重庆某新区能源规划分析

  1 概述

 

  气候变化和能源安全已成为全球发展面临的重要问题。在城市的规划和发展过程中，建筑规模化利用可再生能源，是我国推进建筑节能工作的新举措。目前，我国建筑能耗约占整个社会总能耗的33． 3%，若将建筑单体视为微观技术的“硬节能”，建筑群能源规划则是宏观意义上的“软节能”。从单体建筑微观“硬节能”向建筑群宏观“软节能”转变，具有重要意义。在我国城市规划体系中尚无建筑能源专项规划，供水规划、供热规划、燃气规划、电力规划也各自为政，基础设施重复建设情况严重。

 

  现阶段，我国能源系统仍以市政电力、燃气为主要能源，可再生能源的规模化利用较少。虽有许多规划项目开始提倡利用可再生能源，但大多停留在概念阶段，可操作性不强，在城市或区域规划中的实施性规划基本处于空白。随着技术进步，可再生能源的利用将具有极强的竞争力。

 

  本文以重庆某新区能源规划项目为例，从能源需求预测、可再生能源利用、区域供冷供热等方面入手，编制具有可实施性的区域能源规划，为今后进一步深化区域能源规划进行初步探索。

 

  2 规划区域概况

 

  该新区位于“重庆一小时经济圈”的辐射范围内，是重庆主城重要的卫星城，总规划面积为26km2，新区规划功能分区见图1。新区由A、B、C、D、E 共5 个组团组成，各组团位置见图2。新区于2010 年开工建设，预计2020 年全部建成。新区内以民用建筑( 居住建筑、公共建筑) 为主，工业园区位于新区外围。A ～ E 组团规划人口分别为7． 0 ×104、4． 7 × 104、6． 6 × 104、3． 5 × 104、2． 2 × 104人。

 

  3 能源需求预测

 

  ① 空调冷热负荷

 

  虽然建筑功能已明确，但人员密度、作息时间、照明设备等对空调冷热负荷的影响因素仍不确定。

 

  因此，采用指标法对区域内建筑空调冷热负荷进行估算。民用建筑空调冷热负荷指标见表1。对于同时使用系数，居住建筑按配置分体式电驱动热泵考虑，同时使用系数取0． 5; 公共建筑按配置集中式空调系统考虑，同时使用系数取0． 5。各组团居住建筑、公共建筑的建筑面积、空调面积、空调冷热负荷分别见表2、3。公共建筑冷热负荷由各类型公共建筑的规划空调面积及冷热负荷指标计算得到。由表2、3 数据计算可得，新区空调冷负荷为752． 37 MW，热负荷为311． 41 MW。

 

  ② 生活热水负荷

 

  居住建筑生活热水供水温度取55 ℃，自来水温度取7 ℃，用水指标取80 L /( 人·d) ，同时使用系数取0． 4。公共建筑生活热水负荷根据规划建筑面积、生活热水热负荷指标计算，生活热水热负荷指标取15 W/m2，同时使用系数取0． 45。可计算得新区总生活热水负荷为463． 13 MW。

 

  ③ 电负荷

 

  根据新区2012—2020 年配电网规划，采用负荷密度法预测电负荷。依据控制性详细规划及周边区域电负荷指标的调研，选取新区各类型规划用地的需用系数、电负荷密度指标( 见表4) 。电负荷预测结果显示: 2015 年，电负荷达到54． 32 MW; 2017年，电负荷达到97． 57 MW; 2020 年，电负荷达到118． 94 MW。

 

  ④ 燃气负荷

 

  居住建筑、公共建筑燃气负荷采用人均用气量指标法进行预测。居住建筑人均用气量指标取2 300 MJ /( 人·a) ，气化率按100% 计算。公共建筑用气量按居民用气量的30%测算。

 

  燃气汽车燃气负荷根据每100 km 耗气指标预测。新区内公交车按每1 × 104人配置12 辆，单辆车每100 km 耗天然气量40 m3 测算; 环卫车按每1 ×104人配置1． 2 辆，单辆车每100 km 耗天然气35 m3测算; 出租车按每1 × 104 人配置10． 4 辆，单辆车每100 km 耗天然气12 m3 测算。天然气低热值取35． 54 MJ /m3，各区域根据各自特点确定各类型车辆的年行驶里程，经计算可得，新区年燃气负荷为3 315 × 104 m3 /a，平均日用气量9． 08 × 104 m3 /d。

 

  4 区域能源规划总体原则

 

  徐宝萍等人提出，能源规划应以单体建筑被动节能优先，降低末端需求。此外，应高效利用清洁能源，合理利用可再生能源。另一方面，能源规划应以建筑节能、低碳减排、区域可再生能源利用为关注重点，在满足国家总体可再生能源规划目标的基础上，结合地方可再生能源优势，制定适用于本地区的区域能源规划及可再生能源发展目标。此外，应把改进能源结构、提高优质能源比重作为能源战略的重要内容，并考虑可再生能源分散性、区域性的特点，建立多能互补的能源供应体系。

 

  文献以欧洲某50 × 104 人，占地面积超过3 000 km2 的城区为例，分析了可再生能源利用技术在区域能源规划中的优化作用。结果表明，将水能、生物质能等可再生能源与热电联供相结合，CO2排放量将大大降低。丹麦在从化石能源体系向可再生能源供能体系过渡阶段中，提出城市能源规划新策略，将集中供能与分散供能相结合，最大限度利用可再生能源及余热，构建完全由可再生能源供能的城市能源体系。文献得出在高密度人口地区，采用区域集中供能，可提高系统效率，降低运行费用，减少环境污染的结论。文献提出中国政府应根据资源的空间分布特征，建立国家能源站，整合多种能源，最大限度发挥其环境效益。

 

  结合以上案例及原则，新区的区域能源规划总体原则如下:

 

  ① 区域供冷供热集中供能: 在各组团设置区域供冷供热站，承担区域建筑群空调冷热负荷，发挥规模化集中供能的优势。

 

  ② 坚持可持续发展: 最大限度利用太阳能、空气能、地表水等可再生能源，从能源可供性和生态环境承载力两方面综合分析，优化能源结构，保障可持续发展。

 

  ③ 节约能源: 推广节能技术，降低建筑能耗，建设节能型社会。

 

  5 能源利用

 

  5． 1 区域外部能源利用

 

  ① 电力: 2013 年建成的110 kV 通惠变电站位于新区北部，近期容量2 × 50 MV·A，远期规划3× 50 MV·A。2017 年拟建110 kV 玉龙变电站，位于新区南部，近期容量2 × 50 MV·A，远期规划3 ×50 MV·A，以满足远期电力负荷的增长需求。

 

  ② 燃气: 近期利用东石输气管线作为新区的主要气源，远期考虑利用中缅天然气管线供气，并将安稳镇的液化煤层气、松藻的液化矿井瓦斯气作为调峰气源。

 

  5． 2 区域内部能源利用

 

  ① 太阳能

 

  依据QX/T 89—2008《太阳能资源评估方法》，对太阳能资源的丰富程度进行评估。评估结果显示，新区年太阳总辐射量为3 053． 89 MJ /( m2·a) ，属于太阳能资源四类地区，即太阳能资源一般地区，但对其加以合理利用，也能取得可观的节能效益。

 

  a． 太阳能制生活热水

 

  能源规划中，在各组团居住建筑推广太阳能生活热水系统，集热器集中布置于屋顶，经集热器加热后的热水加热各分户水箱中的水，每户单独设置电辅助加热器。居住建筑生活热水需热量的50% 由太阳能生活热水系统承担，其余负荷由电辅助加热器承担。采用GB /T 18713—2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》中推荐的集热器面积计算方法，集热器集热效率按照40% 计算，管道热损失率取0． 2，新区日均太阳总辐射量按8． 37MJ /( m2·d) 计算。结合各组团居住建筑生活热水负荷，计算得出各组团居住建筑集热器面积见表5。

 

  各组团公共建筑也采用太阳能生活热水系统，承担公共建筑30%的生活热水负荷，另外70%的生活热水负荷由空气源热泵、江水源热泵承担。集热器面积计算方法同前，结合各组团公共建筑生活热水负荷，计算得出各组团公共建筑集热器面积。

 

  b． 太阳能光伏发电

 

  考虑到太阳能光伏发电成本比较高，因此仅用于商业建筑。光伏发电系统的光伏光热模块面积按商业建筑占地面积的2%计算，光电转换效率按8%计算。由此可确定各组团光伏发电系统光伏光热模块面积、年发电量，见表6。由表6 可知，新区总光伏光热模块面积约2． 04 × 104 m2，年发电量为138 ×104 kW·h /a。

 

  ② 地表水资源

 

  新区内有綦江河、通惠河、登瀛河。綦江河自南向北流，多年平均流量为83． 9 m3 /s，在新区内常年水位约229． 50 m，夏季最高洪水位为235． 23 m，冬季水位约223． 38 m，水温全年分布为9． 10 ～ 28． 12℃。通惠河属綦江右岸支流，多年平均流量2． 20m3 /s，夏季最高洪水位为246． 18 m，冬季水位为235． 84 m。登瀛河水量较小，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，冬季水位约248． 62 m。

 

  为了充分利用可再生能源，减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热泵技术。考虑到建筑负荷较大且周围水系流量较小的情况，仅采用地表水源热泵不能满足要求: 一方面水体冷却能力不足，无法达到理想的冷却效果; 另一方面，水体水流量小，热恢复能力较差，长时间大量向水体排热易导致水体温度变化超过允许范围，对生态造成恶劣影响。因此，考虑采用复合式系统，在地表水源热泵的基础上补充其他辅助冷源。

 

  ③ 空气能

 

  新区夏热冬冷地区的气候特征有利于热源塔热泵( 可利用低于冰点的载体介质，高效提取冰点以下的湿球显热能，用于供热、制冷及制备生活热水，是一种利用空气能的新型空气源热泵) 全年均保持较高能效运行，有效解决了传统空气源热泵冬季室外换热器易结霜导致制热能力下降的问题。特别是土壤源热泵使用受限的地区，热源塔热泵技术具有广阔的应用前景。

 

  ④ 浅层地热能

 

  由于新区内地质条件较为复杂，地层颗粒较粗，导热性能较差，钻孔费用高，因此大面积使用受限。

 

  在能源规划中，各组团区域供冷、供热系统不考虑大范围采用土壤源热泵。对于某些单体建筑，可考虑采用土壤源热泵。

 

  6 区域供冷供热规划

 

  区域供冷供热是指由一个或多个能源站集中制取热水、冷水，通过管网输配到区域内各单体建筑，为用户供冷、供热。具有以下优势: 根据用户同时使用系数，降低冷热源设备、配电装置容量; 集中配置更高效、环保的大型设备; 通过专业化的管理逐步实现供冷、供热的产业化、商业化和市场化，避免传统福利供冷、供热造成的浪费。

 

  针对5 个组团分别进行区域供冷供热规划，新区供冷供热规划见图3。目前，国内区域供冷案例，系统服务对象绝大多数以公共建筑为主，居住建筑较少。居住建筑容积率明显低于公共建筑，空调系统同时使用系数随气温变化明显，负荷率波动大且全年总需求量不高，按照尖峰负荷配置的设备、管网在大多数时间不能被充分利用。因此，规划中区域供冷供热系统以公共建筑及少数高档住宅小区为对象。普通居住建筑则采用分体式电驱动热泵( 制冷、制热性能系数均按2． 5 计算) 。

 

  离心式电驱动冷水机组夏季制冷性能系数按照3． 0 计算。热源塔热泵和江水源热泵，冬季供热性能系数按照4． 0 计算，夏季制冷性能系数按照3． 5计算。重庆供暖期为12 月1 日—2 月28 日，共90d。供冷期为5 月1 日—9 月30 日，共153 d。空调系统每天运行12 h。

 

  根据用能需求及可再生能源利用情况，计算规划区域内可再生能源( 主要包括太阳能、空气能、地表水资源) 和常规能源( 主要包括燃气、城市电网)的供应比例，将所有能源形式均折算为能量单位MJ，计算区域能源供应比例，见表7。由表7 可知，新区进行合理的能源规划后，可再生能源的比例达到18． 08%，能够达到国家《可再生能源中长期发展规划》中可再生能源使用率大于15% 的相关要求，符合我国可持续发展的战略方针，有利于推动该地区经济和环境的协调发展。

 

  7 节能及环境效益分析

 

  ① 供热节电环境效益

 

  根据规划区域内各组团的能源利用形式，计算太阳能热水系统、热源塔热泵供热、江水源热泵供热所实现的节电量、年节标煤量及二氧化碳减排量。

 

  其中，电力折算标准煤系数取0． 123 kg /( kW·h) ，1t 标准煤燃烧时会产生2． 456 t 的二氧化碳。新区利用可再生能源供热节电量达9 939． 16 × 104 kW·h /a，相当于年节省标准煤12 225． 17 t /a，CO2排放量减少30 025 t /a。这表明利用可再生能源结合热泵技术进行供热，具有显著的节能效益。

 

  ② 供冷节电环保效益

 

  新区内采用热源塔热泵和江水源热泵供冷，与采用离心式电驱动冷水机组相比，每年可以节电1 578． 66 × 104 kW · h /a，相当于节省标准煤1 941． 75 t /a，CO2排放量减少4 768． 9 t /a。

 

  ③ 光伏发电节能环保效益

 

  新区采用光伏发电系统每年能发电138 × 104kW·h /a，相当于节省标准煤169． 74 t /a，CO2的排放量减少416． 9 t /a。

 

  8 结语

 

  对于该新区，从能源需求预测、可再生能源、区域供冷供热等方面入手，结合地区可再生能源的实际，制定具有可操作性的区域能源规划。到新区建成的2020 年，可实现以下目标: 可再生能源的消费量达到能源消费总量的18． 08%，CO2减排量达到3． 52 × 104 t /a。