謝中元,任銳煥
(1.上海同濟城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,上海 200080;2.國網(wǎng)上海市電力公司嘉定供電公司,上海 201800)
新能源規(guī)劃與能源需求側(cè)負荷特性密切相關(guān),后者制約著新能源的發(fā)展速度、規(guī)模和利用效率。傳統(tǒng)的新能源規(guī)劃主要考慮日照、風(fēng)速等自然條件的影響,忽略了與用戶負荷特性之間的聯(lián)系,容易造成棄光、棄風(fēng)、切負荷、利用率低等問題[1-2]。傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃在能源需求方面主要從供應(yīng)側(cè)考慮,較少結(jié)合本地新能源情況進行統(tǒng)籌規(guī)劃。
本文以蘇州市同里新能源小鎮(zhèn)為研究對象,根據(jù)規(guī)劃區(qū)自然資源分布,再結(jié)合能源需求側(cè)負荷特性,立足本地多能互補,就地消納新能源。在城鎮(zhèn)規(guī)劃總規(guī)、控規(guī)已經(jīng)確定的條件下,統(tǒng)籌考慮需求側(cè)供需平衡、用地布局等因素進行新能源優(yōu)化配置研究。研究結(jié)果表明,新能源在滿足需求側(cè)用能要求的基礎(chǔ)上,能夠改變城市的能源供給結(jié)構(gòu),提高城市的自供能力。
新能源主要包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿取P履茉窗l(fā)電具有隨機性、不確定性等特點[3],為了提高系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性,常和儲能電站統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)。
太陽能發(fā)電包括光伏發(fā)電、光熱發(fā)電和太陽能三聯(lián)供等。太陽能發(fā)電潛力計算公式如下:
EPV=Q0ρAEληsun
(1)
式中EPV——太陽能發(fā)電資源量,kJ;Q0——太陽能年輻射量,MJ/m2·年;ρ——建筑密度;AE——建筑用地面積,m2;λ——屋頂面積可使用率,%;ηsun——太陽能綜合利用效率,%。
風(fēng)力發(fā)電分為地表風(fēng)發(fā)電技術(shù)和高空風(fēng)發(fā)電技術(shù)兩類,對建設(shè)條件要求很高,選址考慮因素包括風(fēng)能密度、風(fēng)向穩(wěn)定等。
生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)包括直接燃燒發(fā)電與轉(zhuǎn)化為高值燃料后發(fā)電,如沼氣發(fā)電、氣化發(fā)電等。
地?zé)崮芾冒ǖ責(zé)岚l(fā)電及熱利用。地?zé)岚l(fā)電對地?zé)豳Y源要求較高,主要運用深層地?zé)崮埽粺崂眉夹g(shù)有地?zé)峁┡?、地源熱泵供暖及空調(diào)技術(shù)等。
傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)能源規(guī)劃主要為供應(yīng)側(cè)規(guī)劃,具有設(shè)備容量冗余度大、初投資規(guī)模高、設(shè)備利用率低、網(wǎng)損高等缺點,由于在規(guī)劃時較少考慮新能源,因此存在能源供給結(jié)構(gòu)單一、自供能力差等問題。
為提高能源利用效率[4],轉(zhuǎn)變能源供給結(jié)構(gòu),立足本地消納新能源發(fā)電以提高自供能力,從需求側(cè)用能特性出發(fā),精準(zhǔn)匹配用能需求與能源供應(yīng)方式,從而確定能源系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)備容量。本文以典型建筑類型為模型,結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)、居民用能習(xí)慣,利用負荷模擬軟件HDY-SMAD得到各類建筑全年及典型日逐時建筑能耗[5]如圖1至圖2所示。
圖1 典型工作日建筑逐時能耗
圖2 典型節(jié)假日建筑逐時能耗
建筑負荷主要包括建筑電氣(照明及日常電器)負荷、空調(diào)冷(熱)負荷、炊事負荷及生活熱水負荷。各類負荷優(yōu)先使用新能源供能方式,不足部分按照燃氣三聯(lián)供、市電的順序進行補充供能。
同里新能源小鎮(zhèn)永久會址位于江蘇省蘇州市,規(guī)劃將其打造為國際能源變革論壇永久會址,總建設(shè)用地面積0.86 km2,主要建筑類型有住宅、商業(yè)、旅館、辦公、娛樂康體、文化設(shè)施6種。永久會址負荷情況如表1所示。
表1 永久會址負荷匯總表
永久會址年累計總能耗為9 420 t(標(biāo)準(zhǔn)煤),建筑能耗為主要能耗類型,約占總能耗的91.6%。建筑能耗中空調(diào)能耗占比最高,占總建筑能耗的56.0%;其次是建筑電氣能耗,約占35.6%;炊事及生活熱水能耗相對較小,分別占4.6%和3.8%。
新能源系統(tǒng)平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)是保持系統(tǒng)中能量的供需平衡,即在運行過程中時刻保持供能端與耗能端能量平衡,系統(tǒng)能量供需平衡關(guān)系[5]如式(2)所示:
Gsun+Gwind+Gbio+Ggeo+Ggas+
Ggrid+Wsto=Sload+Ddump
(2)
式中Gsun——太陽能發(fā)電量,kWh;Gwind——風(fēng)力發(fā)電量,kWh;Gbio——生物質(zhì)能發(fā)電量,kWh;Ggeo——地?zé)崮馨l(fā)電量,kWh;Ggas——燃氣三聯(lián)供發(fā)電量,kWh;Ggrid——從電網(wǎng)所購電量,kWh;Wsto——儲能電站充入或放出的電量,kWh;Sload——建筑負荷消耗電量,kWh;Ddump——可再生能源發(fā)電的多余廢棄電量,kWh。
當(dāng)系統(tǒng)獨立運行時,即不從電網(wǎng)購電時,Ggrid=0??稍偕茉窗l(fā)電被完全消納時,Ddump=0,此時式(2)可簡化為
Gsun+Gwind+Gbio+Ggeo+Ggas+Wsto=Sload
(3)
清潔能源系統(tǒng)考慮峰谷電價,通過判斷清潔能源發(fā)電量之和G∑與需求側(cè)用能量的大小關(guān)系,調(diào)整系統(tǒng)供能方式,具體控制策略如表2所示。
表2 清潔能源系統(tǒng)控制策略
同里新能源小鎮(zhèn)以打造綠色低碳小鎮(zhèn)為發(fā)展主旨,在城鎮(zhèn)規(guī)劃總規(guī)、控規(guī)已經(jīng)確定的條件下,清潔能源工程規(guī)劃需統(tǒng)籌考慮用地布局及規(guī)模、用能需求、自然條件、配電網(wǎng)可接納能力、初始投資等相關(guān)因素。在供需匹配、供需平衡的基礎(chǔ)上,明確新能源小鎮(zhèn)太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、燃氣及儲能相關(guān)能源工程的位置、規(guī)模、供應(yīng)能力等。永久會址區(qū)清潔能源工程優(yōu)化配置結(jié)果見表3至表5,新能源工程規(guī)劃見圖3。
表3 清潔能源發(fā)電工程一覽表
表4 清潔能源供能工程一覽表
表5 儲能工程一覽表
新能源工程優(yōu)化配置后的永久地址區(qū)域用能平衡見表6。由表6可得,建筑電氣用能缺口約975 t(標(biāo)準(zhǔn)煤),經(jīng)燃氣三聯(lián)供補充后,每年可盈余電量約3 105 t(標(biāo)準(zhǔn)煤);空調(diào)年冷負荷總?cè)笨诩s787 t(標(biāo)準(zhǔn)煤),年熱負荷總?cè)笨诩s427 t(標(biāo)準(zhǔn)煤),缺口部分通過燃氣三聯(lián)供補充后,可滿足空調(diào)用能需求;生物質(zhì)氣體燃料在滿足炊事用能的情況下仍可盈余約219 t(標(biāo)準(zhǔn)煤)/年;太陽能戶用熱水器可滿足永久會址區(qū)域生活熱水負荷需求。土壤源熱泵年耗電量(1 624 t標(biāo)準(zhǔn)煤)與永久會址區(qū)域年盈余發(fā)電量(3 105 t標(biāo)準(zhǔn)煤)進行平衡。由平衡結(jié)果可知,年發(fā)電量仍有盈余。燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)年耗氣量約3 791 t(標(biāo)準(zhǔn)煤),燃氣消耗量與炊事用能一起平衡。
表6 永久會址區(qū)域用能平衡一覽表 t(標(biāo)準(zhǔn)煤)
本文立足本地消納新能源,通過多能互補模式在滿足需求側(cè)用能要求的條件下對新能源工程進行優(yōu)化配置研究,研究結(jié)果表明以清潔能源為主的多能互補模式可以滿足需求側(cè)用能需求。以同里新能源小鎮(zhèn)為例,優(yōu)化后永久會址區(qū)域自供能比例可達到55.10%,其中太陽能占30.15%;地?zé)崮苷?3.67%;風(fēng)能占0.91%;生物質(zhì)能占0.36%,大大削弱了對傳統(tǒng)能源的依賴。
在城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)時,如同步進行新能源工程規(guī)劃就需要政府和國家政策的大力支持,二者同步進行規(guī)劃能夠打破傳統(tǒng)供能模式,提高了城鎮(zhèn)自供能力,并且能避免棄光、棄風(fēng)、切負荷現(xiàn)象的發(fā)生。