王 麗,付嘉峰,王 琳

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070；3.中國海洋大學(xué)，山東 青島266100)

0 引言

特色小鎮(zhèn)是美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的一種新模式，是農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一個新階段，是社會主義新農(nóng)村的一種體現(xiàn)形式。特色體現(xiàn)在依賴某一特色產(chǎn)業(yè)和特色環(huán)境因素打造的具有明確產(chǎn)業(yè)定位、文化內(nèi)涵、旅游特征和一定社區(qū)功能的綠色宜居生態(tài)小城鎮(zhèn)建設(shè)項目，綠色生態(tài)是特色小鎮(zhèn)的基礎(chǔ)。2016年7月1日，住建部、國家發(fā)改委、財政部聯(lián)合發(fā)布通知，提出到2020年要在全國培育1 000個左右的特色小鎮(zhèn)[1]。國外特色小鎮(zhèn)的規(guī)劃與建設(shè)起步早，能源規(guī)劃突出清潔可再生能源。德國的弗賴阿姆特小鎮(zhèn)，為農(nóng)業(yè)旅游特色小鎮(zhèn)，小鎮(zhèn)利用太陽能、風(fēng)能、沼氣能等實現(xiàn)生產(chǎn)生活用能全部采用清潔可再生能源[7],瑞典的麻摩城[8]充分發(fā)揮風(fēng)能的替代能源政策，該小鎮(zhèn)實現(xiàn)了100%能源來自可再生能源。日本則在20世紀(jì)70年代,為縮小城鄉(xiāng)差異，建立“村鎮(zhèn)綜合建設(shè)示范工程”[9],充分利用可再生能源，形成日本特色小鎮(zhèn)的雛形。

林家村高端裝備特色小鎮(zhèn)正是在這樣的大背景下規(guī)劃的小鎮(zhèn)，林家村位于諸城市東南部24 km，地處諸城、黃島、膠州三市交界，位于青島半小時經(jīng)濟(jì)圈,是青島向魯中地區(qū)輻射的重要節(jié)點(diǎn)。 規(guī)劃特色小鎮(zhèn)位于現(xiàn)狀林家村鎮(zhèn)政府所在地-林家村鎮(zhèn)，在此基礎(chǔ)上規(guī)劃林家村高端裝備特色小鎮(zhèn)。綠色生態(tài)是林家村高端裝備特色小鎮(zhèn)規(guī)劃基礎(chǔ)，清潔低碳、安全高效的生態(tài)型能源體系規(guī)劃是小鎮(zhèn)規(guī)劃的重點(diǎn)。本文通過對林家村資源評估，提出了面向需求分析的能源規(guī)劃方法，以生物質(zhì)能、太陽能為主要補(bǔ)充能源，構(gòu)建資源循環(huán)型分布式能源系統(tǒng)。實現(xiàn)小鎮(zhèn)能源60%以上為可再生能源的規(guī)劃目標(biāo)，實現(xiàn)節(jié)能減排。

1 林家村高端裝備小鎮(zhèn)現(xiàn)狀及能源資源評價

1.1 特色小鎮(zhèn)現(xiàn)狀及規(guī)劃

小鎮(zhèn)現(xiàn)狀及規(guī)劃：小鎮(zhèn)現(xiàn)有人口1.8萬人，規(guī)劃人口4.0萬人(1萬戶)；規(guī)劃用地面積4.8 km2，產(chǎn)業(yè)區(qū)規(guī)劃面積1.5 km2。人口密度低，居住分散、容積率低，能源輸送距離遠(yuǎn)，能耗高，不適合建設(shè)大型集中區(qū)域能源系統(tǒng)。

產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及規(guī)劃：林家村是典型的農(nóng)業(yè)村鎮(zhèn)，第二產(chǎn)業(yè)食品加工、服裝家紡為主、第三產(chǎn)業(yè)餐飲商貿(mào)；第二、第三產(chǎn)業(yè)特色不鮮明，發(fā)展較弱。規(guī)劃在村鎮(zhèn)所在地建設(shè)特色高端裝備特色小鎮(zhèn)，小鎮(zhèn)圍繞先進(jìn)智能裝備制造業(yè)-模具設(shè)計與制造、海洋功能性食品-蝦青素產(chǎn)品、新能源控制系統(tǒng)三大新興特色產(chǎn)業(yè)，對接青島需求。高端特色產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)是高附加值，低能耗、低污染的產(chǎn)業(yè)。能源規(guī)劃是小鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展的保障，以當(dāng)?shù)貎?yōu)勢資源為核心，高比例配置清潔可再生新能源是小鎮(zhèn)生態(tài)宜居的要素，林家村高端裝備小鎮(zhèn)消費(fèi)特點(diǎn)為常溫、低壓、低品質(zhì)能源，主要為居民區(qū)及廠區(qū)供電、供熱、供冷。

圖1 林家村高端裝備小鎮(zhèn)規(guī)劃圖

1.2 小鎮(zhèn)能源消費(fèi)現(xiàn)狀

小鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)域目前所利用的主要能源形式為電能，少量的生物質(zhì)直燃、原煤和天然氣，少數(shù)家庭利用太陽能熱水器。新能源的利用率低，利用形式落后。沒有形成系統(tǒng)配置規(guī)?；目稍偕茉蠢?。

表1 小鎮(zhèn)用能現(xiàn)狀

小鎮(zhèn)電能配套：鎮(zhèn)駐地現(xiàn)有35 KV變電站一處，配備主變兩臺，容量分別為5 000 KVA/6 300 KVA，10 KV出線五條,最高負(fù)荷9 000 KVA，為小鎮(zhèn)提供電力保證。

1.3 小鎮(zhèn)資源評估

1.3.1 水資源評價

林家村有“五條河流、兩座中型水庫”水力資源豐富；雖然流經(jīng)林家村的河流較多，但流域面積不大，水力梯度小，流量小，季節(jié)性強(qiáng)，作為能源類資源的利用價值不高。

1.3.2 生物質(zhì)資源評價

(1)林家村是農(nóng)業(yè)型村鎮(zhèn)，擁有耕地18.5萬畝,皂戶辣椒、綠豐園花生、賢河白菜、荒山口蘋果、青樸火龍果種植業(yè)園區(qū)6個。康源微藻養(yǎng)殖基地1個，年產(chǎn)生物質(zhì)近35萬t,生物質(zhì)資源豐富。

(2)林家村污水處置規(guī)劃：污水處理站確定在林家村鎮(zhèn)駐地西部，鎮(zhèn)北路南側(cè)、鎮(zhèn)西路以西。該污水廠總設(shè)計規(guī)模為10 000 m3/d，處理標(biāo)準(zhǔn)1 A，污水達(dá)標(biāo)回用5 000 t進(jìn)入沼氣工藝，作為工藝用水，5 000 t作為清潔和綠化用水，年產(chǎn)污泥36 500 t/a(含水率90%)。作為生物質(zhì)資源化利用。

(3)林家村生活垃圾處置規(guī)劃：按城鎮(zhèn)人均垃圾日產(chǎn)生量1 kg/人，預(yù)測林家村鎮(zhèn)城鎮(zhèn)垃圾日產(chǎn)生量為3.8 t/d。規(guī)劃生活垃圾清運(yùn)率100%，無害處置化率100%，其中分類廚余垃圾、有機(jī)濕垃圾40%，554.8 t/a，可以作為生物質(zhì)資源化利用。

表2 生物質(zhì)資源表/t·a-1

1.3.3 太陽能資源評價

山東省太陽能資源豐富，屬于太陽能豐度三類地區(qū)，尤其是膠東半島北部、魯東南、魯北為太陽能資源較豐富地區(qū)，年可利用量超過(5 000 MJ/m2)，日輻射量3.8～4.5 KWh/m2，依據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《太陽能資源評估方法》“利用各月日照時數(shù)大于6 h的天數(shù)為指標(biāo)。評估太陽能資源的利用價值”。林家村地區(qū)日照時數(shù)>6 h的天數(shù)平均在245 d/a。平均月日照時數(shù)211 h，日照百分率64%，該地區(qū)太陽能資源豐富。

表3 林家村日照時數(shù)表/h

注：太陽能監(jiān)測站*

2 面向需求分析的清潔可再生能源規(guī)劃方法

通過對小鎮(zhèn)能源需求的精準(zhǔn)預(yù)測及村鎮(zhèn)能源資源分析與評價，利用資源生態(tài)循環(huán)模式和分布式能源微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，合理利用當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢，匹配清潔可再生能源。分布式微網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以克服生物質(zhì)能、太陽能的不穩(wěn)定性。冷、熱、氣、電等能源全部或部分采用可再生能源，實現(xiàn)可再生能源與電能相互補(bǔ)充，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。同時面向需求分析的清潔能源規(guī)劃，改變單一能源供給結(jié)構(gòu)，形成多能互補(bǔ)，動態(tài)、靈活性適應(yīng)需求變化，提高綜合能源效率，更好地滿足生產(chǎn)和消費(fèi)的需要[2]。

2.1 小鎮(zhèn)能源消費(fèi)預(yù)測

表4 小鎮(zhèn)用能規(guī)劃指標(biāo)

表5 小鎮(zhèn)能源消費(fèi)預(yù)測/a

2.2 構(gòu)建生態(tài)循環(huán)型小鎮(zhèn)可再生能源系統(tǒng)

林家村高端裝備特色小鎮(zhèn)，所處區(qū)域，生物質(zhì)資源、太陽能資源豐富，通過先進(jìn)的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，合理的資源配置，可以形成以可再生能源為主的生態(tài)能源循環(huán)型用能體系，并實現(xiàn)節(jié)能減排，綠色發(fā)展。林家村資源生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，使小鎮(zhèn)的林業(yè)農(nóng)業(yè)及生活的廢棄物能源化資源化回用，構(gòu)建能源化過程資源閉環(huán)。

圖2 分布式可再生能源系統(tǒng)

(1)生物質(zhì)生態(tài)循環(huán)能源系統(tǒng)規(guī)劃

建設(shè)集中式沼氣站，沼氣站原料為上圖中的生物質(zhì)投加量為980 t/d,投入回用中水5 000 t/d，使沼氣池的含固率在20%左右，產(chǎn)氣率高，產(chǎn)氣穩(wěn)定，沼氣鍋爐10%的熱量用于維持沼氣反應(yīng)35 ℃的中溫運(yùn)行條件，全年全候產(chǎn)氣，且波動小；便于集中管理，副產(chǎn)品沼渣年產(chǎn)20萬t可以作為農(nóng)用肥料直接回用大田、沼液182.5萬t作為葉肥，在果園菜地噴灑，林業(yè)灌溉，服務(wù)于綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)。生物質(zhì)集中沼氣站每公斤有機(jī)質(zhì)產(chǎn)沼氣0.7 m3，日產(chǎn)氣總?cè)莘e為20萬m3(7 439萬m3/a)，年消納秸稈35萬t(含固率89%～90%)，市政污泥3 650 t(含固率70%) 生活垃圾554.8 t(含固率70%)，居民和企業(yè)得到集中供氣，供熱，供冷。

建設(shè)生物質(zhì)沼氣站2個和沼氣鍋爐房2個，分別位于小鎮(zhèn)的東西兩側(cè)，每個沼氣站日產(chǎn)沼氣量20萬m3，配套低壓濕式儲氣柜，(6萬m3，60%產(chǎn)量存儲)2個，滿足小鎮(zhèn)，生產(chǎn)生活用氣、冬季采暖、夏季制冷需求。規(guī)劃采暖負(fù)荷采用高溫水作為供熱介質(zhì)，冬季供熱；采用夏季為企業(yè)、商服、管理機(jī)構(gòu)集中供冷。商服及居民用沼氣[4-5]。

圖3 生物質(zhì)資源能源循環(huán)系統(tǒng)

(2)小鎮(zhèn)光電微網(wǎng)規(guī)劃

戶級微網(wǎng)+村級光電微網(wǎng)，光伏發(fā)電就地使用，無需上網(wǎng)的分布式供電模式，這種光電清潔能源模式，降低了對電網(wǎng)的沖擊，與主體電網(wǎng)互為補(bǔ)充，調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰值，提高供電的可靠性。戶用級別經(jīng)過統(tǒng)計后選擇10 KW·h作為標(biāo)準(zhǔn)選型。村用級別選擇1 MW·h太陽能基本陣列組作為選型。太陽能電池板選擇多晶硅材料，蓄電池選擇鉛酸蓄電池[3]。

圖4 太陽能光電微網(wǎng)系統(tǒng)圖

3 林家村高端裝備特色小鎮(zhèn)規(guī)劃評價

規(guī)劃后林家村充分發(fā)揮了當(dāng)?shù)氐馁Y源優(yōu)勢，并對可再生能源進(jìn)行了合理配置，形成了生態(tài)循環(huán)型能源配置系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)省電能，SO2，NO2、SS減排。為構(gòu)建生態(tài)型特色小鎮(zhèn)打下良好能源基礎(chǔ)[10]。

(1)小鎮(zhèn)能源評價指標(biāo)如下：規(guī)劃后小鎮(zhèn)秸稈收集資源化率100%，可再生能源利用率：81.7%；年替代62.1萬t標(biāo)煤；年SO2減排10.56萬t、NOx減排18.63萬t。

(2)規(guī)劃后小鎮(zhèn)生態(tài)指標(biāo)：規(guī)劃后生物質(zhì)沼氣后形成固體肥料20萬t/a,回用大田，沼液182.5萬t/a,用于葉菜及林業(yè)灌溉用肥，極大的替代化肥，為綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)提供保障。

(3)規(guī)劃后小鎮(zhèn)的環(huán)境指標(biāo)：規(guī)劃后小鎮(zhèn)污水處置率100%，回用率100%，生活垃圾處置率100%，資源化率40%。

4 結(jié)論

(1)本文通過對林家村高端裝備小鎮(zhèn)資源評估，表明該地區(qū)生物質(zhì)資源、太陽能資源豐富可以作為可再生能源構(gòu)建生態(tài)循環(huán)型可再生能源系統(tǒng)；

(2)對于生物質(zhì)資源采用沼氣化能源利用模式，沼渣、沼液還田，形成資源循環(huán)模型；

(3)對于太陽能資源采用光電微網(wǎng)能源利用模式，形成非上網(wǎng)，光電自給；

(4)規(guī)劃后小鎮(zhèn)可再生能源的占比大于80%，節(jié)省電能大于80%，污染物減排量大幅減低，形成了能源生態(tài)化，清潔環(huán)境化。