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(lèi)：太陽(yáng)能、風(fēng)能、地熱能、生物質(zhì)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(jìn)城市可持續發(fā)展意義重大，受關(guān)注程度越來(lái)越高。

 

  在新區層面提出科學(xué)合理的可再生能源利用目標，從規劃階段開(kāi)始統籌考慮可再生能源的合理開(kāi)發(fā)和利用，同時(shí)實(shí)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(guān)鍵內容?，F有國內外綠色建筑標準、政策引導目標、生態(tài)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(jià)方法，目前尚無(wú)統一的標準界定和規范的算法。

 

  因此，如何進(jìn)行可再生能源利用的合理評價(jià)，特別是科學(xué)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(shí)作為管理抓手在后續工作中落實(shí)，是值得重視并亟需深入研究的問(wèn)題。

 

  １．１ 相關(guān)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(jià)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(yōu)選項；公共建筑可再生能源產(chǎn)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(fā)電量不低于建筑用電量２％的，為優(yōu)選項。

 

  １．２ 支持政策

 

  《財政部 住房城鄉建設部關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)可再生能源建筑應用的通知》（財建［２０１１］６１號）提出切實(shí)提高太陽(yáng)能、淺層地能、生物質(zhì)能等可再生能源在建筑用能中的比例，到２０１５年重點(diǎn)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(shí)現可再生能源在建筑領(lǐng)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(tài)城區中，可再生能源利用率幾乎成了所有能源規劃或生態(tài)規劃的指標必選項。

 

  如天津中新生態(tài)城的指標體系中，提出可再生能源比例占２０％；城科會(huì )提出的生態(tài)城市指標體系，可再生能源所占比例≥２０％；北京長(cháng)辛店生態(tài)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(shí)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(shí)的基礎。

 

  北京市“十二五”能源規劃明確提出，２０１５年北京優(yōu)質(zhì)能源消費比例將達到８０％以上。可再生能源發(fā)展比例將由原來(lái)的３．２％增加到６％左右。

 

  ２ 問(wèn)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(shí)際項目操作過(guò)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(jià)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(diǎn)、主要問(wèn)題，如下。

 

  ２．１ 對常規能源消耗的考慮

 

  現有的評價(jià)方法大多針對可再生能源利用收

 

  益進(jìn)行評價(jià)，忽視了可再生能源利用過(guò)程中的額外能耗，如：熱泵系統應用中的電耗、太陽(yáng)能熱水系統應用中的輔助電耗。由此，導致評價(jià)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(jià)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(shí)，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(zhì)的不同。

 

  可再生能源利用評價(jià)中，應區分利用方式和能源品質(zhì)的差異，綜合考慮利用過(guò)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(mén)檻的設置

 

  相對于不同基準情景，替代能源種類(lèi)及替代量會(huì )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(guò)某種可再生能源的利用效率，就沒(méi)有必要應用這種可再生能源。

 

  在進(jìn)行可再生能源利用評價(jià)時(shí)，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(jìn)行比較，只有當前者綜合效率高于后者時(shí)，該可再生能源系統方案才具備應用的價(jià)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(guān)。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(hù)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(jìn)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(hù)端提供４份熱；那么，雖然用戶(hù)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(wǎng)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(jìn)行區域能源規劃時(shí)，應將當地大水電、核電、風(fēng)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(wǎng)提供，該電網(wǎng)供電量中約１０％來(lái)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(dòng)式可再生能源應用的考慮

 

  除了太陽(yáng)能光熱、太陽(yáng)能光電、風(fēng)力發(fā)電、各類(lèi)熱泵等主動(dòng)式應用，還有自然采光、自然通風(fēng)、被動(dòng)式太陽(yáng)房等可再生能源被動(dòng)式應用。但由于后者目前還沒(méi)有成熟的量化評價(jià)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(guò)布局優(yōu)化、景觀(guān)設計等方式，采用計算機模擬，對風(fēng)、光、熱等區域微環(huán)境進(jìn)行改善，并對區域內建筑設計中被動(dòng)式技術(shù)應用提出引導性要求；在建筑層面，通過(guò)細部窗洞設計、空間排布、構造節點(diǎn)等方式，采用模擬方法，對利用自然采光、遮陽(yáng)、自然通風(fēng)、太陽(yáng)房減少建筑能耗進(jìn)行量化評估，進(jìn)而納入到可再生能源利用量中。

 

  ３ 評價(jià)方法

 

  可再生能源利用評價(jià)的三個(gè)關(guān)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(gè)不同的概念，不應混為一談，前者關(guān)乎礦物能源消耗量的減少，與基準情景下的能源消耗種類(lèi)和能源綜合效率有關(guān)；后者關(guān)乎當前情景下能源結構的優(yōu)化，與基準情景無(wú)關(guān)。明確替代量、利用量等絕對值的統一評價(jià)算法，可實(shí)現建筑、新區、城市、國家等不同層面可再生能源利用評價(jià)的縱向銜接；明確利用率等相對值的統一評價(jià)方法，可實(shí)現同類(lèi)建筑、同類(lèi)新區、同類(lèi)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(lèi)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(yáng)能光電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等可再生能源系統形式，在產(chǎn)電過(guò)程中基本不消耗常規能源，可再生能源替代量就等于發(fā)電量。對于太陽(yáng)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(huì )有所不同。詳見(jiàn)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(hù)年生活熱水用熱量為２ １６０ＭＪ；采用太陽(yáng)能生活熱水器（分散式）后，實(shí)現太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(wǎng)效率轉為一次能源為標準煤３２０ｇ／（ｋＷ·ｈ）；某用戶(hù)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(wǎng)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(fēng)電、生物質(zhì)能的可再生能源利用量即為產(chǎn)電量（規劃區域內全部消納），太陽(yáng)能生活熱水系統的可再生能源利用量對應用戶(hù)消耗的太陽(yáng)能產(chǎn)熱量。而各類(lèi)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(guān)規定：

 

  Ｅｒ＝Ｑｕ（１－ＳＰ１Ｆ）

 

  （２）式中 Ｅｒ為可再生能源利用量；Ｑｕ為熱泵產(chǎn)生的總的可利用熱量，且符合可再生能源替代量為正值時(shí)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(yáng)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?jì)H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(méi)有意義的，需在可再生能源替代量大于零的前提下來(lái)討論?？稍偕茉蠢寐什皇菃我恢笜?，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(jià)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(zhì)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(jìn)行比較，且只有當前者綜合效率高于后者時(shí)，可再生能源才具備應用價(jià)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(jìn)去；應將當地大水電、核電、風(fēng)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(fēng)、被動(dòng)式太陽(yáng)房等可再生能源被動(dòng)式技術(shù)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(jià)的三個(gè)關(guān)鍵指標及計算方法?？稍偕茉刺娲渴侵概c基準情景相比，減少的礦物能源消耗量。對于太陽(yáng)能光電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等可再生能源系統形式，替代量就等于發(fā)電量；對于太陽(yáng)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(yáng)能系統輔助電或燃氣的消耗量；對于各類(lèi)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(wǎng)效率轉為一次能源?？稍偕茉蠢昧?，關(guān)乎對當前情景能源結構的優(yōu)化，與基準情景無(wú)關(guān)：光電、風(fēng)電、生物質(zhì)能的可再生能源利用量即為產(chǎn)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(chǎn)生的總的可利用熱量?？稍偕茉蠢寐蕿榭稍偕茉蠢昧颗c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(jià)方法，明確替代量、利用量等絕對值算法，可實(shí)現建筑、新區、城市、國家等不同層面可再生能源利用評價(jià)的縱向銜接；明確利用率等相對值的統一評價(jià)方法，可實(shí)現同類(lèi)建筑之間、同類(lèi)新區之間、同類(lèi)城市之間等不同對象的橫向比較。