关于绿色生态城区能源规划的探索

作者；张毅

   为探索可持续发展的城镇化道路，我国先后在天津、上海、深圳、青岛、无锡等地开展了生态城区规划建设，并启动了一批绿色建筑示范工程。而目前我国在绿色生态城区规划体系中对能源规划编制的深度和方法等方面的相关规定较少，目前尚无统一认可的标准和模式。本文提出绿色生态城区区域能源专项规划意义、原则、特点、规划内容；然后通过实际工程具体阐述绿色生态城区区域能源规划及专项能源规划。

1我国绿色生态城区及相关能源规划发展现状

  2012年4月27日，财政部与住房和城乡建设部联合下发的《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见（财建[ 2012] 167号）》倡导积极推进发展绿色生态城区，文献[3]中对绿色生态城区的表述可以理解为绿色建筑规模化应用的一个空间载体对象。在《绿色生态城区评价标准（征求意见稿）稿》中对绿色生态城区进行了明确定义：“在空间布局、基础设施、建筑、交通、产业配套等方面，按照资源节约环境友好的要求进行规划、建设、运营的城市开发区、功能区、新城区等”。

  2013年3月住房和城乡建设部发布《“十二五”绿色建筑和绿色生态城区发展规划》，提出“十二五”期间全国各城区在自愿申请的基础上，确定100个左右按照绿色生态城区的标准因地制宜进行规划建设不小于1.5平方公里的城市新区。《“十二五”绿色建筑和绿色生态城区发展规划》明确要求，要完善技术标准体系，从城市总体规划出发，逐步建立和完善适应绿色生态城区规划和建设、运行、监管的体制机制和政策制度以及评价体系，加快制定适合不同气候区、不同建筑类型的绿色建筑评价标准，将生态城区建设落到实处。

  在国家政策扶持下，绿色生态城区快速发展，截至2013年住建部首批8个国家绿色生态示范城区，包括唐山湾生态城、天津中新生态城、无锡市太湖新城、重庆市悦来绿色生态城区、贵阳市中天未来方舟生态新区、长沙市梅溪湖新城、昆明市呈贡新区、深圳市光明新区。多数示范城区分布在沿海地区与经济发达省份。

  我国各地正如火如荼地大力开展绿色生态城区，已成为世界上绿色生态城区建设数量最多、建设规模最大、发展速度最快的国家之一。

  以土地使用功能规划为主导的城市规划体系中涉及能源的主要为供热规划、燃气规划、电力规划。但是，目前我国城市规划系统中存在两个方面的问题：一是城市规划体系中尚无建筑能源专项规划，而现有规划体系尚不能解决建筑群中的能源系统问题；另一方面3个专项规划之间缺乏互相协调，电、气各自为政。

  随着区域能源发展，有些总体规划开始考虑能源问题，但是由于标准规范中缺少对区域能源规划的明确规定和具体要求，能源规划思路、方法百花齐放，因此为了使能源规划的相关内容融入到总体规划编制中，使规划者认识影响能源的规划设计方法及各个层面应考虑的能源问题，本文结合区域能源规划意义、原则、特点，提出了绿色生态城区区域能源专项规划规划内容和具体方法。

2  绿色生态城区能源规划

2.1  规划意义

  面对日益严峻的环境和资源问题，绿色生态城区专项能源规划和设计能够实现区域内能源结构的合理匹配、能源的高效应用以及能源的优化管理，打造能源综合利用度高的低碳、绿色生态城区，实现节能减排、经济效益以及环境效益。

2.2规划原则

  绿色生态城区能源规划要遵循协调发展，因地制宜，优化结构，技术创新的原则，要与当前国家构建社会主义和谐社会、建设资源节约型、环境友好型社会的总体战略部署相一致，与整个园区建设的理念相一致，与当地经济发展水平相适应，与当地的地理位置和自然资源相适应，促进能源应用事业走资源节约型、环境友好型的发展道路。总体原则可概括为节能、集约、绿色、科技、低碳。

2.3规划特点

  区域能源在建筑物负荷特点、用能方式、系统形式、能源结构形式、边界范围、运行管理等各个方面都区别于传统的单体建筑和小区建筑，具有以下特点：

  1)建筑类型多、负荷特点复杂。需要根据区域内建筑类型与特点动态分析各种负荷特征，兼顾能源供应、消耗以及存储，达到相应的平衡。

  2)能源种类多，能源品位高。需要综合考虑和兼顾区域内的各种资源和能源数量和品位的情形，综合利用，梯级利用。

  3)可利用能源形式多。需要兼顾常规能源与可再生能源、工业余废热等能源形式的协调利用。

  4)室外管网复杂。需要结合区域地块特点进行合理的能源站选址和管网路由选择。

  5)投资规模大。需要结合能源形式、价格以及设备和建设的初投资选取高效的用能设备，构建合理的能源利用方式。

  6)运行模式复杂。需要根据项目特点为能源投资方提供合理的运行模式和服务收费，实现较好的投资回报。

  因此，区域能源需要有经验的专业团队结合项目特点进行专业化的分析，进行区域内能源规划和专项方案设计。

2.4规划内容

在深入了解绿色生态城区规划建设基本情况以及气候资源条件的基础上，通过对终端能耗动态预测和分析、区域能源形式调研和分析、能源方案深化、能源方案设计完成区域能源规划及专项能源规划，具体技术路线如图1所示。

2.4.1  终端能耗动态预测和分析

能耗需求分析预测是区域能源规划的先决条件，只有在充分掌握区域内全年的各类负荷需求，才能为能源规划和方案提供基础数据。能耗需求预测对象和内容见表1。

  能耗需求预测分析可以采用标准规定、能耗统计和模拟计算相结合的方法，对分类、分项和分级的能耗进行预测和分析。同时，还应考虑生态城的总体节能目标和碳排放目标。能耗需求预测基础数据主要来源于以下6个方面：

  1)总体规划和各专项规划的基础数据；

  2)正式出版的国家和地方节能设计标准、技术措施、技术手册中的数据；

  3)类似地区、城市的能耗统计和调研数据；

  4)模拟计算数据；

  5)国外相关能耗统计指标；

  6)区域指标体系和实施模式，以及绿色建筑相关标准。

2.4.2  区域能源形式调研和分析

可利用的能源种类较多，如表2所示，通过调研了解区域内可利用能源种类及形式，根据区域内建筑类型与特点动态分析各种负荷特征，综合考虑和兼顾区域内的各种资源和能源数量和品位，分析确定若干能源利用方案，然后通过节能指标、经济指标、环境指标、其它指标等对若干能源利用方案比选，最后确定高效节能、经济合理、绿色生态的能源利用方案，实现能源协调利用、梯级利用、综合利用。

2.4.3  能源方案深化

  能源方案深化主要针对已经选定的能源利用方案进行详细、深入的设计，大致包括以下4个内容：

  1)市政级能源站方案、概念步骤图、选址以及主要设备选型；

  2)能源方案落实到逐个地块，甚至细胞；

  3)大型能源管线的路由、管径以及补偿方式；

  4)方案初投资、建设方式、效益以及盈利模式分析。

2.4.4  能源方案设计

  能源方案确定之后，最后将已经确定的能源规划理念反映在图纸上，完成区域能源前期工作。

3  绿色生态城区能源规划案例

  应用上述规划方法，顺应绿色生态城发展的热潮，笔者所在团队近年来先后开展了天津中新生态城、上海虹桥商务区、唐山海港开发区、北京北苑家园、三河热电厂、曹妃甸科教城、临沂北部新城、资兴北部新城、北京未来科技城等区域能源规划和设计。以天津中新生态城实际工程为例，详细阐述绿色生态城能源规划方法。

中新生态城是中国、新加坡两国政府战略性合作项目，坐落于天津滨海新区，规划占地面积34.2平方公里，总建筑面积约2 450万m2，规划居住人口35万，如图3所示。该项目充分利用土壤源热泵、地热热泵、污水源热泵、生物质能、风力发电、太阳能光热等先进可再生能源技术，彰显“资源节约、环境友好、经济蓬勃、社会和谐”的新型城市形式，为中国其他同类地区提供借鉴和参考。

  中新生态城能源规划首先对2020年终端能耗进行预测和分析，并按用途、类型等分析各项能耗需求；然后分析生态城能源供应系统，对可利用的能源资源量实施优劣评估；最后从能源类型、数量、输送方式等对能源的需求和供应进行合理匹配，实现能源高效利用。

3.1  终端能耗动态预测和分析

  根据表1终端能耗需求预测的内容对居住建筑、公共建筑、交通用能、市政用能、产业用能分别进行预测。其中用电能耗、燃气能耗、生活热水能耗由于其复杂、难模拟，其预测基础数据主要来源于中国建筑科学研究院典型建筑能耗监测平台；交通、市政用能预测基础数据主要来源于生态城总体规划和数据建模。

根据以上条件，天津中新生态城2020年不同用能类型终端总能耗汇总如表3所示。

3.2  区域能源分项专项能源规划

  针对中新生态城内可利用能源进行调研发现，生态城内已经开发建设土壤源热泵、污水厂、风力发电厂，远期规划建设一座污水厂、风力发电厂、二座生物天然气工程。因此在已建、规划建设的基础上，充分利用生态城内丰富的地热资源、污水资源、生物质资源、风力资源和太阳能光热资源。

  对于常规热力、电力、燃气等能源利用方式，一般在生态城总体规划中已涉及，针对生态城总体规划中暂无的可再生能源及专项能源进行规划。中新生态城可再生能源利用率目标为20%，预计到2020年，生态城能耗在目前水平上增涨10%，以此数据作为测算可再生能源利用率的基数。

3.2.1  热泵专项能源规划

3.2.1.1  浅层地热

  中新生态城内为第四系松散沉积层，岩性以黏土与细粉砂层为主。地下恒温带的温度约为13.5cC~16.3℃。从生态城浅层地热能存量上，可承担全部供暖空调负荷。但具体到各地块细胞的可用规模，则依赖于负荷匹配和建筑密度。中新生态城新建的土壤源热泵总应用面积为517. 14万m2，加上已经建设的47. 25万m2，土壤源热泵应用规模为564. 39万m2。

3.2.1.2地热热泵

  中新生态城地质构造发育较好的热储层主要有3组：新近系明化镇组( Nm)、馆陶组(Ng)、古近系东营组(Ed)。据了解，生态城内规划年限内，可供开发的地热井有动漫园馆陶组、起步区东营组。利用地热热泵供冷供热的居住建筑应用面积31. 62万m2，公共建筑15. 23万m2，共计46. 85万m2。

3.2.1.3  污水源热泵

  中新生态城内建有一座10万吨／日的营城污水处理厂，远期扩建到15万吨／日。城市污水温度冬季在13℃左右，夏季在20~ 25℃左右，是非常理想的冷热源。生态城污水如果全部供应住宅采暖，可以供应约194万m2的建筑。如仅提供基础负荷，则规模尚可大幅提高。利用污水源热泵供热供冷的居住建筑105. 02万m2，公共建筑60. 32万m2，共计165. 34万m2。

3.2.2  生物质能专项能源规划

  2013年中新生态城在清静湖污水处理厂附近，投资240万元，建设一座污泥厌氧消化制备生物燃气中试示范工程，日处理污泥6吨，年产生物燃气8.4万立方米，实现净生物质能源年产量51.2吨标准煤，生物质能源占生态城总能耗的0. 01%。

  到2020年，将在生态城北部投资5 200万元，建设一座有机废弃物制备车用生物天然气工程，日处理餐饮垃圾、厨余垃圾和污泥等生态城有机废弃物120.1吨，年产车用生物天然气288万立方米，实现净生物质能源年产量3 577.0吨标准煤，生物质能源占生态城总能耗的0. 9%。

3.2.3  风力发电专项能源规划

  中新生态城已开发风力发电项目装机容量4.5MW，年发电量为522.5万kW．h，2020年风量发电可再生能源利用率为0. 162%。除此之外，将在永定洲场区规划建设大型风电机组建设区，总装机容量为3 MW，预计年发电量为400万kW．h，2020年风量发电可再生能源利用率为0. 12%。加上已建成的风力发电厂，风力发电总的可再生能源利用率为0. 282%。

3.2.4  太阳能热利用专项能源规划

3.2.4.1  太阳能热利用一热水系统

  太阳能热水系统在替代生活热水能耗方面效益显著，技术成熟，投资回收期较短，太阳能保证率高。中新生态城在居住建筑、小学托幼学校建筑等全面开展太阳能热水系统的应用，太阳能保证率提高到80%，到2020年，太阳能热水系统规划安装集热器总面积372 903 m2，每年供给用户有用热量688.4TJ，即19.1万MW．h，替代终端能耗比例达到5. 92%。

3.2.4.2太阳能热利用一供暖空调系统

  由于产业建筑热水需求较少，屋面面积充裕，因此在中新生态城北部产业园产业建筑屋面规划安装集中太阳能供热采暖空调系统，利用市政热力进行辅助供热、供冷，打造北部太阳能供热采暖空调系统综合利用示范园区。除此之外，中新生态城5所中学规划采用太阳能供热采暖系统，设置季节蓄热水池。到2020年，太阳能供热采暖空调系统规划安装集热器总面积230 376 m2，每年提供有用热量425.3TJ，即11.8万MW．h，替代终端能耗比例达到3. 66%。

  综合考虑太阳能热利用热水系统和采暖空调系统，到2020年，中新生态城规划安装集热器总面积604 060 m2，每年供给用户有用热量1   115.1 TJ，即30. 98万MW．h，替代终端能耗比例达到9.59 %。

3.2.5  太阳能光伏专项能源规划

  中新生态城太阳能光伏开发利用方式为地面光伏系统、建筑光伏系统、光伏照明、车站顶棚光伏系统，开发容量分别为18. 574 MW、23. 998  MW、0.1MW、0.1 MW、42. 772 MW，光伏发电系统总计装机容量42.772 MW。首年发电量约为5 332万kWh，25年运行期年平均发电量为4 820万kW．h，总发电量约为120 497万kW-h。

3.3分项专项能源规划总结

中新生态城各类可再生能源利用情况汇总如表4，可再生能源均落实到各地块或项目，如图4。由表4可以看出，中新生态城可再生能源利用率为20.  17%，能够实现中新生态城可再生能源利用率20%的目标。

4  结论

本文通过对区域能源规划意义、原则、特点、规划内容详细论述，提出了一套相对科学、合理、实践性强的区域能源规划及专项能源规划方法，能够为实现“资源节约型、环境友好型”的绿色生态城区的能源规划提供借鉴与参考。

5[摘要]本文针对绿色生态城区规划体系中区域能源规划及专项能源规划尚无统一规划方法的现状，提出绿色生态城区区域能源专项规划意义、原则、特点、规划内容；然后通过实际工程具体阐述区域能源规划及专项能源规划方法，为实现“资源节约型、环境友好型”的绿色生态城区的能源规划提供借鉴与参考。