可再生能源建筑應用示范城市建設模式探究

楊洪茂王力陳晨楊彩霞

1天津大學軟件學院

2天津大學管理與經濟學部

3中國建筑科學研究院

0 引言

中新天津生態(tài)城（以下簡稱生態(tài)城）位于天津市東部沿海，塘沽區(qū)和漢沽區(qū)交界處，生態(tài)城的總體規(guī)劃目標為到2020年可再生能源利用率不低于20%，因此，充分利用可再生能源、尤其是區(qū)內可再生能源就顯得尤為重要。生態(tài)城具有較為豐富的太陽能資源，水平面上的年平均日太陽輻照量14.42 MJ/m2，傾斜表面上的年平均日太陽輻照量16.35 MJ/m2，屬于II類資源豐富區(qū)，為太陽能在生態(tài)城建筑中的應用提供了良好的自然資源基礎條件。目前，生態(tài)城內居住建筑太陽能熱水系統(tǒng)安裝率100%；公共及工業(yè)建筑有生活熱水需求的也均采用了太陽能熱水系統(tǒng)。地熱能資源是生態(tài)城最重要的可再生能源之一，具有易開發(fā)、利用效率高等特點。根據中新生態(tài)城的工程地質和水文地質條件特點，生態(tài)城淺層地熱資源開發(fā)比較適合利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，該地區(qū)可循環(huán)利用的淺層地熱能可達1.69×105kW[1]。生態(tài)城作為國家級可再生能源建筑應用示范城市，其太陽能熱水系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)應用示范工程取得良好的示范效果，可再生能源建筑應用技術水平不斷提升。

1 生態(tài)城可再生能源示范項目建設情況

生態(tài)城共有43個可再生能源建筑應用示范項目，示范技術類型為太陽能光熱技術和地源熱泵技術兩種技術形式。其中18個示范項目同時采用太陽能光熱技術和地源熱泵技術，23個示范項目只采用太陽能光熱技術，2個項目只采用地源熱泵技術，示范項目總建筑面積為262.3萬m2，折合可再生能源應用面積為 200.8 萬 m2。

1.1 太陽能熱水系統(tǒng)應用現狀

生態(tài)城41個太陽能熱水系統(tǒng)應用示范項目（25個公共建筑，16個居住建筑），共安裝了太陽能集熱器面積30456.7 m2，集熱器類型包括平板型太陽能集熱器、全玻璃真空管型太陽能集熱器和U型管式真空管太陽能集熱器。示范項目的建筑類型涵蓋了住宅建筑、賓館建筑、辦公建筑、學校建筑及宿舍類建筑等。建筑類型分布如圖1所示。

圖1 項目建筑類型分布

截止目前，除了上述列入生態(tài)城可再生能源示范項目的太陽能熱水工程外，生態(tài)城在建和已建成太陽能熱水建筑應用項目120余個，建筑面積約為528.8萬m2，遠超過了可再生能源建筑應用示范城市要求的示范面積，為推動生態(tài)城建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展、實現可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻。

生態(tài)城建筑太陽能熱水系統(tǒng)形式主要有集中供熱水系統(tǒng)、集中-分散供熱水系統(tǒng)和分散供熱水系統(tǒng)三種形式。其中公共建筑均采用集中式供熱水系統(tǒng)形式（25個）；居住建筑考慮收費管理問題采用集中-分散供熱水系統(tǒng)（9個）、分散供熱水系統(tǒng)形式（1個）或采用集中-分散系統(tǒng)與分散系統(tǒng)相結合的供熱水形式（6個）。如圖2所示。

圖2 不同系統(tǒng)形式的工程實例占比

1.2 地源熱泵系統(tǒng)應用現狀

生態(tài)城鼓勵使用地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用淺層地熱能，生態(tài)城地源熱泵技術示范項目均為土壤源熱泵系統(tǒng)，包括能2個能源站集中式供（冷）熱系統(tǒng)（圖3）和13個分散式地源熱泵供（冷）熱系統(tǒng)兩種形式。

圖3 源站集中式供（冷）熱地源熱泵項目

生態(tài)城建設區(qū)域集中供冷供熱能源站，推進可再生能源技術規(guī)模化發(fā)展，有利于集中優(yōu)化控制和維護管理，并采用蓄冷（熱）技術，削峰填谷，效益顯著。其中生態(tài)城動漫園二號能源站的供能面積為20.54萬m2，吉寶區(qū)域供熱供冷能源站的供能面積為14.53萬m2。

能源站集中式供（冷）熱系統(tǒng)特點：

1）采用大容量機組代替小容量機組，系統(tǒng)負荷率高，機組性能系數高；

2）建設能源站占地少，減少設備冗余，節(jié)省建筑空間；

3）集中優(yōu)化控制和維護管理，降低管理運行費用；

4）可集中利用蓄冷（熱）技術，削峰填谷，降低運行成本。

1.3 生態(tài)城能源管理平臺建設情況

生態(tài)城能源管理平臺是以實時信息集成為基礎，滿足生態(tài)城能源管理需求，貼合生態(tài)城智慧城市建設目標的智能化管理平臺。該平臺于2013年10月組織開展建設，2015年10月建設完成，歷時兩年時間，能源管理范圍覆蓋了建筑、交通、產業(yè)、市政等主要用能領域。該平臺是國內第一個關注區(qū)域能源可再生能源占比、追蹤能源規(guī)劃落地情況的能源管理平臺。該平臺對生態(tài)城區(qū)域內的風能、太陽能光伏、地源熱泵、太陽能熱水等多種可再生能源利用及常規(guī)能源使用情況進行實時監(jiān)測，并通過數據收集、追蹤和分析，實現對區(qū)域內可再生能源使用占比追蹤、綠色技術效果評價和節(jié)能減排成果推廣展示。通過各項目可再生能源專題中各系統(tǒng)關鍵指標對可再生能源系統(tǒng)產品性能分析，制定可再生能源產品準入目錄，嚴禁低效率產品在生態(tài)城使用。并從采集數據中挖掘可再生能源系統(tǒng)運行方案中存在問題，并提出優(yōu)化方案，真正起到提高建筑及園區(qū)能源管理水平、提高可再生能源利用效率，降低建筑綜合能耗的作用。

2 配套能力建設

2.1 資金管理辦法

生態(tài)城重點調研了深圳、重慶、南京、寧波等23個國內主要城市此項補貼的管理辦法，并參考了美國、英國、瑞典等發(fā)達國家在可再生能源建筑應用方面較好的作法，結合《財政部、住房和城鄉(xiāng)建設部關于印發(fā)可再生能源建筑應用城市示范實施方案的通知》（財建[2009]305號）的要求，制定了《中新天津生態(tài)城可再生能源建筑應用專項資金管理辦法》。《資金管理辦法》明確了專項資金的分配原則、補貼方式、申報要求和審查辦法。補助標準為太陽能熱水系統(tǒng)的示范工程，按集熱板面積補助，標準為600元/平方米；地源熱泵系統(tǒng)的示范工程，按地源熱泵井數補助，標準為7900元/井。該種補助方法按照太陽能熱水和地源熱泵的設備規(guī)模給以補助，不以建筑使用面積為標準，確保財政補助與設備成本投入的合理比例，確保補助工作的公平，并將補助資金補給可再生能源設備維護維修的責任部門，保證相關設施的長期運行。

2.2 配套政策

1）可再生能源建筑應用管理辦法

為了落實天津生態(tài)城綠色建筑100%的目標，推進生態(tài)城綠色建筑評價工作和可再生能源建筑應用示范項目建設，確保示范項目驗收工作的順利實施。中新天津生態(tài)城管理委員會發(fā)布了《關于開展天津生態(tài)城綠色建筑評價及可再生能源示范項目驗收工作的通知》（津生發(fā)[2012]25號），將可再生能源建筑應用項目納入建設行政審批流程。

為推進天津生態(tài)城可再生能源在建筑領域規(guī)劃應用，切實開展可再生能源建筑應用城市示范工作，規(guī)范示范項目管理。中新天津生態(tài)城管理委員會發(fā)布了《中新天津生態(tài)城推進可再生能源建筑應用實施辦法》，《實施辦法》要求新建建筑利用太陽能供應生活熱水的，利用太陽能產生的熱量不低于建筑生活熱水消耗熱量70%（目前這一指標要求達到80%）；新建建筑利用熱泵（地埋管地源熱泵、污水源熱泵、地熱水/熱泵等）供暖（供冷）的，熱泵安裝容量不低于建筑供暖（制冷）設計負荷的50%。并將可再生能源應用專項設計納入到施工圖審查中；在進行工程竣工驗收時，應當對可再生能源應用部分進行專項驗收。

2）編制生態(tài)城太陽能熱水系統(tǒng)應用管理辦法

為加快推進生態(tài)城太陽能熱水系統(tǒng)的應用，促進節(jié)能減排，實現太陽能熱水系統(tǒng)的可再生能源貢獻率達到5.11%的總體規(guī)劃目標。為此生態(tài)城制定了《中新天津生態(tài)城太陽能熱水系統(tǒng)建筑應用暫行管理辦法》。《管理辦法》從系統(tǒng)設計管理、施工管理、驗收管理、運行管理、獎勵政策及監(jiān)督管理等方面做了相關規(guī)定，要求太陽能熱水系統(tǒng)的設計、施工及驗收應納入建筑工程基本建設程序，并與建筑主體工程的規(guī)劃設計、施工安裝、竣工驗收同步進行，與建筑主體同步交付使用。

2.3 能力建設

1）編制生態(tài)城可再生能源應用專項規(guī)劃

結合可再生資源發(fā)展現狀，對生態(tài)城太陽能及淺層地能資源分布和可利用情況、應用可再生能源的需求情況等進行充分論證，制定了《中新天津生態(tài)城可再生能源應用規(guī)劃（2012-2020）》，貫徹推進可再生能源20%目標。《規(guī)劃》根據生態(tài)城的資源條件和需求進行了分類、分項和分級的能耗預測和分析，并對各類可再生能源進行了充分的供求分析，其預測和分析方法合理，明確了可再生能源應用的總體目標[2]。并提出因地制宜推進太陽能、淺層地熱能、海水源熱泵、生物質能、風能等可再生能源在建筑領域的應用。《規(guī)劃》對推動生態(tài)城可再生能源應用和建設節(jié)能、經濟、環(huán)保的能源供應體系具有重要的指導意義，對全國同類生態(tài)園區(qū)可再生能源應用也具有示范作用。

2）編制太陽能熱水系統(tǒng)導則和圖集

生態(tài)城依據國家標準，結合天津地區(qū)實際情況，編制了《中新天津生態(tài)城太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化設計導則》。《設計導則》要求將太陽能熱水系統(tǒng)納入建筑工程設計，與建筑工程統(tǒng)一規(guī)劃、同步設計、同步施工，與建筑工程同時投入使用，并規(guī)定了生態(tài)城太陽能熱水系統(tǒng)設計參數，以指導太陽能熱水系統(tǒng)選型和系統(tǒng)設計。同時達到太陽能熱水系統(tǒng)與建筑和環(huán)境和諧統(tǒng)一，使其在建筑上得到更合理、更廣泛的應用。為方便設計人員及施工人員正確理解、掌握和使用《設計導則》，特編制了安裝圖集《中新天津生態(tài)城太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化安裝圖集》，圖集中以圖片和文字說明的方式介紹了適用生態(tài)城的太陽能熱水系統(tǒng)類型，特別介紹了系統(tǒng)特點、設計要求、控制要求等內容。為更好的實現太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化設計，圖集給出了太陽能集熱器安裝在建筑屋面、陽臺、墻面等部位典型的建筑構造詳圖，可供設計人員直接選用。《設計導則》和《安裝圖集》的編制能夠確保生態(tài)城建筑太陽能熱水系統(tǒng)安全可靠、性能穩(wěn)定及其節(jié)能效果，為太陽能熱水系統(tǒng)在生態(tài)城建筑應用推廣提供了可靠的技術保障。

3 節(jié)能效益及環(huán)境效益

通過對生態(tài)城可再生能源示范項目進行能效測評，示范項目采用太陽能光熱技術為建筑提供生活熱水和利用地源熱泵技術作為建筑的冷熱源能夠有效降低建筑能耗，節(jié)能效益顯著，同時減少消耗常規(guī)能源帶來的環(huán)境污染。其中41個太陽能熱水示范項目，共安裝太陽能集熱器面積30456.7 m2，經測算得出每年可節(jié)約5382.0噸標煤。20個地源熱泵示范項目，共打換熱井4649口，經測算每年可節(jié)約2165噸標煤。示范項目每年節(jié)約標煤量、CO2減排量，SO2減排量，粉塵減排量如表1所示。

表1 生態(tài)城可再生能源建筑應用示范項目節(jié)能減排量

4 經驗總結

可再生能源的應用對生態(tài)城緩解能源緊張、改善能源結構、提高能源利用效率、建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會等方面做出了積極貢獻。同時完成了一批技術先進適用、運行穩(wěn)定可靠、推廣價值高的示范項目，并初步形成了針對可再生能源建筑應用比較完善的法規(guī)政策、技術標準、應用模式、能力建設體系等，對于同類地區(qū)開展可再生能源建筑應用具有良好的示范作用，真正實現天津生態(tài)城“能實行、能復制、能推廣”的目標。

1）完善太陽能建筑一體化技術體系。編制太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化設計導則和圖集，規(guī)范中新天津生態(tài)城建筑太陽能熱水系統(tǒng)一體化的設計，確保建筑太陽能熱水系統(tǒng)安全可靠、性能穩(wěn)定。

2）建設能源管理平臺。監(jiān)測平臺對生態(tài)城區(qū)域內的可再生能源利用及常規(guī)能源使用情況進行實時監(jiān)測，以不斷提升區(qū)域能源利用水平，促進區(qū)域能效優(yōu)化，實現能源全生周期管理和可持續(xù)應用。

3）合同能源管理鼓勵機制。對于大型集中太陽能熱水系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)項目，引入專業(yè)化的管理團隊，保證系統(tǒng)安全、高效運行，提高可再生能源利用率。

4）完善產品備案管理制度。建立生態(tài)城太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化產品目錄，積極采用產品質量及售后服務好的技術及產品，為保證選用產品高效可靠。

5）建立可再生能源宣傳培訓機制。通過培訓提升物業(yè)管理水平，保證可再生能源利用系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行，提高民眾對可再生能源利用的認知水平，推進可再生能源建筑應用快速健康發(fā)展。