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特色小镇能源规划中的低碳路径
日期: 2020-01-08
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1 特色小镇的能源系统

自2016 年起,我国特色小镇建设掀起热潮,全国特色小镇建设计划数量近2000 个。如今,特色小镇的建设方兴未艾,涌现出一大批充满活力的特色小镇。但无论是何种特色小镇,绿色、生态、可持续应首先是小镇的第一特征。本文将着重讨论对于三种典型的特色小镇以及案例分析,探讨构建一个低碳、绿色的能源系统的关键技术路径。

能源规划首先应因地制宜,差异化配置,根据小镇产业特点、资源禀赋、气候条件、经济情况、生活习惯等不同的状况给予“一对一”的设计,体现小镇的地域、资源特色。特色小镇一般“小而精”, 规划用地面积在3 平方公里左右,建设用地面积在1 平方公里左右,能源规划应强调精细化设计,从用户用能的需求特点出发,精准分析全年能源需求的种类、数量以及逐时变化特征,降低能源设施的装机容量,减少设备投资,提高能源利用效率,减少运行成本。同时,小镇的能源规划应着眼于智慧管理,应考虑如何运用能源大数据,结合移动互联网、云计算、物联网等科技,建立集中管理平台,为不同的对象,如政府、工业企业、公共建筑、家庭提供不同特色的能源管理方案。若是以科技创新、或绿色能源为特色的小镇,还可以布局能源新技术,如直流建筑+ 可再生能源现场发电+ 分布式储能,搭建直流微电网等。

2 从需求侧能源规划角度解析特色小镇能源低碳路径

需求侧能源规划遵循综合能源规划的原则,从用户侧节能、降低能源需求出发,从底到顶,集成一切可以利用的能源资源,包括可再生能源、各种废热余热等,通过高效、灵活的能源生产和输配系统,满足用户的各种能源需求。据此,归纳出特色小镇低碳能源的几条基本路径如下:

(1)降低用户的能源需求,这是需求侧能源规划的重点,可以通过小镇建筑空间形态优化、混合用地设计、提高建筑节能标准等手段实现。

表1 3 种城市形态的建筑能耗特性[3]

特色小镇能源规划中的低碳路径

首先,通过改变空间形态,可以达到降低建筑的能源需求效果。研究表明,高密度城市的人均能耗和单位面积能耗都小于低密度城市[1];而城市居住用地平均容积率与居民交通能耗、用电能耗之间存在的U 型曲线关系,节能角度最优容积率大概是0.995-1.01[2];相同容积率下,体形系数在0.2~0.3 之间的围合式建筑,其供冷和采暖能耗都低于点式、行列式建筑[1]。可以向规划师提出容积率、建筑密度等方面的优化意见,增加建筑的被动空间,优化镇区内的通风廊道,增加自然通风的利用(见表1)。

其次,特色小镇一般包含居住、一般办公、科研办公、商业、餐饮等建筑业态,建筑用能负荷具有差异性和错峰性。通过混合用地实现负荷平准化,降低尖峰负荷的能源需求,减小设备容量与投资。用地混合度可以用指标负荷平准化率来衡量。负荷平准化率越大,设备的利用时间越长,利用率越大,系统越高效,运行成本越低。负荷平准化率的定义式为[4]

式中,r1 为负荷平准化率,%;Lmax 为24h 逐时负荷的最大值,W/m²;Lmean 为24h 逐时负荷的平均值,W/m²。某项目通过设置并比较9 种混合用地情景,以负荷平准化率为评价指标,得到科研办公建筑与商场建筑、旅馆建筑、住宅建筑的建筑面积比例为5:1:4:15 时,建筑冷热负荷平准化最佳(见表2)[5]。

表2 某项目混合用地9 种情景下的负荷平准化计算结果

特色小镇能源规划中的低碳路径

最后,对于特色小镇,可以结合气候、经济与社会发展等各方面情况,因地制宜地提出详尽的建筑节能目标与指标,落实需求侧节能理念。实践中,可由一级开发主体通过标准合同条款对设计单位、建设单位及运营单位等执行主体提出指标落实的责任约束。具体指标有如下几类:

• 绿色建筑星级与比例控制要求;

• 在现有节能标准基础上有所提升的节能指标;

• 明确的能耗控制要求,如参考《被动式超低能耗建筑技术导则(居住建筑)》或正在征求意见中的《近零能耗建筑技术标准》,达到对应气候区的超低能耗建筑要求(见表3)。

表3 超低能耗建筑能耗指标及气密性指标[6]

特色小镇能源规划中的低碳路径

(2)优先利用小镇本地或周边地区可再生资源及未利用余热资源,如太阳能、风能、地热能、生物质、污水温差热能等。尤其是建筑密度低、具有江河湖海等自然资源的特色小镇,采用能源总线+ 高效分布式热泵的方式[13],规模化利用这些位于不同空间的可再生能源、余热废热,有条件构建一个高效、灵活、分散、低碳的能源系统,为建筑供冷供热。

(3)梯级高效利用化石能源

本着温度对口、梯级利用的原则,通过燃气热电联产、冷热电三联供、工艺余热再利用等方式提高化石能源的利用效率。燃气冷热电三联供+ 余热溴化锂+ 高效冷水机组的供冷系统,COP 按5.0,发电效率按照40%计算,供冷一次能源利用率可以达到240% [7]。燃气冷热电三联供系统适合于有工业制造业、或者有全年稳定的热需求,如医院、以医疗为特色的小镇。

(4)优化能源系统配置

通过合理划分能源分区、因地制宜地采用集中、分布或分散式,多能互补结合储能、储热代替储电等手段优化能源系统的配置。结合小镇“小而精”的特点,小镇能源系统不应追求全面覆盖,大而全,应以操作灵活、运行成本低为设计目标,型式上可以是集中+ 分散,或者是半集中式。

(5)可再生能源与公共交通设施结合

结合小镇的特色,体现共享、融合的理念,推动小镇内停车场、电动车、充电桩的100% 可再生能源发电,应用于小镇内的环卫车、观光车、巡逻车等,实现交通低碳化。

(6)智慧能源管理

建立智慧能源管理平台,持续优化,实现真正运行中的节能,是建立智慧能源管理平台的目标。传统能源企业(电力企业、燃气企业、电网企业、节能公司、设备商等)向综合能源服务商转型,在提供实体能源物质的同时,还可以通过基于4G/5G 移动互联网云平台为用户提供一些能源管理增值服务,如公共建筑能效管理与节能审计、工业企业节能诊断与改造及政府能源数据管理等。

3 三类特色小镇的差异化路径

《浙江省特色小镇创建规划指南(试行)》中将特色小镇分成三大类[8],第一大类以提供技术与金融服务产品为主,如信息经济小镇、时尚小镇、金融小镇等;第二大类以提供实物产品为主,如环保小镇、高端装备制造小镇等;第三大类以提供体验服务产品为主,如健康小镇、旅游小镇和历史经典小镇等。从能源需求的角度看,此三类小镇能源低碳的路径有相同选项,如提高建筑节能标准、规模化利用可再生能源、建立智慧能源管理平台,都可以降低碳排放,但是同时因用能需求不同、用能主体不同,技术上也有不同侧重点。

(1)以提供技术与金融服务产品为主的小镇

这类小镇多为互联网产业、金融产业等服务业为主要产业,用能主体主要为办公、科研等企业机构,以及相应的配套居住和商业建筑用能。

表4 某能源规划案例中通过混合用地降低装机容量的情况[5]

特色小镇能源规划中的低碳路径

对于这类小镇建筑密度高,负荷集中的地块,可以采用集中式的冷热系统,通过混合用地实现负荷平准化,降低尖峰负荷,减小设备容量与投资。但建筑密度低、负荷率低的地块,不适合采用集中式的冷热系统,应以小而精,适用性为第一原则,结构形式以分布式或分散式为主(见表4)。

其他基本技术路径包括:

• 强调基于建筑与公共基础设施的低碳产能系统。系统利用基于建筑屋顶光伏、建筑立面光伏、小型热电联产(2MW 以下)、燃料电池等,通过社区内的智能电网,实现电力本地产能的就地消纳;

• 充分利用绿地、停车场、广场等作为地埋管的空间,集成利用浅层地热能、污水温差热以及各类余热废热,形成自然资源的规模化利用,美化景观,降低热岛效应。

(2)以提供实物产品为主的制造业小镇

这类小镇多为制造企业,能源消耗以企业生产工艺用能为主。用能特点是以高温热水和蒸汽、以及电力需求为主。此类小镇低碳能源侧重点在于以本地热电联产设施为核心,工业余热废热回收结合高效热泵供冷供热,构建一个温度对口、能源梯级利用的分布式能源系统(见图1)

特色小镇能源规划中的低碳路径

图1 制造业为主的小镇低碳能源系统示例[7]

主要的能源利用技术有:

• 因高温热水或蒸汽需求,能源方案应以分布式热电联产为核心,容量上尽量不超过6MW;

• 供热辅助设备为生物质能工业锅炉;

• 工业余热梯级利用(工业废水或废气的余热回收、污水温差热源)以及其他低温可再生资源(如浅层土壤热源)通过热泵技术,实现对建筑的供冷供热;

• 公共基础设施、建筑结合分布式光伏发电,本地自发电力就地消纳,余电上网,自用电比例不低于30% [9]。

• 蓄能技术,包括蓄冷蓄热,尽量以蓄热代替蓄电。分布式可再生能源发电的渗透率低时,以自发自用,余电上网为主;渗透率高时,少量结合蓄电或以蓄热作为间接蓄电。

(3)以提供体验服务产品为主的绿色小镇

第三类绿色小镇以旅游、康养为主要产业,容积率低,建筑密度低,绿化率高,具备丰富的自然资源,如绿地、河道等。对于这类小镇,充分优化城市空间形态,利用被动式技术,建设超低能耗建筑,并结合规模化利用可再生能源,建设超低能耗街区或产能街区[8] 示范,是实现小镇节能减碳的最重要路径。同时,能源方案也具备与小镇资源特色相结合的创新条件,如,生物质能特别丰富的小镇,可以构建生物质资源的循环利用为主链,并扩展到其他资源利用。

典型能源利用技术包括:

• 小型生物质能热电联产(<2MW)或燃料电池

• 小型生物质能供气(用于生活用气)

• 基于建筑的产能系统,包括微型热电联产、燃料电池、太阳能光热、光电等

• 以利用低品位、可再生的自然资源为主的分布式能源总线+ 热泵技术(土壤源热泵、地表水源)[10]

• 光伏发电、分散式风力发电

• 蓄能技术(冷、热),充储一体化

• 以多能源互补、去中心化的分布式绿色能源站为节点,构建能源微网

• 微电网技术

波兰Kisielice 小镇占地3.37 平方公里,被广袤的开阔农场环绕,有2183 名村民。其传统能源曾经是煤炭,为摒弃对煤炭的依赖,减少废气排放,改善空气质量并且最大限度的利用当地的农业产能,小镇进行了一系列行动,充分利用当地资源条件,最终实现了100%由可再生能源驱动,并获得2014 年欧洲年度自给自足类 ManagEnergy 奖。

目前Kisielice 镇拥有两座风电场,合计50 台风机,总装机94.5MW。小镇建立了集中供热系统,由6MW的生物质气热电联产供热,以秸秆和稻草为燃料,为小镇90% 的建筑供热。此外,小镇还建立了一个1MW的沼气发电厂,沼气来自于玉米青发酵,该沼气厂同时提供1MW 的热能,注入集中供热管网。Kisielice 镇的每一座公共建筑都有30kW 容量的光伏板,结合高效节能照明设施,满足建筑的照明用电需求。Kisielice 小镇为了激励能源转型,拥有风电场的农民每年都会得到奖励。当地农民的谷物秸秆也变废为宝,增加额外的收入(见图2)[11]。

特色小镇能源规划中的低碳路径

图2 波兰Kisielice 小镇

综合这三类小镇,可以看出主导产业不同,小镇低碳能源的技术路径各有不同。小镇能源规划低碳路径应根据每个小镇特质规划,因地制宜地选择适用技术与系统型式,不宜盲目套用某个现成模式。下面以某小镇为例,解析特色小镇低碳能源的要素构成。

4 特色小镇能源规划案例

浙江某特色小镇,以传统能源相关产业为基础,同时具有丰富的历史人文资源和良好的生态景观。未来将以低碳发展为目标,大力发展高端新兴科技产业和传统文化旅游产业。规划面积不到3 平方公里,建设用地面积1.1 平方公里,包含工业制造园区、居住社区、文化商业区以及相关匹配的各类公共服务设施,属于上述第二第三类小镇综合形态。特色小镇能源规划中的低碳路径

图3 特色小镇低碳能源规划路径框架图

通过对该小镇的自然资源、主导产业、当地经济发展基础、用户需求特征进行分析,并对标当地、及国内同类园区、镇区的发展之后,确定了小镇的低碳发展目标为人均年二氧化碳排放量不超过3.91 吨。并设计了7条低碳发展的实施路径(见图3)。

(1)建筑低碳化

小镇范围内的新建建筑全部执行《绿色建筑评价标准GB50378》,按照地块与建筑类型设定相应的星级标准,最终可实现年减碳量 5270 tCO2。此外,小镇内存留一定数量的历史保留建筑,确定了其中20% 执行绿色改造,包括既有民用建筑与既有工业建筑。同时,为突出、展示小镇低碳建设成果,按照国家超低能耗建筑标准建设示范建筑,实现减碳量57.8 tCO2/a。

(2)公共市政设施低碳化

小镇内利用路灯太阳能路灯或风光互补型路灯,市政照明100% 利用可再生能源电力,实现减碳 1385kgCO2/a。小镇范围内同时建设太阳能光伏发电的充电桩,在有停车条件的道路设置路灯充电桩,同样结合太阳能光伏。此外,小镇范围内的环卫车、观光车等均采用纯电动车。

(3)用能低碳化

小镇镇域内有自然河道,该河道水深、水质与水流量均适用于水源热泵,为此,充分考虑利用河水为小镇内建筑供冷供热。经计算,利用该河水结合高效热泵供冷供热的能源方案,可再生资源利用量达到 1.9 万MWh/a,可以为小镇范围内105 万m² 的建筑供冷供热,相当于小镇新建建筑能耗的1/3 来自于可再生能源,减碳量达到 3250 tCO2/a。其中,建筑密度高,负荷高的商业办公地块,建立区域供冷站和集中的供冷供热管道。建筑密度低、负荷低的商办地块或以居住为主的地块,仅设置集中的冷却水泵站,高效热泵分散置于用户末端,用分散、灵活的系统型式,提高运行的经济性。

(4)产能低碳化

小镇所处地区水平面年辐射总量 1272 kWh/m²,年日照时数1760-1800h,具备良好的太阳能利用条件。规划中确定了包括屋顶光伏、屋顶光热等低碳措施。除此之外,太阳能制冷、建筑立面光伏、道路光伏也作为小镇低碳路径的选项之一。经计算,太阳能利用可实现年减碳量37410 tCO2。

小镇内的工业企业所需的高温热水或蒸汽,主要来自于邻近园区5MW 内燃机分布式发电项目的余热利用,余热利用率超过60%。低品位的热力需求来自于分散的余热溴化锂机组,或企业内余热回收、污水温差热、浅层土壤热源结合高效热泵。

(5)生活低碳化

直流配电网正处于技术研究热点,被认为是未来配电网的形态,但目前尚存在很多问题需进一步解决,且缺乏统一的技术标准,产品也不完善。但针对小镇内大量的可再生能源发电,规划选择了在一小型展示性建筑内的直流微电网示范,通过直流带动家用电器、照明灯具、以及直流驱动离心机。直流可来自于小镇内的光伏产生的电力,从而实现建筑100% 的可再生能源利用,搭建一个小镇的低碳名片。

(6)能源管理低碳化

能源管理低碳化主要以建立小镇智慧能源管理系统和实施工业园区低碳化改造为主。工业制造园区的低碳化改造,是实现低碳目标的一个强有力抓手,为此,规划方案在相关国家生态工业园区标准基础上,个性化提出园区低碳化改造的约束性指标体系作为指导(见表5)。

表5 低碳工业园区指标体系

特色小镇能源规划中的低碳路径

(7)既有建筑低碳化改造

对小镇内保留的既有传统村落,在不破坏传统建筑风格的基础上按照《既有建筑绿色改造GB/T51141-2015》进行低碳化改造,实施改造包括市政基础设施更新,如建设太阳能停车场、太阳能充电桩,路灯改造为可再生能源路灯等;建筑用能更新,包括对小学、幼儿园、医院等具有空调需求的建筑和单位,具有条件的改造为地源热泵或水源热泵,用高效磁浮离心机替代传统的风冷式机组;以及产能更新,包括对非历史风貌保护建筑,有条件的增加薄膜光伏等。

最终,通过对全部低碳实施路径的计算分析,未包含工业化改造和既有传统村落的低碳化改造,该能源规划方案可实现整体年减碳量4.5 万吨,减碳率达到38.7%。

5 结语

特色小镇的能源系统应该能够支撑小镇主导产业,支撑和诠释小镇特色理念。通过本文所讨论的三类小镇以及所列案例,可以看到小镇产业不同,低碳能源方案的技术路径各有不同。小镇低碳能源方案应根据每个小镇特质规划。特色小镇的投资、规划、建设与运营如果是一个主体,对于低碳能源规划方案的落地具有强有力的保障作用,通过绿色、低碳的能源系统建设,体现特色小镇生态、生产和生活“三生融合”、宜居宜业的发展理念。

参考文献

[1] 龙惟定,白玮. 城区需求侧能源规划和能源微网技术. 中国建筑工业出版社,2016.10.

[2] 解扬,陈骁,张杰. 节能视角下城市居住用地最优容积率研究. 2017 中国城市规划年会宣讲论文,来源:http://hcurd.thupdi.com/.

[3] J Norman,Heather L. MacLean, and Christopher A. Kennedy,Comparing High and Low Residential Density: Life-Cycle Analysis of Energy Use and Greenhouse Gas Emissions,JOURNAL OF URBAN PLANNING AND DEVELOPMENT,MARCH 2006.

[4] 刘海静,潘毅群. 区域建筑群负荷预测及其平准化分析. 暖通空调, 2017 年第47 卷第4 期.

[5] 电力和热力系统协同优化管理体系研究,内部研究报告,国网(苏州)城市能源研究院有限责任公司,上海同济城市规划设计研究院,2019.7.

[6] 近零能耗建筑技术标准(征求意见稿),住房城乡建设部办公厅. 2018.8 http://www.mohurd.gov.cn/zqyj/201808/t20180824_237286.html.

[7] 龙惟定,特色小镇能源规划刍议,第13 届绿建大会发言稿,2017.

[8] 浙江省特色小镇创建规划指南(试行),浙特镇办﹝ 2018 ﹞ 7 号,浙江省特色小镇规划建设工作联席会议办公室.

[9] [ 德] 诺伯特. 费什,托马斯. 威尔肯,产能——建筑和街区作为可再生能源来源[B],清华大学出版社.

[10] 龙惟定. 第三代分布式能源与热泵[J]. 建设科技.2016.19.

[11] 100% RENEWABLE ENERGY ATLAS: KISIELICE, POLAND https://www.100-percent.org/kisielicepoland/.

作者
国网(苏州)城市能源研究院有限责任公司  孙强 谢典 霍沫霖 冯蒙霜 奚巍民

上海同济城市规划设计研究院  白玮 王培培

同济大学中德工程学院  龙惟定



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