双碳背景下园区综合能源规划探索与实践 ——以雄安某科创城为例

随着我国各类型园区的建设量不断增多，园区的综合能源规划成为了具有研究价值的重要学术问题。既有研究方面，CormioC等研究发现能源梯级利用对能源利用效率提升有重大作用[1]；DayA.R等对区域能源规划中目标的设定方式进行了探讨[2]；李继文等分析了我国能源利用的潜在问题及和发达国家的差异[3]；龙惟定等提出了碳中和城区的建筑综合能源规划路径[4]。

2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和；2021年10月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于推动城乡建设绿色发展的意见》，指出“城乡建设是推动绿色发展、建设美丽中国的重要载体” [5]。城市建设领域的绿色低碳转型与国家双碳战略密切相关。园区是产业集聚发展的核心单元，也是我国推进新型城镇化、实施制造强国战略最重要、最广泛的空间载体。因此，园区综合能源规划自然而然的成为我国实现双碳目标必须牵住的“牛鼻子”。

本研究以雄安某科创城为例，基于多能互补、综合利用的原则对园区资源情况、能源规划情况进行分析，综合主流能源技术的先进性及减碳能力、国家最新政策导向要求，结合项目现有方案，研究设计了3套商办居住园区能源规划标准化方案，从可再生能源利用和节碳角度对方案进行定量对比分析，为园区低碳及可再生能源利用提供参考和助力。

本项目地块位于雄安新区昝岗组团中心的雄安高铁站东南角，中间由一条贯穿枢纽片区的玉带公园串联起东西向的多个地块。项目总用地面积为881 亩，计容建筑面积达100万m²，住宅、办公、商业占比为40%、40%、20%。项目毗邻雄安新区高铁站，空间位置优势显著，规划目标为产城融合、产城一体、绿色低碳、智能高效、宜居宜业的未来之城。

表1 项目概况信息表

图1 双碳背景下园区综合能源规划流程

表2 项目能源规划指标

其中：REP_b为可再生能源利用率；EP_b为园区内建筑部门年可再生能源使用量，tce/a；Q_b为园区建筑部门年一次能源消耗总量，tce/a。ηb为单位建筑面积节碳率；CE_E为园区建筑部门单位面积年碳排放，kgCO₂/m²·a；CE_R为基准方案园区建筑部门单位面积年碳排放，kgCO₂/m²·a。

上位规划对区域能源均给出了高效、环保、安全等要求。《河北雄安新区总体规划（2018—2035年）》侧重能源供应安全，提出科学利用区内地热资源，确保供热安全；建设集能源开发、输送、转换、服务、安全保障及终端消费于一体的多能互补区域能源系统。《河北雄安新区昝岗组团控制性详细规划》侧重清洁能源利用，提出构建电力、燃气、地热、太阳能及污废能综合利用的多能互补清洁供热、供冷体系，清洁能源供热占比达到100%，集中供热率达到 100%[12]。《河北雄安新区雄安站枢纽片区控制性详细规划》与昝岗控规一脉相承，提出构建电力、燃气、地热等能源综合利用的多能互补清洁供热体系，清洁能源供热比例达到100%；预留浅层地热开发利用和集中供冷条件，规划集中供热率达到100%[13]。但上位规划中并未给出可再生能源利用率的定量要求。根据上位规划，本项目市政热力、电力、燃气均由东侧规划综合能源站提供，热源为燃气锅炉。

根据国标GB 50364—2018《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》给出的我国太阳能资源分区表，本项目所在区位为“（太阳能）资源较富区”，适宜发展太阳能光伏和光热。雄安新区地热流体总储存量376.68亿m³，其中牛驼镇地热田热流体储存量124.94亿m³[14]。根据《雄安新区地热资源调查评价报告》和《雄安新区地热资源保护与开发利用规划(2019—2025年)》，雄安辖区内牛驼镇地热田是河北省地热条件最好的地区之一[15]。而本项目正处于牛驼镇地热田范围内，地热资源突出。

本项目定位为高端商务办公居住园区，所在区域生物质能并不丰富，且没有集中垃圾处理站，没有大规模利用生物质能的条件。项目开发强度较大，没有大规模利用风能的客观条件。区域污水厂距离项目边界较远，需跨越其他地块，不具备污水能直接利用条件。因此，本项目的可再生资源条件集中在太阳能和地热能。

图2 园区典型建筑DeST模型

根据模拟结果计算得各类建筑的空调采暖设计负荷指标，结合项目建筑面积，得到园区负荷预测结果，如下表所示。

表3 园区负荷预测结果

取GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》约束值为本项目能耗预测指标，结合项目建筑面积，得到园区建筑能耗预测结果，如下表所示。

表4 园区建筑能耗预测结果

注：能源折标煤系数取自GB/T 2589—2020《综合能耗计算通则》

为计算后续不同能源规划方案带来的减碳量，需定义能源规划方案减碳量计算的基准值，对应方案称为基准方案。为了更好的体现不同方案中可再生能源及高效能源技术对碳减排的贡献，本项目碳排放的基准方案定义为“建筑本体设计满足现行节能标准和绿建标准相应星级要求，采用燃气锅炉集中供暖，采用常规电制冷供冷，无任何可再生能源利用”的方案。将表4园区建筑能耗预测结果，分别乘以对应能源的碳排因子（天然气碳排因子55. 54 tCO₂/TJ取自GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》，电网碳排因子0.581 0 tCO₂/MWh取自中国生态环境部《关于做好2022年企业温室气体排放报告管理相关重点工作的通知》推荐值[17]），测算得项目基准方案碳排放总量为6.0万tCO₂/a，单位面积碳排指标53.0 kgCO₂/m²·a。

表5 园区建筑基准碳排放计算结果

市政供能方面，市政供热由项目东侧的规划市政综合能源站供给，热源为燃气锅炉，供热能力约为60～190MW；规划有9座热力站，每座建筑面积300～500m²，结合公建不单独占地；能源站间主干管网互相连通，提高热网应急调度能，主干管网结合综合管廊敷设。电力方面，规划10 kV线路及低压配电主干线路采用电力排管结合的敷设方式，有管廊路段结合综合管廊敷设。燃气方面，设置有一处次高压A调压站。中压燃气管网在有综合管廊的路段结合综合管廊敷设，无综合管廊的路段直埋敷设。

项目规划前期未进行统一的综合能源规划，供冷及可再生能源皆由各地块及单体建筑方案在满足现行政策规范的前提下自由拟定。为评估现有方案的指标先进程度，本文对各地块能源方案进行归纳和整合。

地热能利用方面，项目内共7个地块设计浅层地源热泵系统。经测算，项目现有能源规划方案浅层地热年利用量可达3306 tce/a。太阳能利用方面，共11个地块设计了太阳能光伏系统，总光伏装机容量达1956.4 kW；1个地块设计了太阳能热水系统，总集热板面积350m²。其中13号地采用单块容量为540 Wp的单晶硅光伏组件，共计504块，实际装机容量为272 kW。7号地的建筑屋面采用单晶硅光伏瓦系统，同时解决外层防水问题；立面采用50%透光的薄膜窗墙、幕墙系统，将透光、遮阳与光伏有机整合。5号地的屋顶部分采用高效单晶硅电池片设计光伏建材，包括3种规格光伏组件，总安装容量36.81 kW。经测算，项目现有能源规划方案太阳能光伏年利用量可达231 tce/a、太阳能热水年利用量可达23 tce/a。

此外，13号地块采用高效机房技术，从全年动态负荷模拟开始，通过建筑负荷计算、确定设计指标、冷源设备选型、水系统设计、确定控制策略等7个流程，优化冷源、水系统设备选型和运行策略，经过3版方案迭代升级，机房全年能效由常规方案的3.63提高到5.50。

根据方案设计参数进行测算，综合考虑浅层地源热泵、太阳能光伏和太阳能热水这3种可再生能源利用形式，项目有能源规划方案可再生能源利用率为17.7%。再结合高效机房技术这一低碳技术，项目现有能源规划方案的总节碳量为4327 tCO₂，单位面积节碳3.8 kgCO₂/m²，节碳量达到7.3%。

表6 现有能源方案可再生能源利用率及节碳率

项目现有能源方案由各地块及单体建筑能源方案整合而成，缺少顶层规划。本节通过综合主流能源技术的先进性及减碳能力、国家最新政策导向及要求，针对不同的园区定位，研究设计了3套商办居住园区能源规划标准化方案，从先进性及复杂度递增的顺序，分别编号为1.0至3.0方案。各方案的定位及能源形式见下表。

表7 能源规划标准化方案定位及能源形式

传统方案V1.0的定位是常规商办居住园区，设计原则是在满足现行标准法规及项目绿建要求的前提下，尽可能采用常规能源形式，控制项目成本。区域集中供热热源采用燃气锅炉；公建供冷为电驱动冷水机组，住宅供冷为分体机/多联机。可再生能源方面，根据GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》对新建建筑安装太阳能系统的强制要求及成本考量，采用太阳能热水的形式。

传统方案V1.0的优势是系统简洁、技术成熟。燃气锅炉可提供高温热水，末端可自由选择散热器、地板采暖等其他形式。雄安新区属于我国太阳能资源较富区，太阳能热水技术适宜性较强，初投资低，还可提高住宅的品质。

传统方案V1.0在技术先进性及节碳能力上并不突出。方案的节碳技术为太阳能热水，其利用量的计算方法参照GB 50364—2018《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》，太阳能保证率取50%。计算得传统方案V1.0的可再生能源利用率为0.9%；与基准方案碳排放相比，单位面积节碳率为3.0%。

进阶方案V2.0的定位是低碳商办居住园区，提升原则是添加项目适宜的、技术成熟的低碳及可再生能源技术，适当加大成本宽容度。

项目所在区域地热资源丰富，而浅层地源热泵在我国经过了二十余年的工程应用技术成熟，适合需要集中供冷和集中供热、且有较充足打井面积的地块，故选取适宜的公建地块进行应用。地源热泵的冬夏运行需保持土壤取热量和释热量的平衡，否则长期不平衡运行容易导致地温变化，使得系统出力下降甚至无法工作，所以搭配空气源热泵、燃气锅炉、冷水机组进行调峰。为了增加浅层地源热泵的满负荷运行小时数，加强其节碳效力，结合地块条件设计蓄能水池。

随着光伏技术的日益成熟和组件成本的大幅下降，近年来光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）得到了越来越多的政策支持和越来越广泛的应用。《雄安新区绿色建筑高质量发展的指导意见》（雄安政字〔2021）46号）指出，要大力发展光伏瓦等建材型BIPV光伏技术在城镇建筑中一体化应用，支持有条件的建筑开展分布式光伏开发应用试点[16]。所以进阶方案V2.0重点采用了太阳能光伏技术，要求屋顶太阳能光伏利用率达到20%。

对于非浅层地源热泵供能的公建地块，供冷采用楼宇电制冷，通过高效机房技术进行源侧综合效率的提升。对于住宅及非浅层地源热泵供能的公建，集中供热采用燃气锅炉。对于住宅供冷，因其部分时间、部分空间的使用模式，分散的形式既可以实现低碳节能、又便于调控，所以住宅供冷依然采用分体机/多联机。

进阶方案V2.0的节碳技术为浅层地源热泵、太阳能光伏和高效机房。计算得进阶方案V2.0的可再生能源利用率为18.4%；与基准方案碳排放相比，单位面积节碳率达到8.4%。

表8 进阶方案V2.0可再生能源利用率及节碳率

挑战方案V3.0的定位是低碳标杆商办居住园区，提升原则是采用先进的低碳及可再生能源技术，继续放松成本约束，引领区域发展、形成标杆示范。

中深层地热能一般是指温度高于25 ℃、埋深 3公里以内的地热能。地下200 m以深的土壤平均存在0.03 ℃/m的地温梯度，故埋深2～3 km土壤温度可达70～100 ℃，是非常理想的供热热源。河北省发展和改革委员会等九部印发的《关于促进全省地热能开发利用的实施意见》（冀发改能源〔2022〕239号）指出，要稳步推进中深层地热能供暖，稳步开展中深层地热资源集中利用示范工作[18]。项目位于牛驼镇地热田范围内，地热资源突出。采用中深层地埋管地热热泵，通过间壁式换热的方式提取中深层地热能，为热泵供热系统提供稳定的高品位低温热源，是一种对环境影响小的中深层地热能高效供热方式。因此，挑战方案V3.0采用中深层地热能作为项目的集中供热热源。项目采暖热负荷52.6 MW，根据CJJ 34—2022《城镇供热管网设计规范》同时使用系数取0.75，中深层地热地埋管单管供热量取500 kW，地埋管孔距取16 m，可得共需设置中深层地热地埋管105根，埋管区占地面积26947 m²。项目综合能源站附近玉带公园及游园用地面积为29311 m²，可满足中深层地热的埋管需求。

由于供暖统一采用中深层地热，所以项目无法继续采用浅层地热供冷，否则会出现冷热不平衡的问题。项目公建以办公和商业居多，负荷率变化较大，因此适合采用部分负荷性能高的磁悬浮变频冷水机组供冷，并采用高效机房的形式进行源测效率优化提升。住宅供冷依然从其部分时间、部分空间的使用模式出发，采用分体机/多联机。

太阳能利用方面，根据《2030年前碳达峰行动方案》（国发〔2021〕23号）“推广光伏发电与建筑一体化应用”、“到2025年，新建公共机构建筑屋顶光伏覆盖率力争达到50%” [6]，以及《“十四五”可再生能源发展规划》（发改能源〔2021〕1445号）“开展城镇屋顶光伏行动”、“‘十四五’期间，新增大型公共建筑分布式光伏安装率达到 50%以上” [19]的政策导向，挑战方案V3.0将屋顶太阳能光伏利用率提高到50%。

挑战方案V3.0的主要节碳技术中深层地埋管地热热泵、太阳能光伏、磁悬浮冷水机组与高效机房。计算得挑战方案V3.0的可再生能源利用率达到58.7%，仅中深层地热就贡献了53.8%的可再生能源利用率。与基准方案碳排放相比，挑战方案V3.0单位面积节碳15.7kgCO₂/m²，节碳率达到29.6%。

表9 挑战方案V3.0可再生能源利用率及节碳率

因“基础方案V1.0”是最为常规的园区能源方案，故经济性分析宜采用增量成本法。各能源技术初投资单价为工程经验值，天然气单价取自雄安改发〔2021〕19号《关于制定雄安新区天然气销售价格（试行）的通知》[20]。

表10 能源技术增量成本及单价

以“基础方案V1.0”为基准，计算各方案的增量成本和回收期。“进阶方案V2.0”总增量成本为3 633万元，折合单位面积增量成本32元/m2，运行费节费598万元/a，增量投资回收期为6.1年；“挑战方案V3.0”总增量成本为2.9亿元，折合单位面积增量成本260元/m²，运行费节费3127万元/a，增量投资回收期为9.3年。“挑战方案V3.0”因完全采用中深层地热热泵进行集中采暖，辅以磁悬浮冷机、高效机房、光伏发电等技术，运行费节费显著。但“进阶方案V2.0”增量成本更低，回收期也更短。

图3 各方案核心指标对比

上图为各方案的可再生能源利用率及单位建筑面积节碳率对比。由表2可知，国务院《2030年前碳达峰行动方案》及住建部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》对城镇建筑可再生能源替代率的规划指标为8%（2025年指标值）；天津中心生态城、北京大兴国际机场、北京未来科学城、长沙梅溪湖新城4个对标案例的可再生能源使用率为10%～20%不等，平均值为14.5%。因此，在再生能源利用率指标中，项目现有方案、进阶方案V2.0、挑战方案V3.0都超过了国家相关政策要求及对标项目均值。

目前我国政策及国家标准中没有对低碳园区碳排放量或减排率的定量指标要求。如以国家机关事务管理局《深入开展公共机构绿色低碳引领行动促进碳达峰实施方案》中对全国公共机构的指标要求作为指导，减碳率超过7%可以视作达到较为先进的水平。项目现有方案、进阶方案V2.0、挑战方案V3.0都超过了7%的先进值水平。

项目现有方案和进阶方案V2.0的可再生能源利用率及单位建筑面积节碳率非常接近，主要差别来源于太阳能的利用方式和规模的不同。项目现有方案由各地块单体能源方案整合而成。而进阶方案V2.0的设计原则是采用项目适宜的、成熟的低碳技术，适当放宽成本宽容度，以地块和建筑尺度可再生能源利用为主，所以得到了与项目现有方案较为接近的成果。

挑战方案V3.0广泛使用了中深层地埋管地热热泵、磁悬浮变频冷水机组、高效机房等节碳技术，园区屋顶太阳能光伏利用率达到50%。挑战方案V3.0的可再生能源使用率为58.7%、节碳率达29.6%，显著高于相关政策及对标案例的指标水平，符合低碳标杆的定位。但其增量投资回收期为9.3年，显著高于“进阶方案V2.0”的6.1年。综合考虑低碳指标及经济性两个维度，进阶方案V2.0较为均衡，而挑战方案V3.0更为激进。三档能源规划标准化方案的优劣和设计原则总结见表11。项目远期建设中，将在现有方案的基础上，以挑战方案V3.0为导向，逐步增加先进节碳技术的利用种类和利用规模，在成本可接受范围内提高园区能源低碳水平。

表11 能源规划标准化方案的优劣和设计原则

[参考文献]

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[6] 中华人民共和国国务院. 关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知[EB/OL]. (2021-10-24)[2023-3-6].http://www.gov.cn/gongbao/content/2021/content_5649731.htm

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 关于印发“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划的通知[EB/OL]. (2022-03-11)[2023-3-6].https://www.mohurd.gov.cn/gongkai/fdzdgknr/zfhcxjsbwj/202203/20220311_765109.html

[8] 国家机关事务管理局. 关于印发深入开展公共机构绿色低碳引领行动促进碳达峰实施方案的通知[EB/OL]. (2021-11-19)[2023-3-6]. http://www.ggj.gov.cn/tzgg/202111/t20211119_33936.htm

[9] 四川省人民政府. 关于印发《四川省“十四五”节能减排综合工作方案》的通知[EB/OL]. (2022-07-21)[2023-3-6]. https://www.sc.gov.cn/10462/zfwjts/2022/7/21/54cc17aea9164de6a57b361367782cf5.shtml

[10] 深圳市人民政府. 《深圳市机关事务工作“十四五”规划》提出2025年市直及各区逾七成公共机构建成节水型单位[EB/OL]. (2022-05-05)[2023-3-6]. http://www.sz.gov.cn/cn/ydmh/zwdt/content/post_9750824.html

[11] 山东省人民政府外事办公室. 2022年山东省公共机构能源资源节约和生态环境保护工作要点[EB/OL]. (2022-06-13)[2023-3-6]. http://wb.shandong.gov.cn/art/2022/6/13/art_208997_10303865.html

[11] 山东省人民政府外事办公室. 2022年山东省公共机构能源资源节约和生态环境保护工作要点[EB/OL]. (2022-06-13)[2023-3-6]. http://wb.shandong.gov.cn/art/2022/6/13/art_208997_10303865.html

[12] 中国雄安官网. 河北雄安新区昝岗组团控制性详细规划[EB/OL]. (2022-10-19)[2023-3-6]. http://www.xiongan.gov.cn/2022-10/19/c_1211693818.htm

[13] 中国雄安官网. 河北雄安新区雄安站枢纽片区控制性详细规划[EB/OL]. (2020-04-21)[2023-3-6]. http://www.xiongan.gov.cn/2022-10/19/c_1211693818.htm

[14] 朱喜,王贵玲,马峰,等.雄安新区地热资源潜力评价[J/OL].地球科学:1-23[2023-03-06].http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1874.p.20220621.1102.008.html

[15] 包耀宗.雄安新区地热资源开发利用示范区发展初探[J].建筑经济,2020,41(S2):320-323

[16] 中国雄安官网. 雄安新区出台绿色建筑高质量发展指导意见[EB/OL]. (2022-01-25)[2023-3-6]. http://www.xiongan.gov.cn/2022-01/25/c_1211541857.htm

[17] 中华人民共和国生态环境部. 关于做好2022年企业温室气体排放报告管理相关重点工作的通知[EB/OL]. (2022-3-10)[2023-1-6]. https://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk06/202203/t20220315_971468.html

[18] 河北省发展和改革委员会. 关于印发《关于促进全省地热能开发利用的实施意见》的通知[EB/OL]. (2022-02-25)[2023-3-6]. http://hbdrc.hebei.gov.cn/web/web/xxgkwzcwj/2c9473847f574585017f63b94be112c3.htm

[19] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 关于印发“十四五”可再生能源发展规划的通知[EB/OL]. (2022/06/01)[2023-3-6]. https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202206/t20220601_1326719.html

[20] 中国雄安官网. 关于制定雄安新区天然气销售价格（试行）的通知[EB/OL]. (2021-06-01)[2023-3-6]. http://www.xiongan.gov.cn/2021-06/01/c_1211182602.htm

排版｜李刚

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