新区规划可再生能源利用评价方法.doc

新区规划可再生能源利用评价方法中国建筑设计研究院 徐宝萍1，徐稳龙摘要：可再生能源应用相关的国内外标准、引导政策、生态城市指标体系、区域能源规划，常以可再生能源利用率为控制目标。但对于可再生能源利用的具体评价方法，尚未有统一的标准界定和规范算法。本文对多种算法中存在的是否扣除常规能源消耗、考虑不同能源品位、考虑大水电以及被动式可再生能源量化等问题进行了浅析，并明确了可再生能源替代量、可再生能源利用量的不同含义及算法，提出了不同层面的可再生能源利用率算法。 关键词：可再生能源；评价方法；替代量；利用量；利用率 1 前言国际公认的可再生能源有六大类: 太阳能; 风能; 地热能; 生物质能; 海洋能; 水电1。可再生能源利用对调整城市能源结构、减少化石能源消耗、推进城市可持续发展意义重大，受关注程度亦越来越高。 在新区层面，提出科学合理的可再生能源利用目标，从规划阶段开始，统筹考虑可再生资源的合理开发，同时实现其与常规能源系统的有效匹配与契合，是新区综合能源规划的关键内容。现有国内外绿色建筑标准、政策引导目标、生态城市指标体系、区域能源规划目标中，出现频率最高的控制性指标为可再生能源利用率。但对于可再生能源利用率的具体评价方法，目前尚未有统一的标准界定和规范的算法。因此，如何进行可再生能源利用的合理评价，特别是科学统一的可再生能源利用率算法，对明确规划新区能源系统建设目标，同时作为管理抓手在后续工作中落实，是值得重视并亟需深入研究的内容。1.1 相关标准美国LEED规定替代率为5%、10%和20%的得分分别为1分、2分和3分；在绿色建筑评价标准中，规定：居住建筑可再生能源的使用量占建筑总能耗的比例大于5%、10%分别为一般项、优选项；公共建筑可再生能源产生的热水量不低于建筑生活热水消耗量的10，或可再生能源发电量不低于建筑用电量的2，为优选项。 1.2 支持政策 财政部住房城乡建设部关于进一步推进可再生能源建筑应用的通知（财建201161号）提出切实提高太阳能、浅层地能、生物质能等可再生能源在建筑用能中的比重，到2020年，实现可再生能源在建筑领域消费比例占建筑能耗的15以上；到2015年重点区域内可再生能源消费量占建筑能耗的比例达到10以上。 1.3 新区指标 在低碳生态城区中，可再生能源利用率几乎成了所有能源规划或生态规划的指标必选项。 如：天津中新生态城的指标体系中，提出可再生能源比例20%；城科会提出的生态城市指标体系，同样有可再生能源所占比重20%的要求；长辛店生态城指标体系，可再生能源使用率20%；武汉绿色CBD建设体系的指标体系，提出可再生能源使用比例为2%。1.4 能源规划国家“十二五”能源规划提出，要确保到2015年非化石能源消费占一次能源消费的比重达到11%以上，为实现2020年非化石能源消费比重占一次能源消费比重达15%和单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%至45%的目标奠定坚实的基础。 北京市“十二五”能源11徐宝萍，1979-12，工学博士，高级工程师，绿色区域发展部副主任，北京市西城区德胜门外大街36号，邮编：100120，TelE-mail:规划明确，2015年北京优质能源消费比重将达到80%以上。可再生能源发展比重将由原来的3.2%增加到6%左右。2 问题浅析可再生能源利用率这一项重要指标，贯穿建筑、新区、城市、国家等不同层面。在实际项目操作过程中，由于缺少权威的、统一的可再生能源利用率算法，对可再生能源利用评价存在多种不同算法，且不同算法得出的结果大相径庭，导致横向项目指标难以比对、纵向项目指标难以衔接。综合目前大多算法的分歧点、主要问题及笔者的理解，总结归纳如下：2.1 对常规能源消耗的考虑现有的评价方法大多针对可再生能源利用收益进行评价, 忽视了可再生能源利用过程中的额外消耗3，如：热泵系统应用中的电耗、太阳能热水系统应用中的辅助电耗。由此，导致评价结果夸大可再生能源利用的作用，可能误导人们只注重追求扩大可再生能源利用系统的规模，不重视提高可再生能源利用系统的效率； 可再生能源利用评价中，应扣除由于可再生能源应用引起的常规能源消耗。2.2 对不同能源品位的考虑比如，在扣除常规能源消耗时，采用等热或等效电的换算方法，前者未考虑能源品位，后者则以高品位的电作为标准，将其它终端能源按照一定的折算系数转化为电，就不仅考虑了不同能源之间“量”的差异，还体现出“质”的不同。可再生能源利用评价中，应区分利用方式和能源品质的差异, 综合考虑利用过程中的“得”与“失”，即采用等效电换算方法。等效电核算方法参考折算系数4终端能源效率总能量折标准电系数2.3对基准情景门槛的设置相对于不同基准情景，替代能源种类及替代量会不同，尤其是对于可再生能源热泵系统的应用。如果常规能源利用效率足够高,甚至超过某种可再生能源的利用效率,就没有必要应用这种可再生能源。在进行可再生能源利用评价的第一步，就应将可再生能源系统与基准情景下的常规能源系统效率进行比较，只有当前者综合效率高于后者时，该可再生能源系统方案才具备应用的价值与意义。基准情景的设置，与规划区域的常规能源供应条件有关。比如：在有市政热力条件的区域，供热的基准情景方案为市政热力供热；倘若不具备市政热力条件而有较好的天然气供应条件，则供热的基准情景方案为燃气锅炉供热等。2.4 折算到源端消耗而非用户端可再生能源利用量，应统一折算到源端消耗，这样才能把系统能源效率的差异考虑进去。例如：冬季cop为4的土壤源热泵，从土壤中吸收3份热，消耗1份电，向用户端提供4份热；那么，虽然用户端的4份热全部由土壤源热泵系统承担，该系统中可再生能源利用量应为3份热。2.5 对大水电的考虑在进行区域能源规划时，应将当地大水电、核电、风电等比例考虑在内，从而形成一种对当地政府的倒逼机制1。比如，某区域使用的电力，由大电网提供，该电网供电量中约10%来自水电，这部分水电量应纳入可再生能源利用量中。2.6 对被动式可再生能源应用的考虑除了太阳能光热、太阳能光电、风力发电、各类热泵等主动式应用，还有自然采光、自然通风、被动式太阳房等可再生能源被动式应用。但由于后者目前还没有成熟的量化评价方法，特别是新区、城市或更高层面，因此尚未纳入到可再生能源应用的总体量化目标中。在新区层面，建议与城市设计相结合，通过布局优化、景观设计等方式，采用计算机模拟方法，对风、光、热等区域微环境进行改善，并对区域内建筑设计中被动式技术应用提出引导性要求；在建筑层面，通过细部窗洞设计、空间排布、构造节点等方式，采用模拟方法，对利用自然采光、遮阳、自然通风、太阳房减少建筑能耗进行量化评估，进而纳入到可再生能源利用量中。3 评价方法追溯可再生能源应用的本质，紧扣关键，各类问题均可迎刃而解。可再生能源应用的本质目的：一是减少化石能源消耗，二是能源结构优化。下文进一步阐述可再生能源利用评价的三个关键指标：可再生能源替代量、可再生能源利用量、可再生能源利用率。替代量与利用量是两个不同的概念，不应混为一谈，前者意味着化石能源消耗量的减少，与基准情景下的能源消耗种类和能源综合效率有关；后者意味着对当前情景下能源结构的优化，与基准情景无关。明确替代量、利用量等绝对值的统一评价算法，可实现建筑、新区、城市、国家等不同层面可再生能源利用评价的纵向衔接；明确利用率等相对值的统一评价方法，可实现同类建筑之间、同类新区之间、同类城市之间等不同对象的横向比较。3.1 可再生能源替代量可再生能源替代量，是指与基准情景相比，减少化石能源的消耗量，亦可理解为，可再生能源节能贡献量。依据当地常规能源供应条件及需求特性，设置基准情景，判断替代能源种类及替代量，当综合效率低于基准情景下的常规系统，则替代量为负数，该可再生能源利用方式不可行，不应计入可再生能源利用量。替代量计算公式如下：其中， Rs: 替代量，折至标准煤； Eb,i: 基准情景下常规能源i的消耗量； Ki: 常规能源i折算至标准煤的等效电折算系数； Eb,i: 可再生能源系统中常规能源j的消耗量； Kj: 常规能源j折算至标准煤的等效电折算系数。 对于太阳能光电、风力发电、生物质能发电等可再生能源系统形式，在产电过程中基本不消耗常规能源，可再生能源替代量就等于发电量。 对于太阳能光热系统，需要一定的电辅助加热；追溯到能源供应源头，替代电或替代气的结果也会有所不同。例1：基准情景下，规划所在地住宅生活热水主要采用燃气热水器，燃气热水器效率85%。设基准情景每户年生活热水用热量为600kWh；采用太阳能生活热水器（分散式）以后，实现太阳能保证率60%，则电辅助加热量占总耗电量的40%，电加热效率90%。太阳能生活热水器的应用，减少耗气量约600kWh/85%=706kWh，增加耗电量约600kWh40%/90%=267kWh，综合考虑不同能源品位，统一折算至标煤，可得可再生能源替代量为：706kWh气（66.1%/45.4%）-267kWh电（100%/45.4%）=440kWh标煤（折54kg标煤）。例2：基准情景下，规划所在地住宅生活热水主要采用电热水器，其他条件同例1。太阳能生活热水器的应用，减少耗电量约600kWh/90%=667kWh，增加耗电量约600kWh40%/90%=267kWh，统一折算至标煤，可再生能源替代量为：667kWh电（100%/45.4%）-267kWh电（100%/45.4%）=881kWh标煤（折108kg标煤）。对于各类热泵系统，还需要消耗一定的高品位能源电力，才能将低品位热从污水、土壤、水源中提取出来进行供热。其可再生能源替代量的大小，还与热泵系统效率及基准情景下的常规能源系统效率有关。热泵系统效率越高, 替代量越高；基准情景能源系统利用效率越高, 替代量越低。 例3：基准情景下，规划所在地采用燃气锅炉采暖，热效率约90%；某用户整个采暖季用热量约1000MWh。若采用土壤源热泵系统，冬季工况供暖平均cop约为4。土壤源热泵系统的应用，减少耗气量约1000MWh/90%=1111MWh，增加耗电量约1000MWh/4=250MWh，统一折算至标煤，可再生能源替代量为：1111MWh气（66.1%/45.4%）-250MWh电（100%/45.4%）= 1067 MWh标煤（折131t标煤）。若土壤源热泵系统，冬季工况供暖平均cop提升至5左右，则可再生能源替代量增加为1177 MWh标煤（折137t标煤）。3.2 可再生能源利用量 光电、风电类、生物质的可再生能源利用量即为产电量（规划区域内全部消纳）。太阳能生活热水系统的可再生能源利用量对应用户消耗的太阳能产热量。而各类可再生能源热泵，其可再生能源利用量的计算方法参考欧盟Directive on the promotion of the use of energy from renewable sources(COM/2008/19/final)的相关规定：Er=Qu(1-1/SPF)其中：Er：可再生能源利用量；Qu：热泵产生的总的可利用热量，且符合可再生能源替代量为正值时才计入；SPF：热泵平均季节性能系数；：产生的电量与生产电消耗的一次能源量的比值；制冷工况下，热泵系统与常规制冷系统能耗差异较小，因此建议不考虑制冷工况下的可再生能源利用量。对于例1及例2，可再生能源利用量为：600kWh60%=360kWh热，即太阳能对生活热水的有效加热量；对于例3，可再生能源利用量为：1000MWh（1-1/4）=750MWh热，即土壤源热泵从土壤中吸收的热量。3.3 可再生能源利用率单纯说可再生能源利用率是没有意义的，需在可再生能源替代量0的前提下来讨论。可再生能源利用率不是单一指标，而是由能耗总量控制和可再生能源利用量构成：可再生能源利用量，按3.2方法计算，最后考虑不同能源品位统一折算至标煤量。能源消耗总量，对于不同层面，计算范畴不一样：在设备系统层面，为系统总能耗，包括源端转换消耗、输配消耗、用户消耗；在建筑层面，则为建筑总能耗，包括采暖、制冷、炊事、生活热水、照明、其他设备用电等能源消耗；在新区及更高层面，则包括建筑、交通、市政、产业等总能耗。4 结论 可再生能源利用评价首先应基于适宜性分析，其本质在于关注替代化石能源、减少常规能源消耗的同时，也关注能源结构的变化。本文对可再生能源替代量、可再生能源利用量的含义及算法进行了明确，前者与基准情景的能源形式及系统效率有关。 可再生能源利用率作为广泛应用的指标，应统一评价算法，且在可再生能源替代量0的前提下进行讨论才有意义。因此，可再生能源利用评价中，需考虑扣除常规能源消耗、不同能源品位的差异以及大市政中可再生能源利用的基础量。此外，还应重视被动式节能技术中对可再生能源的利用，如自然采光、自然通风等，在规划阶段提出引导性要求，在建筑方案及设计阶段，进一步深入量化研究。单纯强调可再生能源利用率，可能出现舍本逐末、以偏概全的错误与事与愿违的结果。因此，在尽力规范化可再生能源利用率评价算法的基础上，考虑可再生能