能源規(guī)劃
新區(qū)規(guī)劃可再生能源利用率算法研究與探討
文章來(lái)源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時(shí)間:2021-10-28 14:45:52瀏覽次數(shù):1752
1 概述
可再生能源有六大類:太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?/a>、生物質(zhì)能、海洋能和水電。可再生能源利用對(duì)調(diào)整城市能源結(jié)構(gòu)、減少礦物能源消耗、推進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展意義重大,受關(guān)注程度越來(lái)越高。
在新區(qū)層面提出科學(xué)合理的可再生能源利用目標(biāo),從規(guī)劃階段開始統(tǒng)籌考慮可再生能源的合理開發(fā)和利用,同時(shí)實(shí)現(xiàn)其與常規(guī)能源系統(tǒng)的有效匹配,是新區(qū)綜合能源規(guī)劃的關(guān)鍵內(nèi)容?,F(xiàn)有國(guó)內(nèi)外綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)、政策引導(dǎo)目標(biāo)、生態(tài)城市指標(biāo)體系、區(qū)域能源規(guī)劃目標(biāo)中,出現(xiàn)頻率最高的控制性指標(biāo)為可再生能源利用率。但對(duì)于可再生能源利用率的具體評(píng)價(jià)方法,目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)界定和規(guī)范的算法。
因此,如何進(jìn)行可再生能源利用的合理評(píng)價(jià),特別是科學(xué)統(tǒng)一的可再生能源利用率算法,對(duì)明確規(guī)劃新區(qū)能源系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo),同時(shí)作為管理抓手在后續(xù)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(biāo)準(zhǔn)
美國(guó)LEED規(guī)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)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(xiàng)、優(yōu)選項(xiàng);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(xiàng)。
1.2 支持政策
《財(cái)政部 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)可再生能源建筑應(yīng)用的通知》(財(cái)建[2011]61號(hào))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(qū)域內(nèi)可再生能源消費(fèi)量占建筑能耗的比例達(dá)到10%以上;到2020年,實(shí)現(xiàn)可再生能源在建筑領(lǐng)域消費(fèi)量比例占建筑能耗的15%以上。
1.3 新區(qū)指標(biāo)
如天津中新生態(tài)城的指標(biāo)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(biāo)體系,可再生能源所占比例≥20%;北京長(zhǎng)辛店生態(tài)城指標(biāo)體系,可再生能源使用率≥20%;武漢綠色CBD建設(shè)體系的指標(biāo)體系,提出可再生能源使用比例為2%。
1.4 能源規(guī)劃
國(guó)家“十二五”能源規(guī)劃提出,要確保到2015年非礦物能源消費(fèi)占一次能源消費(fèi)的比例達(dá)到11%以上,為實(shí)現(xiàn)2020年非礦物能源消費(fèi)比例占一次能源消費(fèi)比例達(dá)15%和單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%~45%的目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
北京市“十二五”能源規(guī)劃明確提出,2015年北京優(yōu)質(zhì)能源消費(fèi)比例將達(dá)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(xiàng)重要指標(biāo)貫穿建筑、
新區(qū)、城市、國(guó)家等不同層面。在實(shí)際項(xiàng)目操作過(guò)程中,由于缺少權(quán)威的、統(tǒng)一的可再生能源利用率算法,對(duì)可再生能源利用評(píng)價(jià)存在多種不同算法,且不同算法得出的結(jié)果大相徑庭,導(dǎo)致橫向項(xiàng)目指標(biāo)難以比對(duì)、縱向項(xiàng)目指標(biāo)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(duì)常規(guī)能源消耗的考慮
現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法大多針對(duì)可再生能源利用收
益進(jìn)行評(píng)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(tǒng)應(yīng)用中的電耗、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用中的輔助電耗。由此,導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果夸大可再生能源利用的作用,可能誤導(dǎo)人們只注重追求擴(kuò)大可再生能源利用系統(tǒng)的規(guī)模,而不重視提高可再生能源利用系統(tǒng)的效率。
可再生能源利用評(píng)價(jià)中,應(yīng)扣除由于可再生能源應(yīng)用引起的常規(guī)能源消耗。
2.2 對(duì)不同能源品位的考慮
在扣除常規(guī)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(biāo)準(zhǔn)。將其他終端能源按照一定的折算系數(shù)轉(zhuǎn)化為電,就不僅考慮了不同能源之間量的差異,還體現(xiàn)出質(zhì)的不同。
可再生能源利用評(píng)價(jià)中,應(yīng)區(qū)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(shù)。
2.3 對(duì)基準(zhǔn)情景門檻的設(shè)置
相對(duì)于不同基準(zhǔn)情景,替代能源種類及替代量會(huì)不同,尤其是對(duì)于可再生能源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用。
如果常規(guī)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,就沒有必要應(yīng)用這種可再生能源。
在進(jìn)行可再生能源利用評(píng)價(jià)時(shí),第一步就應(yīng)將可再生能源系統(tǒng)與基準(zhǔn)情景下的常規(guī)能源系統(tǒng)效率進(jìn)行比較,只有當(dāng)前者綜合效率高于后者時(shí),該可再生能源系統(tǒng)方案才具備應(yīng)用的價(jià)值與意義。
基準(zhǔn)情景的設(shè)置,與規(guī)劃區(qū)域的常規(guī)能源供應(yīng)條件有關(guān)。比如,在有市政熱力條件的區(qū)域,供熱的基準(zhǔn)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(yīng)條件,則供熱的基準(zhǔn)情景方案為燃?xì)忮仩t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(yīng)統(tǒng)一折算到源端消耗,這樣才能把系統(tǒng)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(tǒng)承擔(dān),但該系統(tǒng)中可再生能源替代量并不是4份熱,而應(yīng)該是從4份熱中扣除掉1份電(按當(dāng)年國(guó)家公布的電網(wǎng)效率轉(zhuǎn)為一次能源量)后得到的值。
2.5 對(duì)大水電的考慮
在進(jìn)行區(qū)域能源規(guī)劃時(shí),應(yīng)將當(dāng)地大水電、核電、風(fēng)電等比例考慮在內(nèi),從而形成一種對(duì)當(dāng)?shù)卣牡贡茩C(jī)制。比如,某區(qū)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(yīng)納入可再生能源利用量中。
2.6 對(duì)被動(dòng)式可再生能源應(yīng)用的考慮
除了太陽(yáng)能光熱、太陽(yáng)能光電、風(fēng)力發(fā)電、各類熱泵等主動(dòng)式應(yīng)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(yīng)用。但由于后者目前還沒有成熟的量化評(píng)價(jià)方法,特別是新區(qū)、城市或更高層面,因此尚未納入到可再生能源應(yīng)用的總體量化目標(biāo)中。
在新區(qū)層面,建議與城市設(shè)計(jì)相結(jié)合,通過(guò)布局優(yōu)化、景觀設(shè)計(jì)等方式,采用計(jì)算機(jī)模擬,對(duì)風(fēng)、光、熱等區(qū)域微環(huán)境進(jìn)行改善,并對(duì)區(qū)域內(nèi)建筑設(shè)計(jì)中被動(dòng)式技術(shù)應(yīng)用提出引導(dǎo)性要求;在建筑層面,通過(guò)細(xì)部窗洞設(shè)計(jì)、空間排布、構(gòu)造節(jié)點(diǎn)等方式,采用模擬方法,對(duì)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(píng)估,進(jìn)而納入到可再生能源利用量中。
3 評(píng)價(jià)方法
可再生能源利用評(píng)價(jià)的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)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(yīng)混為一談,前者關(guān)乎礦物能源消耗量的減少,與基準(zhǔn)情景下的能源消耗種類和能源綜合效率有關(guān);后者關(guān)乎當(dāng)前情景下能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,與基準(zhǔn)情景無(wú)關(guān)。明確替代量、利用量等絕對(duì)值的統(tǒng)一評(píng)價(jià)算法,可實(shí)現(xiàn)建筑、新區(qū)、城市、國(guó)家等不同層面可再生能源利用評(píng)價(jià)的縱向銜接;明確利用率等相對(duì)值的統(tǒng)一評(píng)價(jià)方法,可實(shí)現(xiàn)同類建筑、同類新區(qū)、同類城市之間等不同對(duì)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(zhǔn)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(jié)能貢獻(xiàn)量。依據(jù)當(dāng)?shù)爻R?guī)能源供應(yīng)條件及需求特性,設(shè)置基準(zhǔn)情景,判斷替代能源種類及替代量,當(dāng)綜合效率低于基準(zhǔn)情景下的常規(guī)系統(tǒng),則替代量為負(fù)數(shù),該可再生能源利用方式不可行,不應(yīng)計(jì)入可再生能源利用量。
對(duì)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(tǒng)形式,在產(chǎn)電過(guò)程中基本不消耗常規(guī)能源,可再生能源替代量就等于發(fā)電量。對(duì)于太陽(yáng)能光熱系統(tǒng),需要一定的電輔助加熱;追溯到能源供應(yīng)源頭,替代電或替代氣的結(jié)果也會(huì)有所不同。詳見如下算例分析。
1)例1
基準(zhǔn)情景下,規(guī)劃所在地住宅生活熱水主要采用燃?xì)?a href="http://xldcn.com/t/熱水器.html" >熱水器,燃?xì)?a href="http://xldcn.com/t/熱水器.html" >熱水器效率85%。設(shè)基準(zhǔn)情景每戶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(xiàn)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(yīng)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(tǒng)一折算成標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)情景下,規(guī)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(yīng)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(tǒng)一折算成標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)情景下,規(guī)劃所在地采用燃?xì)忮仩t供暖,系統(tǒng)熱效率約90%;當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)效率轉(zhuǎn)為一次能源為標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng),冬季工況供暖平均COP 約為4。
地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)電折算系數(shù)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(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)效率統(tǒng)一折算成標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(guī)劃區(qū)域內(nèi)全部消納),太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)的可再生能源利用量對(duì)應(yīng)用戶消耗的太陽(yáng)能產(chǎn)熱量。而各類可再生能源熱泵,其可再生能源利用量的計(jì)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(guī)定:
Er=Qu(1-SP1F)
(2)式中 Er?yàn)榭稍偕茉蠢昧?;Qu?a href="http://xldcn.com/t/熱泵.html" >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(jì)入;SPF 為熱泵平均季節(jié)性能系數(shù)。
對(duì)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(duì)生活熱水的有效加熱量;對(duì)于例3,可再生能源利用量為:
按上述方法計(jì)算得到的可再生能源利用量?jī)H為初步結(jié)果,最后還需考慮不同能源品位,采用等效電算法統(tǒng)一折算成標(biāo)準(zhǔn)煤量。
3.3 可再生能源利用率
單獨(dú)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(lái)討論??稍偕茉蠢寐什皇菃我恢笜?biāo),而是由能源消耗總量和可再生能源利用量構(gòu)成.
4 結(jié)論
4.1 可再生能源利用評(píng)價(jià)中,應(yīng)扣除由于可再生能源應(yīng)用引起的常規(guī)能源消耗;應(yīng)區(qū)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(yīng)將可再生能源系統(tǒng)與基準(zhǔn)情景下的常規(guī)能源系統(tǒng)效率進(jìn)行比較,且只有當(dāng)前者綜合效率高于后者時(shí),可再生能源才具備應(yīng)用價(jià)值;可再生能源利用量應(yīng)統(tǒng)一折算成源端消耗,以將系統(tǒng)能源效率的差異考慮進(jìn)去;應(yīng)將當(dāng)地大水電、核電、風(fēng)電等的使用量考慮在內(nèi),從而形成對(duì)當(dāng)?shù)卣牡贡茩C(jī)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(yīng)受到重視并納入量化評(píng)估。
4.2 闡述了可再生能源利用評(píng)價(jià)的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)及計(jì)算方法??稍偕茉刺娲渴侵概c基準(zhǔn)情景相比,減少的礦物能源消耗量。對(duì)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(tǒng)形式,替代量就等于發(fā)電量;對(duì)于太陽(yáng)能光熱系統(tǒng),其替代量等于常規(guī)情景熱水系統(tǒng)的電或燃?xì)庀牧浚鄢?yáng)能系統(tǒng)輔助電或燃?xì)獾南牧?;?duì)于各類熱泵系統(tǒng),其替代量等于常規(guī)供熱系統(tǒng)燃料消耗量,扣除熱泵系統(tǒng)耗電量,并統(tǒng)一按當(dāng)年國(guó)家公布的電網(wǎng)效率轉(zhuǎn)為一次能源??稍偕茉蠢昧?,關(guān)乎對(duì)當(dāng)前情景能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,與基準(zhǔn)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(guī)劃區(qū)域內(nèi)全部消納);對(duì)于熱泵系統(tǒng),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(tǒng)一可再生能源利用評(píng)價(jià)方法,明確替代量、利用量等絕對(duì)值算法,可實(shí)現(xiàn)建筑、新區(qū)、城市、國(guó)家等不同層面可再生能源利用評(píng)價(jià)的縱向銜接;明確利用率等相對(duì)值的統(tǒng)一評(píng)價(jià)方法,可實(shí)現(xiàn)同類建筑之間、同類新區(qū)之間、同類城市之間等不同對(duì)象的橫向比較。
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