新區規劃可再生能源利用率算法研究與探討

  １ 概述

 

  可再生能源有六大類：太陽能、風能、地熱能、生物質能、海洋能和水電。可再生能源利用對調整城市能源結構、減少礦物能源消耗、推進城市可持續發展意義重大，受關注程度越來越高。

 

  在新區層面提出科學合理的可再生能源利用目標，從規劃階段開始統籌考慮可再生能源的合理開發和利用，同時實現其與常規能源系統的有效匹配，是新區綜合能源規劃的關鍵內容。現有國內外綠色建筑標準、政策引導目標、生態城市指標體系、區域能源規劃目標中，出現頻率最高的控制性指標為可再生能源利用率。但對于可再生能源利用率的具體評價方法，目前尚無統一的標準界定和規范的算法。

 

  因此，如何進行可再生能源利用的合理評價，特別是科學統一的可再生能源利用率算法，對明確規劃新區能源系統建設目標，同時作為管理抓手在后續工作中落實，是值得重視并亟需深入研究的問題。

 

  １．１ 相關標準

 

  美國ＬＥＥＤ規定，可再生能源替代率為５％，１０％和２０％的得分分別為１分、２分和３分；在綠色建筑評價標準中規定，居住建筑可再生能源的使用量占建筑總能耗的比例大于５％，１０％的分別為一般項、優選項；公共建筑可再生能源產生的熱水量不低于建筑生活熱水消耗量的１０％，或可再生能源發電量不低于建筑用電量２％的，為優選項。

 

  １．２ 支持政策

 

  《財政部 住房城鄉建設部關于進一步推進可再生能源建筑應用的通知》（財建［２０１１］６１號）提出切實提高太陽能、淺層地能、生物質能等可再生能源在建筑用能中的比例，到２０１５年重點區域內可再生能源消費量占建筑能耗的比例達到１０％以上；到２０２０年，實現可再生能源在建筑領域消費量比例占建筑能耗的１５％以上。

 

  １．３ 新區指標

 

  在低碳生態城區中，可再生能源利用率幾乎成了所有能源規劃或生態規劃的指標必選項。

 

  如天津中新生態城的指標體系中，提出可再生能源比例占２０％；城科會提出的生態城市指標體系，可再生能源所占比例≥２０％；北京長辛店生態城指標體系，可再生能源使用率≥２０％；武漢綠色ＣＢＤ建設體系的指標體系，提出可再生能源使用比例為２％。

 

  １．４ 能源規劃

 

  國家“十二五”能源規劃提出，要確保到２０１５年非礦物能源消費占一次能源消費的比例達到１１％以上，為實現２０２０年非礦物能源消費比例占一次能源消費比例達１５％和單位ＧＤＰ二氧化碳排放比２００５年下降４０％～４５％的目標奠定堅實的基礎。

 

  北京市“十二五”能源規劃明確提出，２０１５年北京優質能源消費比例將達到８０％以上。可再生能源發展比例將由原來的３．２％增加到６％左右。

 

  ２ 問題分析

 

  可再生能源利用率這一項重要指標貫穿建筑、

 

  新區、城市、國家等不同層面。在實際項目操作過程中，由于缺少權威的、統一的可再生能源利用率算法，對可再生能源利用評價存在多種不同算法，且不同算法得出的結果大相徑庭，導致橫向項目指標難以比對、縱向項目指標難以銜接。

 

  歸納目前大多算法的分歧點、主要問題，如下。

 

  ２．１ 對常規能源消耗的考慮

 

  現有的評價方法大多針對可再生能源利用收

 

  益進行評價，忽視了可再生能源利用過程中的額外能耗，如：熱泵系統應用中的電耗、太陽能熱水系統應用中的輔助電耗。由此，導致評價結果夸大可再生能源利用的作用，可能誤導人們只注重追求擴大可再生能源利用系統的規模，而不重視提高可再生能源利用系統的效率。

 

  可再生能源利用評價中，應扣除由于可再生能源應用引起的常規能源消耗。

 

  ２．２ 對不同能源品位的考慮

 

  在扣除常規能源消耗時，采用等熱或等效電的換算方法，前者未考慮能源品位，后者則以高品位的電作為標準。將其他終端能源按照一定的折算系數轉化為電，就不僅考慮了不同能源之間量的差異，還體現出質的不同。

 

  可再生能源利用評價中，應區分利用方式和能源品質的差異，綜合考慮利用過程中的得與失，即采用等效電換算方法。表１給出等效電換算方法參考折算系數。

 

  ２．３ 對基準情景門檻的設置

 

  相對于不同基準情景，替代能源種類及替代量會不同，尤其是對于可再生能源熱泵系統的應用。

 

  如果常規能源利用效率足夠高，甚至超過某種可再生能源的利用效率，就沒有必要應用這種可再生能源。

 

  在進行可再生能源利用評價時，第一步就應將可再生能源系統與基準情景下的常規能源系統效率進行比較，只有當前者綜合效率高于后者時，該可再生能源系統方案才具備應用的價值與意義。

 

  基準情景的設置，與規劃區域的常規能源供應條件有關。比如，在有市政熱力條件的區域，供熱的基準情景方案為市政熱力供熱；倘若不具備市政熱力條件而有較好的天然氣供應條件，則供熱的基準情景方案為燃氣鍋爐供熱等。

 

  ２．４ 折算到源端消耗而非用戶端

 

  可再生能源替代量應統一折算到源端消耗，這樣才能把系統能源效率的差異考慮進去。例如，ＣＯＰ 為４的地埋管地源熱泵冬季從土壤中吸收３份熱，消耗１份電，向用戶端提供４份熱；那么，雖然用戶端的４份熱全部由地埋管地源熱泵系統承擔，但該系統中可再生能源替代量并不是４份熱，而應該是從４份熱中扣除掉１份電（按當年國家公布的電網效率轉為一次能源量）后得到的值。

 

  ２．５ 對大水電的考慮

 

  在進行區域能源規劃時，應將當地大水電、核電、風電等比例考慮在內，從而形成一種對當地政府的倒逼機制。比如，某區域使用的電力由大電網提供，該電網供電量中約１０％來自水電，這部分水電量應納入可再生能源利用量中。

 

  ２．６ 對被動式可再生能源應用的考慮

 

  除了太陽能光熱、太陽能光電、風力發電、各類熱泵等主動式應用，還有自然采光、自然通風、被動式太陽房等可再生能源被動式應用。但由于后者目前還沒有成熟的量化評價方法，特別是新區、城市或更高層面，因此尚未納入到可再生能源應用的總體量化目標中。

 

  在新區層面，建議與城市設計相結合，通過布局優化、景觀設計等方式，采用計算機模擬，對風、光、熱等區域微環境進行改善，并對區域內建筑設計中被動式技術應用提出引導性要求；在建筑層面，通過細部窗洞設計、空間排布、構造節點等方式，采用模擬方法，對利用自然采光、遮陽、自然通風、太陽房減少建筑能耗進行量化評估，進而納入到可再生能源利用量中。

 

  ３ 評價方法

 

  可再生能源利用評價的三個關鍵指標為：可再生能源替代量、可再生能源利用量、可再生能源利用率。替代量與利用量是兩個不同的概念，不應混為一談，前者關乎礦物能源消耗量的減少，與基準情景下的能源消耗種類和能源綜合效率有關；后者關乎當前情景下能源結構的優化，與基準情景無關。明確替代量、利用量等絕對值的統一評價算法，可實現建筑、新區、城市、國家等不同層面可再生能源利用評價的縱向銜接；明確利用率等相對值的統一評價方法，可實現同類建筑、同類新區、同類城市之間等不同對象的橫向比較。

 

  ３．１ 可再生能源替代量

 

  可再生能源替代量是指與基準情景相比，減少礦物能源的消耗量，亦可理解為，可再生能源節能貢獻量。依據當地常規能源供應條件及需求特性，設置基準情景，判斷替代能源種類及替代量，當綜合效率低于基準情景下的常規系統，則替代量為負數，該可再生能源利用方式不可行，不應計入可再生能源利用量。

 

  對于太陽能光電、風力發電、生物質能發電等可再生能源系統形式，在產電過程中基本不消耗常規能源，可再生能源替代量就等于發電量。對于太陽能光熱系統，需要一定的電輔助加熱；追溯到能源供應源頭，替代電或替代氣的結果也會有所不同。詳見如下算例分析。

 

  １）例１

 

  基準情景下，規劃所在地住宅生活熱水主要采用燃氣熱水器，燃氣熱水器效率８５％。設基準情景每戶年生活熱水用熱量為２ １６０ＭＪ；采用太陽能生活熱水器（分散式）后，實現太陽能保證率６０％，則電輔助加熱量占總耗熱量的４０％，電加熱效率９０％。

 

  太陽能生活熱水器的應用，減少原有的耗氣量約２ １６０ＭＪ÷８５％÷３５．１６ＭＪ／ｍ３＝７２．３ｍ３，增加輔助電加熱的耗電量約２ １６０ＭＪ×４０％÷９０％÷３．６ＭＪ／（ｋＷ·ｈ）＝２６７ｋＷ·ｈ，綜合考慮不同能源品位，統一折算成標準煤，可得可再生能源替代量為：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

 

  基準情景下，規劃所在地住宅生活熱水主要采用電熱水器，其他條件同例１。

 

  太陽能生活熱水器的應用，減少原電熱水器的耗電量約６００ｋＷ·ｈ÷９０％＝６６７ｋＷ·ｈ，增加太陽能熱水器電輔助加熱的耗電量約６００ｋＷ·ｈ×４０％÷９０％＝２６７ｋＷ·ｈ，統一折算成標準煤，可再生能源替代量為：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

 

  基準情景下，規劃所在地采用燃氣鍋爐供暖，系統熱效率約９０％；當地電網效率轉為一次能源為標準煤３２０ｇ／（ｋＷ·ｈ）；某用戶供暖季用熱量約１ ０００ＭＷ·ｈ，若采用地埋管地源熱泵系統，冬季工況供暖平均ＣＯＰ 約為４。

 

  地埋管地源熱泵系統的應用，減少耗氣量約１ ０００ＭＷ·ｈ×３ ６００ ＭＪ／（ＭＷ·ｈ）÷９０％÷３５．１６ＭＪ／ｍ３＝１１３ ７６５．６ｍ３，取天然氣標準電折算系數為７．１５６ ｋＷ ·ｈ／ｍ３［４］，等效電量為１１３ ７６５．６ｍ３×７．１５６ｋＷ·ｈ／ｍ３＝８１４ＭＷ·ｈ；增加耗電量約１ ０００ＭＷ·ｈ÷４＝２５０ＭＷ·ｈ；按當地電網效率統一折算成標準煤，可再生能源替代量為：（８１４ ＭＷ·ｈ－２５０ ＭＷ·ｈ）×３２０ｋｇ／（ＭＷ·ｈ）＝１８０．５ｔ。若地埋管地源熱泵系統冬季工況供暖平均ＣＯＰ 提升至５左右，則可再生能源替代量增加為１９６．５ｔ標準煤。

 

  ３．２ 可再生能源利用量

 

  光電、風電、生物質能的可再生能源利用量即為產電量（規劃區域內全部消納），太陽能生活熱水系統的可再生能源利用量對應用戶消耗的太陽能產熱量。而各類可再生能源熱泵，其可再生能源利用量的計算方法參考歐盟Ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ ｏｎ ｔｈｅｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ ｒｅｎｅｗａｂｌｅｓｏｕｒｃｅｓ（ＣＯＭ／２００８／１９／ｆｉｎａｌ）的相關規定：

 

  Ｅｒ＝Ｑｕ（１－ＳＰ１Ｆ）

 

  （２）式中 Ｅｒ為可再生能源利用量；Ｑｕ為熱泵產生的總的可利用熱量，且符合可再生能源替代量為正值時才計入；ＳＰＦ      為熱泵平均季節性能系數。

 

  對于例１及例２，可再生能源利用量為：６００ｋＷ·ｈ×６０％＝３６０ｋＷ·ｈ，即太陽能對生活熱水的有效加熱量；對于例３，可再生能源利用量為：

 

  １ ０００ＭＷｈ×（１－１／４）＝７５０ＭＷ·ｈ，即地埋管地源熱泵從土壤中吸收的熱量。

 

  按上述方法計算得到的可再生能源利用量僅為初步結果，最后還需考慮不同能源品位，采用等效電算法統一折算成標準煤量。

 

  ３．３ 可再生能源利用率

 

  單獨討論可再生能源利用率是沒有意義的，需在可再生能源替代量大于零的前提下來討論。可再生能源利用率不是單一指標，而是由能源消耗總量和可再生能源利用量構成.

 

  ４ 結論

 

  ４．１ 可再生能源利用評價中，應扣除由于可再生能源應用引起的常規能源消耗；應區分利用方式和能源品質的差異，即采用等效電換算方法；應將可再生能源系統與基準情景下的常規能源系統效率進行比較，且只有當前者綜合效率高于后者時，可再生能源才具備應用價值；可再生能源利用量應統一折算成源端消耗，以將系統能源效率的差異考慮進去；應將當地大水電、核電、風電等的使用量考慮在內，從而形成對當地政府的倒逼機制；自然采光、自然通風、被動式太陽房等可再生能源被動式技術應受到重視并納入量化評估。

 

  ４．２ 闡述了可再生能源利用評價的三個關鍵指標及計算方法。可再生能源替代量是指與基準情景相比，減少的礦物能源消耗量。對于太陽能光電、風力發電、生物質能發電等可再生能源系統形式，替代量就等于發電量；對于太陽能光熱系統，其替代量等于常規情景熱水系統的電或燃氣消耗量，扣除太陽能系統輔助電或燃氣的消耗量；對于各類熱泵系統，其替代量等于常規供熱系統燃料消耗量，扣除熱泵系統耗電量，并統一按當年國家公布的電網效率轉為一次能源。可再生能源利用量，關乎對當前情景能源結構的優化，與基準情景無關：光電、風電、生物質能的可再生能源利用量即為產電量（規劃區域內全部消納）；對于熱泵系統，則為冬季工況熱泵產生的總的可利用熱量。可再生能源利用率為可再生能源利用量與能源消耗總量的比值，且需在可再生能源替代量大于零的前提下討論。

 

  統一可再生能源利用評價方法，明確替代量、利用量等絕對值算法，可實現建筑、新區、城市、國家等不同層面可再生能源利用評價的縱向銜接；明確利用率等相對值的統一評價方法，可實現同類建筑之間、同類新區之間、同類城市之間等不同對象的橫向比較。