低碳时代的中国城市能源规划

  1 低碳发展要求世界和中国一次能源构成重大转型

 

  气候变化已成为世界各国面临的最紧迫问题之一。2009 年12 月的哥本哈根会议以世界192 个国家的声音，肯定了会议前夕国际能源署( IEA) 提出的“450 情景方案”的3 个具体目标中的2 个，即全球平均气温不应比工业化开始前高出2 ℃，这要求全球排放量减，到1990 年( 209 亿tCO2当量) 的50%。为此发达国家应当减少至少80% 的温室气体排放量，发展中国家的温室气体排放量应当比“通常情况下”低15% ～ 30%。至于第3 个目标，即碳排放的峰值年和减排到1990 年排放量的50% 的时限，以及发达国家以资金和技术支持发展中国家减排的具体安排，留待2010 年年末的墨西哥会议解决。能耗、一次能源构成和应用碳捕获和封存( Carbon Capture and Sequestation，CCS) 技术三者与CO2排放之间的制约关系，并推算出了在上述减排目标和进程下世界能耗和一次能源构成变化的走势。

 

  未来的10 ～ 20 年，即2020 ～ 2025 年，将是世界一次能源构成的转折点。可再生能源与石油( 曲线Ⅰ和Ⅳ) 在一次能源构成中的排位互换;而煤和天然气( 曲线Ⅱ和Ⅲ) 的走势高低将取决于煤的CCS技术的经济指标与非常规天然气开采成本和规模两者之间的博弈。图1 中最右端的能源构成是在IEA提出的2050 年总能耗约225 亿tce / a 的情况之下，可再生能源、天然气、煤和石油4 种能源的构成比与目前刚好逆转，且大部分的煤通过CCS 利用，对应的CO2排放量能够控制在108 亿t / a 的情景。至于2010 年年末的墨西哥坎昆会议中对长期目标时间点的共识是否是2050 年，还是推迟到2060 年，并不会改变图中各曲线变化的趋势，只不过各条曲线的斜率变化都将放缓而已。

 

  在目前世界能源转型和低碳发展的格局中，中国处于最特殊的地位。这是由下列几个因素决定的:中国是世界人口第一大国，由于煤的消耗占一次能源近的70% ，CO2排放不仅总量最多，人均也已超过世界平均值，但是人均GDP 还很低，属于发展中国家。这决定了中国继续完成工业化和城镇化只能走低碳发展之路。未来10 ～ 20 年中国的总能耗还会增加，CO2排放也将经历一个先增再减的过程，2 个峰值年都可能出现在2023 ～ 2030 年之间。但在达到峰值年之后，中国的碳减排将与世界同行.

 

  核能与可再生能源以5% 的年率持续增长，10 年后中国非常丰富的非常规天然气资源得以大规模开发，煤的CCS 利用比例2020 年以后的30 年间从10% 提高到60% ，石油因资源的有限性和CCS 利用的规模限制将在2020 年左右达到峰值后逐步减少。

 

  2 城市一次能源到终端利用( 工业、商住和交通) 的新格局

 

  2. 1 低碳时代一次能源在城市用能中的格局

 

  低碳发展要求世界和中国的一次能源消费格局在30 ～ 40 年间完成如图1 所示的重大转型。煤最终必须在捕获和封存CO2的条件下( CCS) 才能利用;由于CCS 技术的经济规模所限，使它必然退出城市终端用能市场，转向发电和煤气化多联产为主( 后者即是带冷热电联供的现代煤化工Multi-Producted Coal Chemistry /Combined Cold，Heat andPower，MCC /CCHP) ，部分用于制水泥和炼铁( 煤或合成气直接还原炼铁将替代传统的焦炭/ 高炉)。

 

  可再生能源将大部分用于电力生产，部分直接用于低品位、低能量密度的建筑用能和化工原料。天然气超过石油成为主要的工业和民用燃料。

 

  2. 2 未来10 ～ 20 年城市能源需求的挑战按照表1 的估算，中国的总能耗/ 人均能耗将分别由2005 年的22. 2 亿tce / 人和1. 7 tce / ( 人·a) 增加到2020 年的41 亿tce / 人和2. 93 tce / ( 人·a)。

 

  显然在这个完成工业化和城镇化的历史时期内，增加的能耗主要是在城市工业、建筑和交通3 大领域。

 

  由天津市供热办的数据可知，该市集中供热负荷将由目前的200 万m2 增加到2013 年的2 400 万m2和2020 年的5 500 万m2。由国家发改委能源所的数据可知，珠三角城市建筑面积在2030 年将达到160 亿m2 ，接近目前的4 倍。目前广东空调耗电已占电网夏季高峰负荷的50% ，如此大幅度增长的供能需求增长，按照现在的利用模式和能效，是不可承受的。

 

  2. 3 CHP 和DES /CCHP 在能源终端利用中的地位

 

  至少在21 世纪中叶之前，气候变化所要求的能源转型还容许使用一半的化石能源。迄今为止，在中国占总能耗80% ～ 85% 的工业和商住建筑能耗中，大部分都是低品位的热能。例如，占中国能耗近40% 的过程工业，终端能耗热/ 电比在5 以上，大部分在400 ℃以下;建筑能耗的80% 的温位与环境温度只差10 ～ 30 ℃。按照热力学第二定律，化石能源化学能转换为电力的效率不可能为100% ，必定有一部分以较低温位的热量的形式传递到环境。热电联产(CHP) 正是运用这个规律，同时产电和热，提高了能源转换效率。但是传统CHP 的热电比取决于特定的技术，不能适应各种终端用户变化的需求。

 

  发达国家近30 年来建筑物能效大大提高，一是围护结构热工性能有所改进，二是采用分布式冷热电联供系统( Distributed Energy System /Combined Cold，Heat and Power，DES /CCHP) 集成各种热机、热泵、吸收制冷和可再生能源技术，实现化石能源“吃干榨净”的高效利用。前者使住宅单位面积能耗逐年降低，仅为中国的50% ，后者使公共建筑一次能源的终端利用效率提高到70% 以上。可以说，只要人类还使用化石能源和生物质能，CHP 和DES /CCHP就是科学用能的必由之路，永远不会过时。发达国家正在继续和加深研究这些措施，并成为他们完成减排指标的重要途径。丹麦全国DES /CCHP 产生的电力已经超过50% ，美国2000 年已定下2020 年达到29% 的目标，而中国CHP 装机虽占10% ，产电量则远低于此，发展空间还很大。

 

  2. 4 终端用能模式的转型和效率提高的途径

 

  按照国际市场天然气的价格，中国城市终端用天然气和煤的等热值比价约为2. 5 ～ 3 倍。简单地用天然气替代煤用于城市供暖和工业锅炉，单位面积供暖费用和蒸汽价格都将至少增加1 倍。这是居民和工业企业都无法承受的。同时，这也使天然气下游市场难以按照市场机制进行开拓。另一方面，按照这种传统模式以气代煤，能效提高有限，CO2减排也只有40% ～ 50% ，不能适应中国节能减排的目标要求。这是摆在当前中国城市用能面前的一道难题。

 

  与发达国家相比，中国的国情特点如下:一是城镇化要求继续新建大量新城镇和住区;二是城市工业区、商业中心和居住区的布局及模式与西方国家大不相同。这就使得中国能够、而且必须在借鉴西方国家DES /CCHP 经验和技术的基础上，依照具体国情，自主创新，创立中国自己的城市终端用能模式和DES 系统。在政府主导的经济体制下实现跨越式发展:伴随工业化和城镇化的进展，使多数工业园区80% 的供暖、空调、热水能耗和占14% 的用电能耗可以尽可能地用天然气DES /CCHP 加可再生能源集约化高效联供，不足部分由电网提供。

 

  迄今为止，绝大部分交通能源依赖石油产品的局面将随着科技的加速进步而根本改变。占中国柴油耗量近半的中、重型卡车、部分公交车将改用高效、廉价、低排放的LNG;智能电网所推进的插电式汽车将替代大部分小型轿车的燃油;第二代生物燃油将提供大部分航空燃料;非粮乙醇和煤基二甲醚将取代部分仍作为车用燃料的汽、柴油;太阳能制氢气/燃料电池车也将在20 年后实现商业化应用。上述交通替代能源科技以及高铁、城市公共交通的发展所带来的经济、能效和CO2排放方面的优势，必将在今后20 ～ 40 年替代绝大部分汽、柴油。这样就可以使耗量逐渐减少的石油与带CCS 的煤气化和生物质多联产一道，主要用于有机化工原料。

 

  3 新格局下城市能源供应系统建设、运营和监管机制

 

  3. 1 发电、供热、制冷能源转换联产———终端供应组合呼唤集成创新

 

  必须指出的是，CCHP 决不是反对者简单理解的0. 2 MPa 抽汽加热120 ℃ 热水供暖，蒸汽吸收制冷供7 /12 ℃冷冻水这样概念化的组合。它是基于科学用能，即“高热高用、低热低用，温度对口、梯级利用”的思想，严格按照热力学第二定律和经济学理论，采用系统工程方法，在对各种冷热电用户8650 h / a 负荷统计、分析的基础上，采用各种燃气作功发电技术、各种制冷技术、热泵技术、再生能源利用技术，以及强化传热技术，集成建模和优化求解而得到的，在经济效益、能效、CO2减排3 个方面都比较好的组合方案，是现代系统科学、信息科学、管理科学与各种能源转换、传递科学和技术的集成。某些CCHP 项目效果不显著，是源于过于简单化的理解和主观的组合所致。

 

  目前许多北方大城市迫于环境和CO2减排压力，正在大规模淘汰燃煤的CHP 供暖和工业供热机组;有些城市正在走大规模地源或海水源热泵路线;因地质条件有限或没有打井位置的中心区，只能以天然气联合循环机组为基础，寻找其它的热泵热源。

 

  由此，一批中国特色的天然气CCHP 创新系统将脱颖而出。除此之外，需要考虑的问题是非供暖期怎么办? 如何开发常年的生活热水供应市场? 如何开拓公共建筑夏季供冷的用户? 对于中国南、北方的不同城市，情况大不相同。如果说燃煤CHP 供热机组还常常亏损的话，以比煤贵2 ～ 3 倍的天然气为热源按常规CHP 供暖，没有集成技术的突破和机制的创新，经济上是完全不可行的。

 

  此外，随寒流来去供暖期热负荷也有成倍的波动，同时热负荷随城区建设的逐步扩大而增长。这就要求系统必须有一定的柔性和前瞻性，不仅可以适应四季、昼夜等气候条件的变化，也应考虑到能源价格等市场条件的变化和园区规模的扩展，甚至新的成熟技术的应用。几十个工程规划的经验表明，由于气候条件、负荷的时间变化和空间分布、附近可用的余热和再生能源的情况有所不同，每一个项目的规划方案都是不一样的。例如，一个项目采用35℃左右的汽轮机冷凝潜热循环冷却水，在能源站内用不同的废热或低温余热加热到45 ～ 50 ℃，连续输送到分散在用户负荷中心的热水站储罐，再根据实际情况，分别采用当地可用的、最便宜的方式，将其加热到65 ℃左右，供随时使用。这些方式主要包括热水型蒸汽吸收制冷，即梯级利用70 ℃左右的温排水、蒸汽吸收热泵、电压缩热泵、太阳能集热器、小( 微) 型CCHP 的余热等。包括管网、储罐等投资折旧在内，热水成本只是天然气家用热水器成本的一半。

 

  工业的CCHP 项目还必须建立在采用能量系统优化技术规划和改进能源利用的总体方案的基础上。一个过程工业企业，首先必须优化工艺和总流程，降低工艺总用能，然后再采用换热网络优化匹配、低温热系统优化利用、余热升级利用等技术提高能量回收循环利用率。这样，需要通过CHP 或CCHP 由一次能源转换的冷、热、电负荷将会大大减少。国务院把能量系统优化列为“十一五”国家重大节能工程的真正意义就在于此。

 

  3. 2 中国城市规模化能源集成供应系统的类型中国地域广阔，各城市的气候和产业特点千差万别，DES /CCHP 大致可有下列几种类型。

 

  1) 北方集中供暖为主型。如3. 1 节所述，首先必须满足大部分城市居民冬季供暖的需求。进而考虑非供暖期如何开拓冷用户和热水用户，延长机组设备利用时间和提高天然气转换效率; 如何将地、水、工业废热等各种低温热源和可再生能源相结合来适应四季不同的供能服务。

 

  2) 南方区域供冷为主型。以满足城市商业、行政中心区公共建筑集中供冷需求为主，规划天然气能源转换机组的规模和类型;同时向附近住区居民提供生活热水，以充分利用能源转换价值链末端的极低品位余热，提高能源利用效率。

 

  3) 大型过程工业( 园区)。过程工业多以热加工为主，不论南、北方，主要热用户是工业用蒸汽，规模从数十t / h 到数百t / h 不等，而且多半是24 h 连续用汽。这类项目可采用2 ～ 3 台6B 级或9E 级燃气轮机+ 余热锅炉为基本配置的联合循环机组为基础，配以抽凝和背压式汽轮机组，能够使能源转换效率达到70% 以上。

 

  4) 大型联合循环调峰机组———离散制造业园区。本文4 节中给出了具体实例。

 

  5) 现有乡镇企业工业园区。有2 种基本类型,过程工业园区的负荷以蒸汽为主，用量从数十t / h到数百t / h 不等;离散制造业园区以耗电和空调制冷负荷为主。乡镇企业工业园区的特点也是商业建筑、住区与工业园区毗邻或交错，联供蒸汽、热、冷的负荷有利于提高能源转换和终端供应效率。

 

  6) 大城市规划新区。布局规划有2 种不同类型:一是整个城市统筹布局，大工业区、住区和CBD各自集中，相互隔离，三类区域供能需求不同，较难实现集成联供;另一种是分多个区块或中心城区加卫星城区( 副中心区) 规划布局，在每个区块内规划工业区、住区和CBD，这样的功能区较小、相互之间的距离近，有可能集成联供。

 

  7) 新规划的中小城镇。在几km2 范围内，根据气候条件和自身负荷特点，可规划1 个或几个集约化的冷热电联供能源系统。

 

  8) 独立的公共建筑群。南方现有城市中心没有条件规划大型DES，但可以规划公共建筑群小型DES /CCHP，如医院、学校、机关或密集的酒店和商厦集群。其特点是同时有空调冷水和热水需求，负荷在1 ～ 5 MW 左右。

 

  9)现有分散电源点联合循环机组的改造。以广东为例，已建的30 多台9E 联合循环机组汽轮机都是纯凝的。按照附近城镇各类冷、热、蒸汽的具体需求负荷，可部分改造为抽凝和背压机，可以大大提高能源效率和运营的经济效益。

 

  3. 3 城市能源供应系统建设、运营和监管机制上述各种类型能源供应系统的简单描述已经勾画了出一个新的高科技服务行业的雏形。这不是一个孤立的行业，而是同城区工业、商住、交通规划和布局密切交织在一起的。因此其发展有自己的规律性要求。

 

  1) 必须由政府牵头，在城市发展总体规划格局下，统一规划、布局，否则完全无法建设。

 

  2) 能源供应服务属于公用事业，牵涉千家万户民生，但又不是要害部门，无需由政府包办或国有企业垄断。OECD 国家30 年的经验表明，由电力、燃气和能源服务等利益相关方按照市场机制组合且允许包括多种所有制的股份公司作为投资建设和运营的主体，有利于平衡各方利益、抵御各种风险。

 

  3) 政府在统一规划下，主持投资建设的项目业主招标，适当给以融资支持、税收优惠，提供良好的投资运营和技术、设备等各方面的支持是十分必要的。

 

  4)能源供应服务公司在一个区域内具有市场

 

  的独占性。因此各种能源供应服务价格需由政府部门监管，必要时应举行公众听证会，平衡各方利益。

 

  目前一些地方的一些企业以“抢滩登陆”的心态，期望从地方政府手中获取区域排他性燃气特许经营权，从而获得地区能源供应的垄断经营权和定价权，以获取超额的利润。这不仅会侵害用户的利益，而且也给能源供应服务行业的健康发展带来了负面的影响。必须意识到，城市能源供应服务企业属于带有公益性质的、长期稳定、低风险、低收益的行业。政府的支持、优惠和监管是保障其公益性，维护广大用户利益、促进行业发展、扩大就业、社会稳定的基石。企业片面追求利润、不尽社会责任，或政府方支持和监管缺位，都是不能容许的。

 

  4 新格局下城市能源规划如何制定

 

  低碳经济是前所未有的新事物，新能源格局下的城市第二代能源供应系统如何规划也是一个崭新的课题。从时间和空间两方面来分析，都需要拓展视野、高屋建瓴，要求在工作方法和机制上有所创新。

 

  1) 经济社会发展目标和约束条件

 

  今后10 ～ 20 年，国家经济社会发展目标和生态、CO2减排等约束条件都已基本确定。在科学发展观的指导下，一个城市的发展规划将不仅仅体现为GDP 的总量和人均年增长数据，而必将有城市化率、能源强度ε、碳强度κ，以及总能耗、总排放量等各项指标的约限。换句话说，城市的科学发展规划必须给出类如表1 中列出的、与国家发展规划相应的数据，描绘出城市在生态约束下的科学发展格局。

 

  不能像以往那样，仅凭GDP 目标、一次能源消耗和能源弹性系数的历史数据外推出未来各年份的能源需求总量就万事大吉。文献研究了产业结构、能效、一次能源构成对能源强度ε、碳强度κ，以及总能耗、总排放量等的影响关系。显然，低碳经济时代的城市能源规划必须做到这样的深度。

 

  2) 目标约束下城市发展规划初稿的制定

 

  首先可以根据城市在地区中的定位，拟定发展规划的初稿，包括一、二、三各产业的发展规模、比率和内容，工业、商住、交通3 大耗能领域的空间布局以及按时间发展的进度。城市功能区的空间布局规划对于能源规划有着决定性的影响。如上所述，如西方许多城市，工业区、住区和CBD 在空间上相互分开的统一布局必然带来工作日大流量、长距离的人流交通负荷。3 种功能区的能源需求也各不相同，必须分别规划。分多个区块、在每个区块内规划布置工业区、住区和CBD 有可能实现冷热电需求互补，提高能效。总之，城市发展和建设布局规划初稿是进一步制订能源供应规划的基础。

 

  3) 工业、商住、交通能源规划的细化

 

  有了工业、商住、交通和空间布局的初步规划，就可以进一步细化制订能源利用的具体规划方案了。以尽可能提高规模化的天然气DES /CCHP 能源供应系统在城区的覆盖率为指针，依照具体情况，参照3. 2 节中9 种类型能源供应系统来制订具体方案。不排除因考虑能源供应的优化而反馈调整功能区布局的可能。

 

  深圳市光明新区是一个有一定典型意义的例子。这个在原有2 个镇的基础上新规划的156 km2、100 万人口的城区，以高科技离散制造工业园区为目标，新设了1 个3 × 9F 天然气调峰机组的电力布局需要，规划了1 个以该电站为主体的DES /CCHP能源供应系统，兼有向工业厂房和CBD 供冷，向居民供应生活热水的优势，可使发电成本显著降低，天然气能源利用效率提高到了75% 以上。

 

  南方远离居民区的纯CBD 或离散制造业工业区，仅有空调制冷负荷，没有热水负荷，低品位余热没有适宜用户，就难以达到更高的能效。单纯以普通市民住区为对象规划区域供冷，按目前的生活水平和经济能力，也还难以实现。北方城市则不然，气候条件要求集中供热覆盖所有的居民住宅，必须以此为供能规划目标。但夏季空调负荷则只有商业和公共建筑的需求，蒸汽需求则取决于过程工业的布局安排。集约化的DES /CCHP 系统设置与城市功能区规划布局之间有可能需要多次反馈、协调，这就是中国国情所要求的集成创新。

 

  交通能源规划需要落实到功能区块空间布局所要求的交通方案，包括市内优先发展的轨道交通———接驳巴士/BRT 衔接的规划;各类中、重型卡车，公交车采用LNGV 的产业链开发规划;小轿车逐步转向插电式汽车、混合动力车或DME、掺加甲醇或非粮乙醇汽油的规划;以及长远的氢气燃料电池车的规划。

 

  有了上述细化的规划工作，就可以相当准确地估算出各区块和全市工业、商住用能对天然气和电力供应的需求总量和空间分布，交通用电、LNG 和其它燃料的数量，以及各能源消耗按年度增长、变化的趋势。

 

  4) 立足于能源规划的城市发展规划

 

  落实到每个区块的、与功能区规划融为一体的多个DES /CCHP 系统规划所包含的冷、热水，以及蒸汽管线( 网) 的网络和路由，必须与城区道路和绿化规划协同配合。原来各自独立规划的高、低压供电网络、商住炊事用低压天然气管网，在冷热电联供的能源系统规划下，自然也会大不相同。这就给城市规划道路和配套的共同管沟奠立了基础。

 

  更重要的是，细化的能源规划能够给出城市对天然气、石油、煤、可再生能源的需求逐年增长数据，据此便可以推算各类能耗是否能够满足国家下达的各项指标。城市中心虽然不再燃煤，但市郊燃煤电厂和外部电网供入的电力都是要追溯到实际消耗的一次能源和碳排放量的。规划之中还必须列入相应的燃煤电厂、市内现代煤化工、炼焦和水泥企业燃煤排放的CO2通过CCS 技术捕获和封存的逐年进展数据，这是控制碳排放指标所必须的。

 

  文献给出了由产业结构、能效和一次能源构成估算能源消耗和能源弹性系数的关联式。

 

  人们通常误以为节能降耗取决于风机、水泵、家电等耗能设备或产品的效率，或建筑物墙体等的保温性能。上述分析表明，无论是在国家层面，还是对于一个城市，节能减排，即单位GDP 耗能和排碳，或能源强度ε 和碳强度κ 降低等指标的落实，根本上取决于制订经济社会发展规划与制订一次能源到终端利用规划的密切配合与协同。其间的关系是清楚的、可分析推算的、可控制的。市政府只把指标分解下压到区、县、企业一级是无济于事的。反之，通过2 个规划的协同制订，落实工业、商住和交通领域能量系统优化以及冷热电联供技术和机制的创新和升级，就完全有可能实现低碳、高能效的经济、社会科学发展目标。