010.城区能源系统规划的案例应用及现有问题
城区能源系统规划的案例应用及现有问题
郑淑晶，张振国，陈吉升
摘要：首先以青岛市中德生态园先行启动区二期为例，介绍了城区能源系统规划在有效整合区域资源、降低终端用能负荷、能源系统配置共计三方面的具体应用。其次结合该案例，分析城区能源系统规划在具体规划项目实施过程中存在的四点问题，并提出相应的解决措施。最后阐明城区能源系统规划优越性显著，代表了未来城市能源基础设施规划的方向。
关键词：城区能源系统规划，城市能源基础设施专项规划，青岛中德生态园
城市能源基础设施专项规划主要包括电力、热力、燃气三个专项规划，以往上述规划以供应侧能源规划为指导，即需求侧单向影响供应侧，通过不断扩大供应侧的能力来满足日益增长的能源负荷需求，对需求侧毫无节制约束。而近几十年，能源危机、低碳城市、生态城市等概念的出现引起了人们对能源供给方式的深层思考，并对城市能源基础设施专项规划提出了新要求。本文以青岛市中德生态园先行启动区二期为例，介绍如何在城区能源系统规划的指导下编制能源基础设施专项规划。
1.城区能源系统简介
能源系统规划分为供应侧能源规划与需求侧能源规划。随着生活水平的提高能源需求与日俱增，并且科学技术水平的不断提升也促使能源供应技术日益多样化，能源系统规划也由原来的供应侧能源规划向需求侧能源规划转变。
城区能源系统规划即面向绿色能源的能源规划，是需求侧能源规划的一种。其主要内容包括有效整合城区内各种资源，降低终端用能负荷，以能源效率和经济效益最大化的原则配置能源系统，实现城区内能源资源的互联互通、多源供能、多级利用、多技术集成、多策略运行，以及多元化经营[1]。
2.青岛市中德生态园先行启动区二期简介
青岛中德生态园先行启动区二期位于胶州湾西岸，西海岸新区北部，环湾高速西南侧。规划总用地面积为1748.90公顷，其中城市建设用地为1683.09公顷。扩大研究范围为2118.04公顷（图1）。规划园区居住用地103.25公顷，规划居住人口规模约为5万人。
图1 中德生态园先行启动区二期控制性详细规划图
北部创新产业合作区：依托中韩创新合作，构筑引领西海岸新区产业跨越发展、高端产业集聚、产研融合发展的先行示范区。
中部生态休闲疗养区：依托老君塔山的山海景观优势，打造以休闲观光、度假疗养、高端会议等为主题的绿色休闲养生区。
南部贸易服务集聚区：引入韩国特性化医疗资源，协同双港联动与自贸区建设，打造中韩贸易服务关联功能汇集区。
3.青岛市中德生态园能源系统规划
3.1 中德生态园能源系统体系结构
中德生态园能源系统规划共分为四个主要部分，一是区域能源发展指导，主要是提出规划区域的能源发展理念，并对区域内的能源资源条件与应用进行分析，制定相应的发展目标及实施策略；二是专项规划支撑，在区域能源发展的指导下，进行电、热、气负荷预测需求，市政基础设施布局，管网规划布局等具体内容，但是在上述工作进行中要充分考虑不同专业之间、供应侧与需求侧之间的相互联系与影响；三是能源系统规划的评价，以常规能源体系为基准，对本次能源系统进行评价；四是针对本次规划编制进行总结，并提出相关具体实施
建议（图2）。
图2 项目能源系统体系结构图
3.2城区能源系统规划在城市能源基础设施专项规划中的具体应用
3.2.1区域能源资源条件与应用分析——有效整合区域内各种资源
在中德二期能源基础设施专项规划中，详细分析了规划区内风能、太阳能、生物质能、浅层地热能、电能、天然气资源等共计6种能源形式的资源条件，并根据资源条件情况提出了各种能源在规划区的应用形式与应用规模（表1）。
表1 区域能源资源条件分析
中德二期能源基础设施专项规划供热、电力、燃气等各专项负荷预测时，选取的负荷指标满足国家最新设计规范，同时参考了青岛市往年经验数据，符合青岛市当地实际情况。
以电力负荷预测为例，《城市电力规划规范》（GB/T 50293-2014）中提供了人均用电指标法、横向比较法、电力弹性系数法、回归计析法、增长率法、单位建设用地负荷密度法、单耗法等，其中最为常用的单位建设用地负荷密度法、单位建筑面积负荷密度法。
首先在预测方法上，本项目综合了上述两种常用方法的优点：对于一般城市用电的主体民用建筑类采用单位建筑面积负荷密度法，并依据具体建筑类别细分用电指标使预测更为准确；对于规划阶段具体类型、规模不定的工业用地以及用电比重占比较小的市政交通、道路绿化、广场等公用设施类采用单位建设用地负荷密度法，使预测更为方便。
其次在具体指标选取上，因规范为适应大多数地区负荷指标推荐值范围相对宽泛，易造成指标选取过于灵活，负荷预测结果差异较大，项目编制过程中专门咨询了当地电力公司，按照当地多年来的运行经验予以指标取值。规范与项目的实际取值对比情况如下（表2）所示，经对比本项目的电力负荷指标基本处于规范的中等偏下，个别用地取规范的低值，有利于降低电力负荷需求及减少电力设施建设。
表2 电力负荷指标对比表
生态园先行启动区二期的能源负荷指标体系如下所示（表3）。
表3 项目负荷指标体系
根据上述负荷指标体系，预测中德生态园各类负荷需求如下所示（表4）。
表4 项目负荷需求预测结果
项目坚持“优先应用新型清洁能源、传统市政设施补充”的原则，在能源系统规划中：电力供电设施包括太阳能光伏发电（含屋顶光伏发电与公建南立面薄膜发电）、风光互补发电、生物质热电联产发电、燃气冷热电三联供系统发电以及市政电网供电；供热设施包括生物质热电联产集中热源、空气源热泵机组、天然气锅炉、直燃机、冷热电三联供等；天然气供气设施主要是管道天然气；生活热水供热设施包括太阳能热水器、燃气热水器与电力热水器。各能源类型的供能设施供能能力及区域能源需求的对应关系如图所示（图3~图7）。
图3 项目能源供需对应关系图
图4 建筑供热系统构成图图5 建筑空调制冷系统构成图
图6 生活热水系统构成
图7 电力系统构成
3.2.4项目能源系统小结
通过城区能源系统规划方法，将供热、燃气、电力三个专项规划内容紧密结合在一起，并提高了清洁能源利用效率，降低了对传统市政设施需求。从建设容量上来看，供热工程方面实现清洁能源供热率100%，其中包括了生物质热电联产及其余热利用、燃气冷热电三联供、燃气直燃机冷热两联供以及空气源热泵等多种供热形式，实现了能源的多元互补供热；电力工程方面实现清洁能源供电率45%，传统市政电网仅需配置规划电力负荷预测的55%即可满足园区需求；燃气工程方面实现了燃气利用领域的多元化，从传统的居民炊事用气扩展至供热、供电等多个领域。
4.目前存在的问题
4.1区域能源资源条件基础资料的缺失
规划过程中需对区域内的太阳能、风能、浅层地热能、生物质能、天然气资源、电力资源等多种资源条件进行分析，但是现实城市规划中上述基础技术资料严重缺失。上述资源资料缺失情况分为三种情形，第一种有总量但缺乏具体动态资料，包括太阳能、风能，比如太阳能只能查阅到地市级年日照时数、多年平均太阳辐射总量等总量描述性数据，缺少月、日变化动态数据，因而无法提出关于设备安装、运行等方面的建设指导意见。该类资料当地气象部门应有监测，建议政府部门部分资料可以共享。第二种是需要实验数据支撑，包括浅层地热能、江河湖海等水体热能，该类资源与地域关系密切，需要当地的实验数据支撑。第三种是大区域能源，包括生物质能、天然气资源、电力资源等，该类能源是区域性的，不能以规划区所拥有的资源总量来预测可为规划区所用的资源总量。比如青岛市董家口LNG 码头，一期工程（已投产）年接转LNG300万吨，供气能力40.5亿立方米/年。但其中可为青岛市所用、可为规划区所用的天然气资源则无法具体量化。
因此针对上述三种资源资料缺失情况，前两种可通过数据购买、共享、实验等手段获取，以资源潜力利用最大化来衡量规划区的资源潜力；第三种则应以技术适用性与经济性为约束
条件，衡量规划区的资源潜力。
4.2终端用能负荷预测虚高，能源基础设施配置偏大
城市规划阶段的负荷预测通常是以单位建筑面积指标、单位建设用地指标、人均指标等为依据进行相关热力、电力、燃气负荷预测。该种方法取自规范，而规范为了适合不同地区指标通常约定范围而非具体数值，这就导致了在负荷预测阶段指标的选取弹性空间很大，容易造成负荷虚高。另外，该种方法预测极端用能情况下的高峰负荷并进行简单的负荷叠加，易造成负荷预测结果的虚高。如考虑负荷的逐时变化特性以及区域同时使用率等因素，则可实现负荷错峰，从而减小市政设施配置容量。
针对上述问题，首先在选取负荷预测指标值时，不仅依据规范更应结合当地的经验数据，选取最适合规划区的负荷指标，其次采用基于动态和空间分布的城市能源规划方法，充分考虑终端用能的动态性和空间分布特性[2]，以实现能源的优化配置。该种方法在配置区域性能源站机组时尤为重要。
4.3供能技术复杂多样，能源规划方案优劣有待评价
高效的节能技术通常伴随着较大的初投资，总体经济性不一定合算。而目前供能技术日新月异、种类繁多，不可能全部适用于规划区，因此需要建立一个多元化的评价体系，尤其是权衡经济效果和环保效果，以此确定适合规划区的供能技术。
多元化的评价体系的建立，可依据规划区的功能定位与发展目标，对节能、减排、环境、经济性、用户体验、技术水平等各种影响因素赋以不同权重，综合研究方案的可行性。
4.4涉及部门众多，相互间缺乏有效沟通
城区能源系统规划以区域各类能源的资源条件为前提，在充分利用各类资源、发挥其最大供能能力后，其余不足部分由传统市政基础设施供给。新能源利用涉及电力、供热、燃气等多行业，建立多部门协作机制，可有效推进规划落实，避免编制虚空规划。
5.结语
在当今能源紧张及环境保护高压形势下，新能源利用倍受重视。传统城市规划编制过程中供热、电力、燃气等规划分开编制、互不关联，未能体现能源系统的整体性、系统性，城区能源系统规划则将上述三个方面充分衔接统筹，在经济、环境等多重因素制约前提下达到资源利用最大化，是未来城市基础设施规划的发展方向。
参考文献
[1]龙惟定. 城区需求侧能源规划[J]．暖通空调，2015，45（2）：60－66.
[2]付林，郑忠海，江亿等. 基于动态和空间分布的城市能源规划方法[C]//中国科学技术学会.城市发展研究.廊坊:2008城市发展与规划国际论坛.146—149.
作者简介
郑淑晶，工程师，青岛市城市规划设计研究院；
张振国，高级工程师，青岛中德生态园管理委员会规划建设局；
陈吉升，工程师，青岛市城市规划设计研究院。