２ 阐述了可再生能源利用评价的三个关键指标及计算方法。可再生能源替代量是指与基准情景相比，减少的矿物能源消耗量。对于太阳能光电、风力发电、生物质能发电等可再生能源系统形式，替代量就等于发电量；对于太阳能光热系统，其替代量等于常规情景热水系统的电或燃气消耗量，扣除太阳能系统辅助电或燃气的消耗量；对于各类热泵系统，其替代量等于常规供热系统燃料消耗量，扣除热泵系统耗电量，并统一按当年国家公布的电网效率转为一次能源。可再生能源利用量，关乎对当前情景能源结构的优化，与基准情景无关：光电、风电、生物质能的可再生能源利用量即为产电量（规划区域内全部消纳）；对于热泵系统，则为冬季工况热泵产生的总的可利用热量。可再生能源利用率为可再生能源利用量与能源消耗总量的比值，且需在可再生能源替代量大于零的前提下讨论。

 

  统一可再生能源利用评价方法，明确替代量、利用量等绝对值算法，可实现建筑、新区、城市、国家等不同层面可再生能源利用评价的纵向衔接；明确利用率等相对值的统一评价方法，可实现同类建筑之间、同类新区之间、同类城市之间等不同对象的横向比较。