能源景觀理論在我國寒地村鎮體系生物質能空間規劃中的探索
——以黑龍江省富錦市為例*

文/中國城市規劃設計研究院 張高攀

哈爾濱工業大學建筑學院 張一飛

中國城市規劃設計研究院 杜 銳

科技與工業化的快速發展使石油、煤炭等不可再生能源急速消耗，人類對于開發利用可再生能源的訴求日益強烈。在眾多能源類型中，與農業息息相關的生物質能是全球存量第3的可再生能源，由于其能源載體具有可存儲性，也使生物質能具有唯一性[1]。全世界的學者紛紛以此為研究重點，對提高生物質能利用效率與降低建設成本進行綜合研究。在眾多研究方向中，從能源規劃與城鄉規劃交叉視角進行的GIS研究是一個重要的方向[2]。

1 能源景觀理念與實踐

1.1 理論方法概述

能源景觀是基于交叉研究建立起來的理論方法體系，它將城鄉規劃理論應用到能源規劃，運用GIS分析工具對已知的城鎮或村鎮人口分布狀態數據進行分層與疊加分析，確定能源需求分布，測算生物質潛能，進而根據量化分析的圖則指導制定規劃方案，解決一系列生物質能（或其他可再生能源）發展用地的選址優化問題[3]。迄今為止，在能源景觀研究領域，業內學者廣泛認可的分析模型是BIBERACHER M等提出的基于GIS技術的生物質能時空模型[4]。

1.2 理論分析模型

基于GIS技術的生物質能時空模型在前期運用GIS、RS技術手段獲取地表植被、人口分布、村鎮區位等原始分析數據，在此技術上建立GIS數據分層，通過一系列GIS分析方法確定能源（熱能、電能）需求在時間維度與空間維度上的分布規律。BLASCHKE T等通過實踐項目驗證了該模型可有效應用于各種空間規劃類型。同時還擴展了模型的分析功能，利用RS數據跟蹤當地農業、林業用地生長周期與空間散布規律，同時根據農作物、木材采購運輸量對生物質潛能進行分類與評估，將產品的商業交易價格與氣候條件的全年變化規律確定為分項影響因子，通過復雜系統的參數體系測算生物質能或其他可再生能源發展用地的優化區域[5]（見圖1）。

圖1 能源景觀空間布局基本模式

1.3 實踐項目應用

能源景觀不僅在理論層面有較系統的研究，還在很多實際項目中得到廣泛應用。在奧地利高原地區項目中，Sp th采用能源類型分區分析方法對當地生物質潛能進行評估，在此基礎上執行以可再生能源發展網絡為主體的戰略規劃，以指導該地區的整體經濟發展計劃，致力于改變區域經濟衰退的不良態勢。Moser等在德國全境推動的可再生能源規劃項目所制定的目標則更加遠大，其目標是在2020年前實現100%利用可再生能源發電，徹底避免在發電層次消耗不可再生資源。為實現此目標，采用RS數據分析結合GIS疊加分析的方法來劃定可再生能源發展用地的選址適宜范圍。BIBERACHER等對德國奧爾登堡地區的RS柵格圖與GIS屬性數據等進行綜合分析，最終得出每年農業生物質潛能為50900kW·h/hm2，每年林業生物質潛能為17400kW·h/hm2[6]。

當選擇生物質能作為主要研究對象時，運用能源景觀理論方法制定戰略性空間規劃則主要涉及生產潛能分析、能源供需分析、資源類型分析、運輸成本分析、時空變異預測等方面（見圖2）。

上述規劃案例所處地域的氣候規律、區域規模、村鎮分布等與黑龍江存在諸多相似之處，可從這些成功的理論方法中汲取經驗加以借鑒，推進我國寒地村鎮體系生物質能規模經營、效率提升與集約發展。

圖2 能源景觀研究方法構成

2 生物質能發展網絡模型

生物質熱電聯產電廠是指同時具有發電與供熱功能的發電廠，這種發電廠可充分利用生物質能，因此在構建理論模型的環節必須充分考慮熱能與電能傳輸損耗兩大因素。

2.1 熱能傳輸閾值

在計算電能損耗時，線路損耗與距離大小的直接關系非常小，熱能傳輸損耗成為后續研究最值得關注的焦點。我國常規供熱網設計規范規定：熱源至用戶的管線長度宜為6~8km，不應大于10km[7]。盧春田等通過對東北地區大量熱能傳輸距離與損耗率數據的采樣調研與量化分析，得出一系列研究結論，其中包括當熱能傳輸距離大于8km時，如果用戶端室溫達到國家法定標準則該區域的投資產出經濟性極差[8]。基于上述研究成果，將生物質能發展網絡的熱能傳輸閾值確定為8km。依據以往鋪設管線的經驗，最經濟的方式是沿道路兩側建設生物質熱電聯產電廠及鋪設熱力、電力管線，因此熱能傳輸閾值為8km可以解讀為熱源（生物質熱電聯產電廠）沿道路走向到達用戶的熱力管線長度≤8km。

2.2 模型基本形態與演化規則

在確定熱能傳輸距離閾值為8km的前提下，可進一步推演村鎮半徑與發電廠之間的區位關系。在現實地形中，村鎮區域內的道路網絡表現為不規則形態，因而必須考慮道路非直線系數的影響。通過對以往研究成果的總結與梳理可得出村鎮體系道路網絡的非直線系數平均值為1.41[9]，這樣可將單一發電廠服務半徑平均值確定為8÷1.41≈5.67km。在理論分析層次，暫且假設目標區域內所有發電廠平均分布，通過簡單的幾何運算可以得到任意相鄰2個發電廠之間距離為9.83km的蜂巢狀生物質能發展網絡（見圖3）。

此外，村鎮區位與村鎮人口這2個影響因子會間接影響生物質能發展網絡的形態，進而產生相應的演化規則。

村鎮區位與能源需求分布區域息息相關。當某個區域內不存在任何村鎮時，較為經濟的做法是把理論模型的均布式網絡在該區域的所有發電廠進行去除，同時與該區域鄰接的發電廠的服務范圍邊界也將隨之產生變化，由六邊形態轉化為圓弧形。當某個區域內存在的村鎮數量非常少時，理論模型的均布式網絡在該區域的投資產出比將極為不經濟，相應的調整措施就是將該區域的發電廠位置進行偏移，實現以更少發電廠數量實現覆蓋同樣村鎮的目的。由此可得出結論：既定區域村鎮數量越多，該區域生物質熱電聯產電廠的服務范圍邊界形態就越接近于六邊形；既定區域村鎮數量越少，該區域生物質熱電聯產電廠的服務范圍邊界形態就越接近于圓形（見圖4）。村鎮人口與能源需求分布強度關系密切，通過與當地政府合作獲取村鎮人口數據，并運用GIS工具進行分析，可依據人均指標法將區域能源需求分布指標轉化為與之對應的生物質熱電聯產電廠產能量級，最終，生物質能發展網絡隨之出現幾種產能量級并存的格局形態。

上述生物質能發展網絡的基本形態與演化規則在應用至實際項目時，還需要借助于Arcgis等GIS分析工具進行輔助模擬量化分析。

圖3 生物質能發展網絡理想形態

圖4 生物質能發展網絡改良形態

2.3 確定研究對象

據官方統計數據，黑龍江省是我國農產品總產量最高的省份[10]，擁有極其雄厚的農業基礎，測算得出生物質潛能為9034.6萬t標準煤，其中農業生物質潛能為主要構成部分，占比達99.64%，林業生物質潛能則相當緊缺，僅占比0.36%[11]。富錦是典型的以農業為主的城市，位于黑龍江省東北部松花江下游南岸的三江平原，總面積8224km2，轄區內11個鎮與建三江農場的3個分局的人口密集，其余508個村屯為人口散布區域。能滿足上述理論模型應用的各項條件與要求，因此將其選為研究對象。

3 研究案例GIS分析

基于富錦市的基本情況，下面將運用GIS工具從電廠網絡的分布密度與權重分配2個層面展開優化分析，以此驗證生物質能發展網絡理論模型的實際效用。

3.1 分布密度優化分析

設定熱能傳輸閾值為8km、沿道路鋪設熱力與電力管線、以1km為基本單位進行區劃3個條件，在此前提下運用Arcgis軟件對富錦境內村鎮的道路網絡進行分析，可得到區域內不同距離分區的分析結果。村鎮體系被劃分為8個等級的距離分區，分別代表距離村鎮0~1000m到7000~8000m的區域。從熱能傳輸距離角度看，某區域顏色越深，則代表在該區域建設生物質熱電聯產電廠的熱能傳輸損耗越小，而白色區域則代表該區域不適合建設生物質熱電聯產電廠（見圖5）。

在進行生物質熱電聯產電廠選址時不僅要考慮熱能傳輸損耗，還需考慮發電廠本身的能源轉換效率。由上述研究成果得知，大型發電廠的能源轉換效率更高，因此在村鎮密集區域建設大型發電廠更經濟。而在村鎮稀疏區域建設大型發電廠會存在產能浪費現象，因此建設小型發電廠更為經濟。在熱能傳輸閾值為8km、針對村鎮密度差異有針對性地建設盡可能少的不同產能量級的電廠這2條基本原則指導下，在圖5的距離分區基礎上運用Arcgis運算生成半徑各不相同的多個發電廠服務區域，進而形成相應的生物質能發展網絡（見圖6）。

當發電廠與周邊發電廠距離較遠時，其服務范圍呈圓形；當發電廠與周邊發電廠距離較近時，其服務范圍呈圓形被直線或圓弧切割后的不規則形狀。熱力與電力管線都是沿道路鋪設的，因此道路系統的非直線系數導致實際發電廠服務范圍內任意村鎮的直線距離均在不同程度上＜8km。上述理論模型得出的平均值為5.67km，根據發電廠服務半徑統計富錦實際平均半徑為5.09km，略小于理論模型的5.67km。村鎮分布密度較高區域發電廠服務半徑偏小，村鎮分布密度較低區域發電廠服務半徑偏大。結論為村鎮分布密度與該區域內生物質熱電聯產電廠的服務半徑呈負相關關系。

圖5 富錦市熱能傳輸距離分區分析

圖6 富錦市熱電聯產管線網絡

3.2 權重分配優化分析

在建立生物質能發展網絡的空間分布信息后，還需進一步根據村鎮人口分布狀態估算區域內生物質熱電聯產電廠的產能量級，以確定電廠網絡的權重分配。根據富錦市統計年鑒數據，人口主要集中在11個鎮及建三江農場的3個分局，其他508個村屯的單個村屯人口處于80~600人范圍內，平均每村243人（見圖7）。

在確定生物質熱電聯產電廠產能量級的過程中，依據鎮與村屯的人口數據與人均用電水平測算各生物質熱電聯產電廠所需輸出的用電量，最終形成的權重分布結果是服務范圍覆蓋人口密集核心的發電廠都被確定為大型發電廠（產能量級600MW），服務范圍未覆蓋人口密集核心但覆蓋較多村鎮的發電廠被確定為中型發電廠（產能量級200MW），服務范圍未覆蓋人口密集核心且覆蓋村鎮數量較少的發電廠被確定為小型發電廠（產能量級100MW），最終形成擁有3個產能量級的生物質能發展網絡（見圖8）。

區別于以往村鎮規劃專業領域的判例式設計方法，依據熱能傳輸閾值、村鎮分布密度、人口分布狀態而進行的GIS模擬分析過程可使規劃設計過程具有邏輯推理基礎與量化分析數據的支撐，在此基礎上生成的規劃設計方案為富錦村鎮體系提供了可行性較強的生物質能發展網絡的建設指導。

圖7 富錦市人口分布狀態

圖8 富錦市生物質熱電聯產電廠產能量級分布

4 結語

由上述理論模型推導過程與案例GIS分析結果可得出以下結論。

1）在村鎮分布密度絕對平均的理想狀態下，生物質能發展網絡呈現出各電廠彼此距離均為9.83km的蜂巢狀分布形態。

2）村鎮分布密度越大，生物質熱電聯產電廠服務范圍的邊界形態越趨近于六邊形；村鎮分布密度越小，生物質熱電聯產電廠服務范圍的邊界形態越趨近于圓形。

3）村鎮體系內道路非直線系數、村鎮分布密度均與生物質熱電聯產電廠服務半徑的平均值呈負相關關系。

4）當村鎮體系內局部人口密度存在較大差異時，建設由大型、中型、小型生物質熱電聯產電廠構成的非均布式網絡格局更經濟。

運用GIS工具分析村鎮體系的村鎮分布狀態、人口密度數據，可測算得出生物質能發展網絡的分布密度與權重分配優選方案，由此生成的電廠網絡布局方案可從區域全局角度提高能源利用效率，減少前期建設成本。

參考文獻：

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