1 引言

 

经济高速发展，传统石化能源大量地消耗，气候变化问题威胁着全球。调整发展模式是应对气候变化的根本，中国高速城市化的发展更需要创新能源利用方式。新疆吐鲁番示范区是我国首个国家新能源示范城市，其一期起步区已于 2014 年竣工运行，是我国目前已建成、全面运用太阳能、最具规模的多层住宅楼光电光热建筑一体化项目，是中国西部及太阳能丰富地区开展因地制宜、可持续发展的城市建设的有益实践。本次针对已建成运行的一期起步区开展实施效果分析，通过对项目太阳能光电规模化利用的实际运行效果进行经验总结，验证项目前期的研究成果，可进一步促进示范区自身建设的完善，并为推广可再生能源规模化利用模式提供基础。

 

2 项目概述

 

新疆吐鲁番示范区位于吐鲁番市区东部的戈壁滩上，距离老城区 5 公里，北依火焰山，东临土哈油田作业区，西北紧邻著名的葡萄沟景区。项目规划总用地881 公顷，城镇建设用地 762 公顷，将为 6 万人提供居住和工作场所，人均建设用地 127 平方米，如图 1 和图2 所示。项目一期起步区用地为 143 公顷，以保障性住宅为主，包括一些配套的城市服务性公共建筑，如图 3所示。

图 1 土地利用规划图

 

图2 分期建设规划图

 

图 3 一期起步区详细规划图

 

项目的规划和设计工作以研究为基础，以充分利用太阳能资源为主要目标，针对当地气候文化特点，研究太阳能光电、光热等可再生能源技术在城市建筑群中的综合应用和管理，探索充分利用可再生能源的低能耗、低排放的新型城市可持续发展模式。项目采取的总体技术路线是：1）在城市住区建设中建构绿色能源利用体系，高度整合规划、建筑、气象观测、微电网管理、绿色交通等各专业和技术，进行集成再创新，实现太阳能资源的规模化利用和最大化利用；2）将城镇规划和建筑设计同太阳能技术有机结合，实现太阳能系统发电最大化；3）将气象观测与微电网智能调度相结合，开展太阳辐射和太阳能发电相关气象条件及发电功率预报，保证大电网运行安全和居民用电安全；4）利用绿色交通起到调峰蓄能作用，并推动电动车和电动自行车发展；5）探索符合我国国情、公众参与的机制和条件，以保障性住房为对象，让老百姓用电比常规市电优惠。根据前期研究测算，太阳能产电、产热除满足住户的使用需求外，还可满足区内绿色公交用电的要求。

吐鲁番示范区于 2009 年被新疆自治区人民政府列为“自治区和谐生态城区和城乡一体化示范区”，2010年 4 月国家能源局批准项目成为“国家新能源示范城市”，2012 年 1 月国家发展改革委、国家能源局、国家电监会批准项目为“微电网示范项目”。

 

3 项目建设和运行情况

 

（1）太阳能与建筑一体化建设情况

截止 2015 年底，一期起步区建成建筑面积 80.94万平方米，其中住宅建筑 68.56 万平方米，共计 5797 户，入住率约 47%；公共建筑建成 12.38 万平方米，包含住宅配套服务设施 2.15 万平方米和商业建筑 10.23 万平方米，大部分已交付使用，社区生活已呈现一定活力，如图 4 和图 5 所示。

 

图 4 建设前卫星图与建设后卫星图

 

图 5 吐鲁番示范区俯瞰图

 

一期起步区住宅建筑均采用低层高密度的建筑布局，建筑朝向为南向，建筑层数以4 至5层为主，建筑日照间距为1.8，容积率为0.87。屋顶采用坡屋顶形式，在坡屋顶上铺设太阳能光电板，太阳能光伏电板面积力求在坡屋面上最大限度地铺设。屋面坡度与计算出的吐鲁番地区30度至35度的太阳能板最佳倾斜度一致，并利用坡屋顶下的空间设置储藏间，如图6所示。为避免屋面上的太阳能板过热，在屋面板和太阳能光电板之间设置10cm的空气间层，利用通风将太阳能板下的热量带走。全部住宅楼屋顶设置太阳能集热系统，满足住户生活热水需要。

 

图 6 太阳能与建筑一体化示意图

 

（2）太阳能光伏发电情况

一期起步区住宅屋顶太阳能光伏装机容量达到8.718 兆瓦，涉及居民建筑 293 栋，屋顶面积约6.12万平方米，采用235瓦多晶硅电池组件37097块。住宅楼顶的太阳能系统于 2014 年10月全部投入运行。

一期起步区用电负荷主要为居民日常用电、地源热泵、商业用电，其中居民日常用电分为居民建筑用电、公共建筑用电，地源热泵用电分为制冷用电、供热用电。

根据实际运行数据统计，如表1所示。2015年光伏发电量为1018.28万 kWh，2015 年全部用电量为2663.57万kWh，光伏发电量占全部用电量的比例约为38.23%。经计算，2015 年太阳能光伏发电项目可减排SO2约27.49 吨，减排 CO2约8757.21 吨，具有较好的节能减排效果。

同时，一期起步区尚有未安装太阳能光伏的居民建筑24栋，屋顶面积约 8542平方米，预计可装机规模约1.2兆瓦，235瓦多晶硅电池组件5126块，可增加年发电量约140.16万千瓦时。

根据2015年入住率及居民用电情况，预测未来太阳能光伏板全部安装且住户全部入住后，在不考虑地源热泵供暖制冷用电量的情况下，全年光伏发电量供应居民日常用电后，其剩余电量约占总发电量的47.8%。一期起步区的光伏发电量在满足居民建筑日常用电外，还可满足公共建筑和地源热泵的部分用电量，如图 7 所示和图 8 所示。

（3）地源热泵运行情况

一期起步区全面采用地源热泵供冷及供暖。目前，区内设置的5个热泵机房已顺利实施运行，每个热泵机房均设有3台高效离心式热泵机组，最大应用面积可达到90万平方米，如图9所示。

 

表 1 吐鲁番示范区 2015 年度发电量及用电量统计表

 

图 7 居住区实景

 

图 8 居住区实景

 

图 9 地源热泵机房内景和居民采用地源热泵供热

 

根据实际能效测试评估，热泵机组运行稳定，制冷能效满足国家标准要求，但比设计的能效值低。经测算，地源热泵冬季耗热量达到 24.17W/m²，比节能 65% 的耗热量指标要高，需要通过提高运行效率降低耗热量，但与传统的燃煤锅炉房供热相比，仍可节省标准煤约2.96kg/m²，具有较好的节能效果。示范区地源热泵系统制冷用电量指标为26.35kWh/m²，比分体式空调能耗高，这与集中式地源热泵无法进行户内独立、分时控制的运行方式有一定关系，但与集中制冷采用常规水冷冷水机组相比，能耗较低。

另外，由于自动控制系统未投入运行，无法对热泵机组、循环水泵运行能耗进行有效的控制，造成热泵系统目前运行能耗较高。且小户型户内因节约造价，没有安装控制阀，导致住户无法调节送风大小，可控性差。因此，后期应进一步提高机组能效，并进一步完善系统运行能耗控制程序和管理策略。

（4）微电网系统运行情况

2010 年，项目建设并网型光伏发电站及微电网中心控制楼一座，建筑面积约 2200 平方米，用于微电网的调控和相关新能源技术的综合展示。微电网通过开闭站与大电网相连接，经调度实现本地用户优先使用屋顶光伏发电，将剩余电量反馈给大电网，在光伏发电不足时由大电网进行补充。项目实行“自发自用、余量上网、电网调剂”的运行机制，光伏系统所发电量直接供给电力用户，富余电量由微电网向地区电网出售，不足部分向吐鲁番地区电网购电，推动微电网分布式供电和收费机制的改革。

目前，吐鲁番示范区微电网一期已有 440 台逆变器发电运行，并完成数据采集传送至微电网中控楼中的管理展示系统。

另外，一期示范区设置的储能系统由三组电池系统单元组成，实际容量为 750KWh，接入点为 10kV，50Hz。辅助电池管理系统（包含电池系统直流汇流设备）监控各蓄电池单体状态（包括单体电池电压、温度、SOC、SOH、内阻等信息），对蓄电池单体可能出现的故障、异常运行工况进行报警并保护其本体，可对蓄电池单体及模块的运行进行优化控制，保证讯电池安全、可靠、稳定地运行，并通过 PCS（双向变流器）对蓄电池定期充放电工作。

（5）气象观测站运行情况

国家气象局建设吐鲁番太阳能资源观测站，是当时我国第一个专门为太阳能利用而建设的高等级气象站。气象站运行至今，状况良好，可实时监测当地太阳能资源变化，光伏发电功率预测系统基于数值天气预报模式，能够进行未来 24 小时逐 15 分钟预报，每日定时预测未来 3 天太阳能资源变化。该系统为计算屋顶电站理论发电量，衡量电站运行效率提供实测数据。

以 2014 年 9 月 6 日为例阐释功率预测在微电网调度中的应用，图 10 为一期起步区负荷曲线（红线）、实际发电功率曲线（黄线）和发电功率预测曲线（蓝线）随时间的变化。

可以看出，11 点之前，根据功率预测结果，光伏发电不能满足当地负荷的需求，这段时间需要从电网调入市电以满足居民用电；11 点到下午 16 点之间，光伏发电较强，发电量超过了当地负荷的需求，这段时间应将多余的光伏发电调入市电，获得经济效益；16 点之后，光伏发电逐渐减弱，而当地负荷则是一天中最高的时段，无法由光伏发电得以满足，这段时间仍然需要从电网调入市电以满足居民用电需求。

根据气象条件分析进行光伏发电功率预测，可以有效地对微电网发电情况进行了解，结合微电网内负荷用电需求特点，可以为微电网电力调度提供科学依据。

（6）新能源公交使用情况

市政基础设施和公共服务设施基本建设完善。公共交通方面，新老城区间汽电混合动力公交车 13 辆已经开通，包括新能源气电混合动力公交 8 辆，天然气单燃料公交 5 辆，公交加气站已投入使用。电动公交充电站已完成调试，具备投运条件，如图 11 所示。

 

图 10 光伏发电功率预测在微电网调度中的应用示例

 

图 11 公共汽车充电站

 

4 项目实施经验

 

总结吐鲁番示范区一期起步区实施情况经验，主要包括以下几个方面：

（1）太阳能光电板与建筑一体化要集成设计吐鲁番示范区一期起步区从规划布局和建筑设计入手，在设计之初就开展了集成化的整体设计，将太阳能系统同绿色住区与住宅建筑有机结合，实现了太阳能资源利用最大化的目标。但在太阳能建筑一体化建设实践过程中，还需关注以下几个方面的细节：1) 屋面尺寸宜结合太阳能板模数确定，以保证布板最大化；2) 要关注太阳能板与屋面衔接处的相关功能性节点构造设计，如设置在太阳能板冲洗时具有截留水作用的檐口等；3) 设计布置用于太阳能板清洗和检修时使用的通道，并保证通道使用方便及安全；4) 设计过程要加强集成性，综合太阳能板厂家和土建施工的不同要求，从各个角度提出问题并共同商讨解决途径。

（2）地源热泵系统的运行要精细化控制

根据项目实际运行情况可知，利用地源热泵集中供热具有一定节能优势，但用于集中制冷则比分体式空调更加耗电。同时，由于项目受造价限制，示范区内的小户型建筑户内没有安装控制阀，导致住户无法调节送风大小，可控性差，造成一定使用的浪费。因此，项目在后期运行中要提高调试工作的精细化程度，确保供暖及供冷的时间和温度需求相匹配，提高系统运行效率，在保证居住舒适度的条件下，做到最大限度的节约。

（3）微电网运营需创新运行管理模式

吐鲁番示范区微电网具备较高的新能源电力接入比例，通过储能系统、能源管理系统、光伏发电功率预测系统等优化配置实现了本地发电与用电基本平衡，并根据需要与公共电网灵活互动，这种智慧型能源综合利用模式有效提升了新能源使用效率，促进新能源的大规模应用。

为了使运营顺畅，项目引入了市场化机制，由多种投资主体介入微电网建设，组建专门的微电网建设运营公司，目的是给用户带来实质性的利益。但由于我国现有电力体制在发输配售等环节存在的种种问题，该运营公司目前将本项目（如电费收取等）交由国家电网公司运营，未能实现创新模式的初衷。因此，应推动微电网分布式供电和收费机制的改革，形成有效竞争的市场结构和市场体系

（4）气象预测是微电网调度的最好方式

吐鲁番微电网以光伏发电功率预测为依据，进行微电网控制和调度，是微电网项目重要的能源优化方式，其精确的光伏预测精度和合理的调度策略能够保证微电网系统安全稳定的运行。项目后期运行还将强化微电网、光伏发电系统的运行数据分析，检验微电网系统配比、稳定性等性能，将长期的光伏发电数据与气象数据进行对比研究，从而提高光功率及光伏功率预测精度，为微电网智能调度提供重要依据。

（5）绿色交通要结合当地实际条件发展

由于吐鲁番地区气候条件特殊，夏季气温过高，而目前电动公交电池在这样高温条件下尚存在一定安全问题，因此项目实施中对纯电动公共汽车的使用较为谨慎，投入量较小，代替投入使用了部分气电混合动力公交和天然气单燃料公交车。因此，未能完全达到预定的调峰储能作用。

 

5 结语

 

吐鲁番一期起步区以太阳能规模化利用为重点、以光伏建筑一体化为途径，将发电中心与用电中心相匹配，实现了就近发电、就近并网、就近转换、就近使用，通过储能系统、能源管理系统、光伏发电功率预测系统等优化配置实现本地发电与用电基本平衡，有效探索了在居民屋顶发展分布式光伏应用，具有积极的示范作用。

建立的可再生能源利用模式大大减少了城市发展对化石能源的依赖，提高了新能源利用在城市能源消费中的比重，增强了城市可持续发展能力。

 

作者

北京市建筑设计研究院有限公司  包延慧 郑康

中国电子工程设计院有限公司  于金辉

中国气象局公共气象服务中心  申彦波

北京市建筑高能效与城市生态工程技术研究中心  包延慧 郑康 于金辉 申彦波