謝中元，任銳煥

(1.上海同濟(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200080;2.國(guó)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(fù)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(fù)荷特性之間的聯(lián)系，容易造成棄光、棄風(fēng)、切負(fù)荷、利用率低等問(wèn)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(jìn)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(duì)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(fù)荷特性，立足本地多能互補(bǔ)，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(jìn)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。

1 新能源介紹

新能源主要包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿?。新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、不確定性等特點(diǎn)[3]，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，常和儲(chǔ)能電站統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)。

太陽(yáng)能發(fā)電包括光伏發(fā)電、光熱發(fā)電和太陽(yáng)能三聯(lián)供等。太陽(yáng)能發(fā)電潛力計(jì)算公式如下：

EPV=Q0ρAEληsun

(1)

式中EPV——太陽(yáng)能發(fā)電資源量，kJ；Q0——太陽(yáng)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(yáng)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(duì)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(duì)地?zé)豳Y源要求較高，主要運(yùn)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。

2 能源需求側(cè)供能分析

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(diǎn)，由于在規(guī)劃時(shí)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(wèn)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(fù)荷模擬軟件HDY-SMAD得到各類建筑全年及典型日逐時(shí)建筑能耗[5]如圖1至圖2所示。

圖1 典型工作日建筑逐時(shí)能耗

圖2 典型節(jié)假日建筑逐時(shí)能耗

建筑負(fù)荷主要包括建筑電氣(照明及日常電器)負(fù)荷、空調(diào)冷(熱)負(fù)荷、炊事負(fù)荷及生活熱水負(fù)荷。各類負(fù)荷優(yōu)先使用新能源供能方式，不足部分按照燃?xì)馊?lián)供、市電的順序進(jìn)行補(bǔ)充供能。

3 永久會(huì)址基本情況

同里新能源小鎮(zhèn)永久會(huì)址位于江蘇省蘇州市，規(guī)劃將其打造為國(guó)際能源變革論壇永久會(huì)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(lè)康體、文化設(shè)施6種。永久會(huì)址負(fù)荷情況如表1所示。

表1 永久會(huì)址負(fù)荷匯總表

永久會(huì)址年累計(jì)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(duì)較小，分別占4.6%和3.8%。

4 新能源優(yōu)化配置研究

4.1 供需平衡基礎(chǔ)模型

新能源系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)是保持系統(tǒng)中能量的供需平衡，即在運(yùn)行過(guò)程中時(shí)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(yáng)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?xì)馊?lián)供發(fā)電量，kWh；Ggrid——從電網(wǎng)所購(gòu)電量，kWh；Wsto——儲(chǔ)能電站充入或放出的電量，kWh；Sload——建筑負(fù)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(dú)立運(yùn)行時(shí)，即不從電網(wǎng)購(gòu)電時(shí)，Ggrid=0?？稍偕茉窗l(fā)電被完全消納時(shí)，Ddump=0，此時(shí)式(2)可簡(jiǎn)化為

Gsun+Gwind+Gbio+Ggeo+Ggas+Wsto=Sload

(3)

4.2 控制策略

清潔能源系統(tǒng)考慮峰谷電價(jià)，通過(guò)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

4.3 清潔能源配置優(yōu)化結(jié)果

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(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⑷細(xì)饧皟?chǔ)能相關(guān)能源工程的位置、規(guī)模、供應(yīng)能力等。永久會(huì)址區(qū)清潔能源工程優(yōu)化配置結(jié)果見(jiàn)表3至表5，新能源工程規(guī)劃見(jiàn)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(chǔ)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(jiàn)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?xì)馊?lián)供補(bǔ)充后，每年可盈余電量約3 105 t(標(biāo)準(zhǔn)煤)；空調(diào)年冷負(fù)荷總?cè)笨诩s787 t(標(biāo)準(zhǔn)煤)，年熱負(fù)荷總?cè)笨诩s427 t(標(biāo)準(zhǔn)煤)，缺口部分通過(guò)燃?xì)馊?lián)供補(bǔ)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(yáng)能戶用熱水器可滿足永久會(huì)址區(qū)域生活熱水負(fù)荷需求。土壤源熱泵年耗電量(1 624 t標(biāo)準(zhǔn)煤)與永久會(huì)址區(qū)域年盈余發(fā)電量(3 105 t標(biāo)準(zhǔn)煤)進(jìn)行平衡。由平衡結(jié)果可知，年發(fā)電量仍有盈余。燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)年耗氣量約3 791 t(標(biāo)準(zhǔn)煤)，燃?xì)庀牧颗c炊事用能一起平衡。

表6 永久會(huì)址區(qū)域用能平衡一覽表 t(標(biāo)準(zhǔn)煤)

5 結(jié)語(yǔ)

本文立足本地消納新能源，通過(guò)多能互補(bǔ)模式在滿足需求側(cè)用能要求的條件下對(duì)新能源工程進(jìn)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(bǔ)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(huì)址區(qū)域自供能比例可達(dá)到55.10%，其中太陽(yáng)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(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。

在城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)時(shí)，如同步進(jìn)行新能源工程規(guī)劃就需要政府和國(guó)家政策的大力支持，二者同步進(jìn)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(fù)荷現(xiàn)象的發(fā)生。