分布式能源是分布在用户端的能源综合利用系统。在全球低碳经济发展背景下发展迅速,美国和西欧新建项目供能几乎全部依靠位于用户终端的天然气分布式能源系统,近年我国频繁出台政策性文件大力推广分布式能源发展。里夫金在《第三次工业革命》中预测未来全球分散式供能模式集中供能方式,每栋建筑将成为一座小型发电厂,提高全社会能源生产效率。从供给侧到需求侧、集中式到分布式用能结构转变对城市空间结构产生何种影响?本报告针对空间规划如何应对提出思考。
分布式能源具有清洁低碳、转化率高的特点,在其逐步代替集中式供能的过程中,分布式能源中心所服务的能源片区数量将越来越多,城市空间组成单元将发生重大变化:由若干自给自足又互联互通的城市能源单元构成。
能源互联网将每个能源单元的信息数据互联互通,实现单元间双向传输。能源微网利用信息通信技术收集处理供应侧与需求侧信息,建立高效分布式能源服务单元。 现阶段分布式能源中心还未大规模普及,能源微网仅可实现能源单元与公共电网间的互联互通。
能源单元的高效运行需满足以下三个基本条件:
1.有可靠的能源来源
可以是太阳能、风能、生物质能等可再生能源、天然气分布式三联产系统等清洁能源,也可利用两者优势搭配以天然气分布式能源为主、可再生能源为辅的能源系统。能源选择要依据地缘优劣分析来选择判断使用哪些技术组合。
2.有稳定的用能需求
分布式能源中心要求区域内用户存在较大的用能需求。要求系统具有较高的总负荷,另一方面在用能时长上确保系统长期、高效运行。即建筑能耗逐时负荷比较平稳。另外区域应具有较大的用能密度以减少能量在管线传输中的损耗。
因此分布式能源中心存在一个供能半径范围。半径下限要有足够大的能源总负荷保证服务效率,半径上限由根据能源供冷供热管线传输效率决定(500m供冷供热半径能量损耗较小)、也根据国家规定中约束的可上网供电的分布式能源中心规模决定(6mw)。根据经验,区域供冷供热应尽量缩小半径,一般在500m以下、最大不超过1000m,建筑密度在30%以上, 能源单元面积在50公顷以下,总体体量在100万方以下。
3.有显著的经济效益
分布式能源价格低于公共电网价格是企业使用分布式能源的重要驱动力。对分布式能源已有案例的调查数据来看,分布式能源中心实际运营效率大大低于理论转化率。以虹桥商务中心分布式能源中心为例年机组负荷率仅为68%,平均年利用小时数仅为3980h。分布式能源中心存在运营容量低于设计容量。从虹桥商务上位规划来看,整体功能过于偏重公共职能,用能结构的单一直接导致需求侧与供给侧能源供应的不匹配。这意味着商务中心的企业面临承担高于预计的能源价格,引发企业排斥。
不同功能建筑能耗在时间上的异质性导致叠加能耗曲线的峰谷变化。从能源高效利用的角度提出一种空间应对方法——能源配伍法,使能源负荷曲线平准化。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。通过建筑功能配比平衡能源使用波峰波谷,从而优化能源需求侧结构。通过建筑负荷类型多样使能源耦合度增加从而达到能源效率提高目的。空间规划与能源规划统筹考量,调整城市空间布局以发挥节能潜力,并以分布式能源为手段来量化空间混合度指标。
能源配伍法从能源角度印证了混合布局的空间组织方式,并提供了具体的混合量化指标,强调二十四小时的活力社区构建。
临港生态示范区是临港地区十三五期间实施生态低碳示范的重点项目。允许具有适度超前的生态技术应用。本报告就低碳示范区能源单元建构、能源配伍法具体展开进行介绍。
临港生态示范区位于临港主城,东联滨湖核心圈,西邻科创城、高教园,是临港实行智能制造和生态低碳区域性战略的核心载体,设计范围50公顷。低碳生态示范为本项目核心战略,落实临港低碳发展总体要求,以“中英临港碳谷”为特色,全面参照BREEAM-community标准,发展定位生态型宜居智慧社区。
通过对上海气候分区及临港地区资源综合评价,判断该区域有稳定的分布式能源来源,并确定使用分布式能源系统。选择以冷热电三联供分布式功能系统为主、太阳能光伏作为辅助电源、热泵系统作为辅助热源、公共电网作为备用电源的能源综合利用方案。其中燃气分布式能源中心满足冷热电耗的基础负荷,电耗峰值负荷由太阳能光伏补充、峰值冷热耗由水源地源热泵补充。
本次规划对上位分区规划居住单一功能进行重新布局,确定复合开发模式,总体体量达到建筑负荷耦合。并结合产业分析确定创新研发、展示交易、科教培训、商业休闲、生态居住为主要功能。
对上海地区夏季各类建筑能源日负荷曲线进行比对,住宅与公建在日负荷上具有耦合性。并用DEST能耗软件对多功能建筑能耗负荷叠加计算,进行多情景比对分析,当住宅公建之比达到4:6——3:7的区间值时,波峰波谷处于较平衡状态。在日负荷模拟基础上,进行全年能耗模拟,并以此确定分布式能源中心的总体规模。
能源负荷耦合结合地块项目开发要求。规划确定每个地块均为负荷开发,降低地块间的能耗差异,结合形态方案确定各地块混合比例。能耗负荷较高地块使用可再生辅助能源进行补充。通过各地块混合功能量化设计既降低了总体能耗需求,也得到了混合量化的数据值,从能源角度印证混合高密开发的空间逻辑。
作者:欧阳恩一(上海同济城市规划设计研究院二所)
本文为第5届“金经昌中国青年规划师创新论坛”——分论坛四“研究方法与技术创新”宣读论文精简版。
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