摘要：在“碳中和”“碳達(dá)峰”重要目標(biāo)的指導(dǎo)下，本文圍繞綠色建筑理念，從公路服務(wù)區(qū)規(guī)劃設(shè)計的視角出發(fā)，分析具有理論實踐意義的研究方向，并分別從我國能源形勢與政策、低碳服務(wù)區(qū)建設(shè)原則、低碳能源在服務(wù)區(qū)建設(shè)能效三個方向歸納總結(jié)可利用的理念與技術(shù)手段，注重服務(wù)區(qū)與其他領(lǐng)域技術(shù)的創(chuàng)新與融合，從建設(shè)規(guī)劃階段減少服務(wù)區(qū)的碳排放量，從而助力實現(xiàn)高速公路綠色服務(wù)區(qū)的建設(shè)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：低碳服務(wù)區(qū)；服務(wù)區(qū)建設(shè)；可再生能源利用

中圖分類號：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-6478（2023）01-0110-04

Analysis of Energy Efficiency Management in the Construction Planning of Expressway

\"Low Carbon\" Service Area

LIU Hao ZHANG Gaofeng ZHOU Shuai WEI Kun LIU Pengmin GU Guangjin LI Na

（1.Henan Province Yuji Expressway Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 456500，China；2.Henan Province Highway Engineering Bureau Group Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450052，China）

Abstract：Under the guidance of the important goals of \"carbon neutrality\" and \"carbon peak\"，this paper focuses on the concept of green buildings，analyzes the research directions with theoretical and practical significance from the perspective of highway service area planning and designing，and summarizes the available concepts and technical means from the three directions of China's energy situation and policies，low-carbon service area construction principles，and low-carbon energy efficiency in service area construction. Focusing on the innovation and integration of technologies in the service area and other fields，this paper aims to minimize the carbon emissions in the service area from the construction planning stage，so as to help achieve the construction goal of expressway green service area.

Key words：low carbon service area；service area construction；renewable energy utilization

0 引言

化石能源綠色轉(zhuǎn)型是當(dāng)今世界能源的發(fā)展趨勢。綠色能源轉(zhuǎn)型包含兩方面，即供給側(cè)與需求側(cè)能源的綠色化。供給側(cè)能源綠色化指開發(fā)太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕鍧嵞茉刺娲鷤鹘y(tǒng)化石能源作為電能生產(chǎn)方式；需求側(cè)能源綠色化指構(gòu)建清潔能源消費方式，例如汽車行業(yè)的電動化與燃料綠色化，實現(xiàn)綠色能源的高效利用。世界能源轉(zhuǎn)型在大力發(fā)展，各國的能源戰(zhàn)略均在調(diào)整。歐洲倡導(dǎo)大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，提出2050年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，預(yù)計到2050年，太陽能發(fā)電及風(fēng)電將占?xì)W盟終端能源需求的50%。美國推動能源系統(tǒng)清潔化，以“能源獨立”為前提，計劃到2050年前達(dá)到“凈零排放”?；谔歼_(dá)峰、碳中和目標(biāo)，我國與電力有關(guān)的行業(yè)，包括交通運輸、交通設(shè)施等都需要做出相應(yīng)的改變[1]。

隨著綠色交通理念的發(fā)展，服務(wù)區(qū)的舒適性和綠色水平受到大眾關(guān)注，低碳公路服務(wù)區(qū)的建設(shè)規(guī)劃成為研究熱點。低碳公路服務(wù)通常是指在規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營和管理的整個生命周期內(nèi)整合各種措施的服務(wù)，兩大主要目標(biāo)分別為節(jié)能減排保護(hù)環(huán)境和提供安全舒適的休憩環(huán)境。

近年來，為落實綠色建設(shè)要求，高速公路服務(wù)區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)需要滿足更高的低碳要求。 一些公路服務(wù)區(qū)已開始采用不同的節(jié)能技術(shù)，嘗試在中國建立低碳服務(wù)區(qū)。目前高速公路服務(wù)區(qū)基于節(jié)能、節(jié)電、節(jié)材等方面開展理論研究和創(chuàng)建技術(shù)示范點，主題圍繞生態(tài)、環(huán)保、低碳。然而，這些研究大多集中于單一方向的應(yīng)用技術(shù)，缺乏系統(tǒng)性的體系研究，具有一定的局限性。另外，在新能源利用方面，我國服務(wù)區(qū)新能源發(fā)電站鳳毛麟角，應(yīng)用水平有限，因此在建設(shè)過程中還需參考其他行業(yè)的能源轉(zhuǎn)型建設(shè)[2]。

基于上述研究背景，本研究將高速公路服務(wù)區(qū)低碳建設(shè)的實際需求及新能源開發(fā)進(jìn)行融合，從我國新能源形式與政策、低碳服務(wù)區(qū)的建設(shè)原則、清潔能源在低碳服務(wù)區(qū)的利用等方面探討能效管理，構(gòu)建綠色低碳的高速公路服務(wù)區(qū)。

1 我國能源形勢與政策

在可再生能源領(lǐng)域，中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相較于其他新能源遙遙領(lǐng)先。我國光伏產(chǎn)業(yè)于1958年開始萌芽，于20世紀(jì)80年代開始大規(guī)模生產(chǎn)。2000年至今，在世界可再生能源發(fā)展浪潮的有利契機(jī)下，光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)與規(guī)模迅速發(fā)展[3]。

中國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。我國頒布《可再生能源法》后，由于政策的大力補(bǔ)貼，國內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域的企業(yè)如雨后春筍。時至今日，中國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)與部件設(shè)計制造方面已經(jīng)實現(xiàn)了由千瓦向兆瓦級的跨越，國產(chǎn)化率已經(jīng)達(dá)到了85%。在2017年，中國風(fēng)力發(fā)電新增19.7吉瓦，總裝機(jī)容量188.4吉瓦，增量與存量均位居世界第一[4]。

中國其他可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也均位于世界前列。在水力發(fā)電領(lǐng)域，中國2017年新增7.3吉瓦，總?cè)萘窟_(dá)到了312.7吉瓦。目前，我國水電總裝機(jī)容量占世界總量的28%，排名第一。在生物燃料領(lǐng)域，我國在世界名列前茅。中國2020年在工業(yè)領(lǐng)域消耗了3 000萬噸生物燃料，在減少煤炭消耗的同時節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境。另外，生物燃料還緩解了天然氣短缺的困境，能及時為北方供暖[5]。

如今，“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)為我國低碳轉(zhuǎn)型的發(fā)電領(lǐng)域指明了方向和路徑。在全球能源電力行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的背景下，一大重要措施是構(gòu)建綠色能源創(chuàng)新型電力系統(tǒng)。發(fā)電領(lǐng)域向低碳化、清潔化、智能化、電氣化、市場化、國際化發(fā)展成為必然趨勢。由于風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)展時間較長，所以也最為成熟、經(jīng)濟(jì)性最好，未來在繼續(xù)發(fā)展風(fēng)電、光電的同時，大力開發(fā)其他可再生能源，致力于增量主體到存量主力的轉(zhuǎn)變[6]。

具體的政策主要圍繞“投入與收益、開發(fā)與保護(hù)、時間與空間”3對關(guān)系，關(guān)注“開放能源體系、自洽能源系統(tǒng)、綠色能源開發(fā)、高效能源利用”4項場景，坐實“源網(wǎng)荷儲統(tǒng)籌、綠電應(yīng)用降碳、產(chǎn)業(yè)開發(fā)增利、推進(jìn)模式創(chuàng)新、協(xié)調(diào)機(jī)制順暢”5項任務(wù)系統(tǒng)推進(jìn)新能源融合發(fā)展。通過構(gòu)建“油-氫-光-儲-充-換”一體化的高速服務(wù)區(qū)綜合能源系統(tǒng)，積極探索保障公路交通運轉(zhuǎn)的多能源系統(tǒng)研究及交通運輸場景下多態(tài)能源間變換與控制的關(guān)鍵技術(shù)研究，進(jìn)一步助力低碳服務(wù)區(qū)快速發(fā)展?？焖俳ㄔO(shè)低碳新能源服務(wù)區(qū)，實現(xiàn)能源能效“雙贏”目標(biāo)。

2 低碳服務(wù)區(qū)建設(shè)原則

高速公路服務(wù)區(qū)位置的封閉性與獨立性對服務(wù)區(qū)的建設(shè)規(guī)劃與維護(hù)運營至關(guān)重要，因此選址時應(yīng)充分考慮地質(zhì)地形和大氣環(huán)境等因素。例如，將低碳服務(wù)區(qū)選址在地勢平坦且對環(huán)境危害最小的區(qū)域。將綠色、循環(huán)、低碳理念深度貫穿于高速公路服務(wù)區(qū)設(shè)計建造的全過程。通過生態(tài)設(shè)計、循環(huán)利用、工程綠化、能源替代等措施，節(jié)約資源、減少排放，打造零碳服務(wù)區(qū)、低碳高速公路，致力于多方位、多層次、多路徑落實交通運輸行業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)，努力實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)、全鏈條的綠色發(fā)展[7]。

在服務(wù)區(qū)建設(shè)過程中，應(yīng)滿足安全和發(fā)電效率的雙重要求；研發(fā)服務(wù)區(qū)能源智慧管控系統(tǒng)，實現(xiàn)碳排放追蹤、能源管控、設(shè)備管理和智慧決策；研發(fā)服務(wù)區(qū)污水應(yīng)急處理系統(tǒng)，解決了處理后水質(zhì)不穩(wěn)定等難題。在推動“低碳服務(wù)區(qū)”建設(shè)過程中，堅持“生態(tài)設(shè)計、循環(huán)利用、工程綠化、能源替代”的思路，按照可行性、經(jīng)濟(jì)性原則開展論證，確定實施“可再生能源利用、零碳智慧管控、污廢資源化處理、林業(yè)碳匯提升”四大系統(tǒng)。

生態(tài)設(shè)計：服務(wù)區(qū)建設(shè)中應(yīng)將高速公路低碳服務(wù)區(qū)選址在地勢平坦且對環(huán)境危害最小的區(qū)域。以提高土地使用率和合理規(guī)劃功能布局為目的，使服務(wù)區(qū)場地內(nèi)流線順暢、每一項配套設(shè)施都能充分發(fā)揮其功能。同時還須最小化服務(wù)區(qū)周邊環(huán)境的破壞。

循環(huán)利用：在低碳服務(wù)區(qū)的建設(shè)中進(jìn)行海綿服務(wù)區(qū)專項設(shè)計，使用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種技術(shù)措施，靈活地將服務(wù)區(qū)雨水綜合利用、生態(tài)保護(hù)相結(jié)合，使服務(wù)區(qū)實現(xiàn)徑流污染控制、峰值控制、總量控制等目標(biāo)[8]。

工程綠化：綠色結(jié)構(gòu)和綠化設(shè)計對服務(wù)區(qū)的舒適度有很大影響。比如，花卉和綠植等景觀植物適合在休閑區(qū)種植，賞心悅目的同時提升休閑區(qū)的舒適性。而樹冠面積較大的高大樹種則適合在停車區(qū)種植，不僅能形成碳匯，而且具有遮陰防風(fēng)的功能。合理配置植物物種，確保植物多樣性的同時盡量保持原有的生態(tài)系統(tǒng)，使實用與美觀二者兼得。

能源替代：依托高速公路服務(wù)區(qū)合理建設(shè)光伏、儲能、充換電站、加氫站等，為服務(wù)區(qū)提供綠色低碳的能源供應(yīng)。逐步淘汰燃煤等高能耗、高污染發(fā)電方式，為低碳轉(zhuǎn)型提供支撐。

3 低碳能源在服務(wù)區(qū)建設(shè)規(guī)劃中的能效分析

影響服務(wù)區(qū)發(fā)電能效的主要因素有很多，包括服務(wù)區(qū)面積、服務(wù)質(zhì)量、設(shè)施種類、檢修站數(shù)量、加油站數(shù)量、服務(wù)區(qū)供配電系統(tǒng)設(shè)備、供電方式、服務(wù)區(qū)建筑物材質(zhì)、服務(wù)區(qū)供暖供熱系統(tǒng)、污水與垃圾處理方式等[9]。

為實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，風(fēng)、光、水力、地?zé)岬瓤稍偕茉丛谖磥砟茉词袌稣急葘铀偬嵘沟媚茉唇Y(jié)構(gòu)做出調(diào)整，實現(xiàn)綠色化轉(zhuǎn)型。例如，光伏發(fā)電使得白天光照產(chǎn)生的電能滿足夜晚的照明；利用風(fēng)能發(fā)電持續(xù)不斷地向各項用電設(shè)施供電；利用地?zé)崮芟蚴覂?nèi)供暖或制冷等。服務(wù)區(qū)的地理氣候條件為選擇依據(jù)，在太陽能光電、風(fēng)能發(fā)電、水力發(fā)電、地源熱泵等綠色能源開發(fā)利用技術(shù)中選擇能效較高的發(fā)電方式。

3.1 太陽能光伏發(fā)電能效

高速公路服務(wù)區(qū)的封閉性和獨立性決定了其對資源和環(huán)境的依賴性和壓力。太陽能作為一種可再生清潔能源，不僅可以減少能源消耗，提高能源效率，還可以減少空氣污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。太陽能光電技術(shù)基于光電效應(yīng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。太陽能光伏系統(tǒng)具有使用壽命長、占用空間小、無水發(fā)電以及無污染排放等優(yōu)點，非常適合公路服務(wù)區(qū)。

目前的光伏系統(tǒng)大部分采用光電市電互補(bǔ)的設(shè)計模式，其中光伏發(fā)電為主力，市電為輔助電力，當(dāng)蓄電池電量不足時，啟動市電供電模式。這種光電市電結(jié)合的方式不僅能減少輸電時的能源損耗，還能減少服務(wù)區(qū)發(fā)電高能耗問題，目前的低碳服務(wù)區(qū)多采用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)[10]。

3.2 風(fēng)能發(fā)電能效

風(fēng)能是空氣流做功所產(chǎn)生的能量，屬于可再生能源。風(fēng)能發(fā)電的原理是風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為風(fēng)車旋轉(zhuǎn)的動能，從而產(chǎn)生電力。風(fēng)能設(shè)施結(jié)構(gòu)不立體化，這樣的設(shè)計可保護(hù)陸地和生態(tài)，同時能大幅降低電網(wǎng)生產(chǎn)成本。陸地上的風(fēng)能儲量為2.53×108 kW，換句話說，如果按等效滿負(fù)荷2 000 h計算，陸地上儲存的風(fēng)能每年發(fā)電可提供的電量約為5×1011 kW。全國平均風(fēng)能密度為100 W/m2，我國三北地區(qū)、沿海地區(qū)風(fēng)能資源比陸地更豐富，適合在其高速公路服務(wù)區(qū)建立高能效風(fēng)力發(fā)電設(shè)施[11]。

3.3 水力發(fā)電能效

我國水電技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈在過去十年里全面提升。水電設(shè)備產(chǎn)業(yè)形成了設(shè)計、制造、安裝、運行維護(hù)等一體化的體系設(shè)備，并且在水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計制造方面處于國際先進(jìn)水平，然而在沖擊式水輪機(jī)技術(shù)方面，國內(nèi)還缺乏相關(guān)經(jīng)驗。目前我國高速公路服務(wù)區(qū)在新能源轉(zhuǎn)型方面對水力發(fā)電的開發(fā)力度不足，很大程度是因為服務(wù)區(qū)的特殊地理環(huán)境使得周圍水源不足，無法靠水力進(jìn)行發(fā)電，因此水力發(fā)電在服務(wù)區(qū)的能效極低。

3.4 氫能發(fā)電能效

為了推動氫能在多領(lǐng)域多渠道的應(yīng)用，科技部開發(fā)了氫能綜合應(yīng)用新模式。具體來說，通過氫能高速、氫能園區(qū)、氫能服務(wù)區(qū)建設(shè)，開發(fā)可推廣的氫能綜合應(yīng)用示范工程；該示范工程在圍繞四城的高速公路建設(shè)了氫能服務(wù)區(qū)，并且啟動了燃料電池?zé)犭娐?lián)動，在該服務(wù)區(qū)建立了13個氫氣加注站，創(chuàng)新性地解決了燃料電池車加氫問題。我國首次將碳中和理念引入高速公路服務(wù)區(qū)，以可再生能源利用為起點，整合可再生能源現(xiàn)場制氫、高壓儲氫、燃料電池?zé)犭娐?lián)供、綜合節(jié)能、碳補(bǔ)償機(jī)制、差異化能源價格等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策多維度手段，探索建立零碳服務(wù)區(qū)的實施路徑。

針對高速公路高能耗問題，目前主要研究氫能零碳服務(wù)區(qū)規(guī)劃與設(shè)計的實施路徑，通過制定氫能與高速的融合策略，形成氫能零碳服務(wù)區(qū)整體規(guī)劃及建設(shè)方案。建設(shè)方案包括氫能高速氫氣輸配調(diào)度、氫氣加注、安全應(yīng)用、車輛維保等技術(shù)集成，同時建立氫能高速智能化監(jiān)測及運維體系?？稍偕茉船F(xiàn)場制氫、高壓儲氫、燃料電池?zé)犭娐?lián)供、綜合節(jié)能等關(guān)鍵技術(shù)集成，建立以氫氣儲能為核心的零碳服務(wù)區(qū)是目前建設(shè)低碳服務(wù)區(qū)的主要研究方向之一。

3.5 地?zé)崮馨l(fā)電能效

地?zé)崮馨l(fā)電分為水熱型發(fā)電和干熱巖型發(fā)電。其中，水熱型地?zé)岚l(fā)電技術(shù)較為成熟，現(xiàn)有技術(shù)包括地?zé)嵴魵鈹U(kuò)容發(fā)電技術(shù)，真正做到零能耗。未來需要攻克核心技術(shù)，加快地?zé)崮馨l(fā)電的體系建設(shè)，具體的核心技術(shù)包括地?zé)嵴羝啓C(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)備的智能化與自主化，建設(shè)水熱型地?zé)崾痉豆こ?。目前的研究重心在水熱型地?zé)岚l(fā)電，干熱巖型地?zé)岚l(fā)電方面的技術(shù)仍停留在實驗室階段，技術(shù)瓶頸主要是資源靶區(qū)定位和干熱巖儲層激發(fā)等技術(shù)，未來研究方向應(yīng)開發(fā)高效梯級地?zé)峋C合利用技術(shù)，將地?zé)崮苊恳粚佣汲浞掷谩?/p>

豐富的地?zé)豳Y源，地質(zhì)資料一般大量存在于油氣盆地中，由于可利用廢棄井?dāng)?shù)量大，非常適合在該區(qū)域的高速公路服務(wù)區(qū)建立地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，降低產(chǎn)能與用能過程中的碳排放，打造節(jié)能減排的綠色低碳服務(wù)區(qū)。目前我國低碳服務(wù)區(qū)地?zé)崮艿膽?yīng)用僅限于夏季空調(diào)制冷和冬季供暖，能效較低，未來應(yīng)向地?zé)崮馨l(fā)電供全服務(wù)區(qū)使用的方向發(fā)展。

4 提高低碳服務(wù)區(qū)能效的建議

對于未來新能源在低碳服務(wù)區(qū)的高能效廣泛應(yīng)用，本文提供以下幾點建議：

首先，應(yīng)加強(qiáng)頂層規(guī)劃設(shè)計，現(xiàn)階段，統(tǒng)籌部署發(fā)展任務(wù)，科學(xué)謀劃建設(shè)布局，合理制定實施方案，定時開展監(jiān)測評估，明確“雙碳”中長期發(fā)展目標(biāo)，建立規(guī)劃動態(tài)調(diào)整機(jī)制。

其次，將服務(wù)區(qū)與新能源深度融合，開展綠色能源發(fā)電、儲能、充電一體化智能網(wǎng)聯(lián)項目，打造分布式光伏工程試點示范，實行智能微電網(wǎng)試點，推動智慧化能源能效監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。

最后，明確發(fā)改、工信、能源等相關(guān)部門管理職責(zé)，協(xié)調(diào)各個部門，制定建、管、養(yǎng)、運的一體化政策。建設(shè)時充分考慮選址與新能源的適配性，滿足電網(wǎng)政策和運行管理要求，使得能效最大化，規(guī)范建設(shè)施工、管理養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系，建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與科技創(chuàng)新聯(lián)動機(jī)制，鼓勵可實施性強(qiáng)的創(chuàng)新成果及時投入使用[12]。

5 結(jié)語

高速公路在獲得跨越式發(fā)展的同時，其服務(wù)區(qū)的建設(shè)規(guī)劃也面臨著更加嚴(yán)格的要求。在低碳服務(wù)區(qū)建設(shè)過程中，保持高能效的同時避免浪費，保障用能供應(yīng)穩(wěn)定的前提下兼濟(jì)其他途徑消納。

在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)逐漸成為首要發(fā)展需求的情境下，低碳、零碳甚至是負(fù)碳成為我國能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型方向。在未來幾十年，以新能源為主的智慧能源體系將會成為能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的著力點，突出表現(xiàn)在風(fēng)電、光伏發(fā)電迅速發(fā)展成為我國能源主力軍。與此同時，水力與地?zé)崮苤饾u變?yōu)轭A(yù)備能源。另外，電網(wǎng)的發(fā)展也逐漸趨于智能化，在全面互濟(jì)下的電網(wǎng)儲能快速發(fā)展，同時也實現(xiàn)了電網(wǎng)的智能網(wǎng)聯(lián)進(jìn)一步發(fā)展。在能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，以碳捕獲等技術(shù)為核心的零碳、負(fù)碳技術(shù)也逐漸走上快車道，迎來良好發(fā)展前景。

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