低碳理念下機場可再生能源布局規劃
——以北京首都國際機場為例

（中國民航科學技術研究院，北京 100028）

0 引言

近年來，傳統化石能源帶來的氣候變化和其他環境問題日趨嚴峻。據國際清潔交通委員會（International Council on Clean Transportation,ICCT）統計，2018年民航商業運輸碳排放總量達9.18億t，占全球碳排放總量的2.4%，該數據比5 年前增長了32%，民航業已成為全球碳排放的主要來源行業之一[1]，并且隨著民航業的高速發展，碳排放量還將持續上升。

機場是民航業主要的基礎設施，除空中飛行外，機場幾乎承載了民航的全部地面生產、運行活動，具有能源需求量大、用能設施復雜、能源結構多樣等特點。研究表明，機場的能源消耗情況相當于一座小型城市[2]。據統計，2018 年全國235 個運輸機場的碳排放總量約為300 萬t，其中電力消耗約占80%，煤炭消耗約占15%，汽柴油消耗約占5%[3]。雖然機場碳排放量只占民航業碳排放總量的2%～5%[2]，但是隨著機場業務量逐年遞增，其能源消耗的年增長率已達到10%～20%[3]，這將導致機場面臨嚴峻的環境壓力和能源短缺等問題。事實表明，傳統的節能手段已經不能滿足機場綠色運行的需求，提高可再生能源利用率已成為降低機場碳排放量、緩減機場能源壓力的主要手段之一[4]。

不同于傳統能源，可再生能源存在受自然條件約束大、供能周期性明顯、穩定性差等問題。因此，制定科學合理的規劃布局方案是保證可再生能源高效利用的前提和基礎。目前，已有大量針對可再生能源規劃布局方法的研究[5-8]，主要包括可再生能源評估體系、規模決策、優化布局等多個方面。Apak 等[9]對可再生能源項目指標體系進行了研究，結果表明，僅以經濟效益為標準建立指標體系不能全面評估可再生能源的適用性，還需要考慮其供能效率和污染物減排程度。代春艷等[10]在研究中建立了“能源-經濟-社會-環境”三級標準體系，用以評估可再生能源的綜合效益。Bhowmik 等[11]對可再生能源規模的模型計算方法進行了詳細分析，評估了神經網絡、模糊集理論、多目標決策等模型的特點，結果表明，多目標決策法在合理決策多個相互矛盾的目標時更具有優勢。Zangeneh 等[12]提出了一種靜態的模糊多目標模型，以優化一些相互沖突和競爭的目標函數，包括能源需求、能源價格以及運營和投資成本，不僅能減少可再生能源發電技術的投資風險，而且能使邊際收入達到最優。

當前，國內已有14 個民航機場[13]布局建設了可再生能源設施，包括北京首都國際機場、上海虹橋國際機場、深圳寶安國際機場等。但截至目前還沒有關于機場可再生能源項目規劃布局方面的系統性研究，未對機場可再生能源規劃布局存在的項目引入盲目、規模決策不準確、布局方法欠缺等問題給予系統性闡述。本研究在綜合考慮了機場用能現狀和運行特點的基礎上，針對以上問題提出了涵蓋可再生能源項目適用性指標體系、能源規模模型定量計算、能源設施布局優化以及綜合效益評估等4個方面的規劃方法，并以北京首都國際機場為例，對該方法進行驗證。

1 機場可再生能源規劃總體框架

綜合機場用能特點和地面設施的分布情況[14-15]，機場可再生能源規劃方法框架包括以下4個部分，技術路線如圖1所示。

（1）建立可再生能源指標體系。根據機場所處地理位置和自然環境條件，制定“資源-環境-經濟”指標體系，評估可再生能源項目的適用性，在規劃前端指導機場合理引入可再生能源項目。

（2）確定可再生能源項目布局規模。采用多目標選擇法確定能達到最大環境效益和經濟效益的可再生能源項目規模。

（3）確定可再生能源項目布局方案。根據機場規模及能源利用特點合理布設可再生能源項目的位置。

（4）方案評估及優化。對可再生能源規劃方案進行整體評估，并提出相應的優化方案。

圖1 機場可再生能源規劃技術路線圖

2 機場可再生能源布局規劃要點

2.1 可再生能源適用性指標體系

機場可再生能源項目的引入需要綜合考慮多方面因素。第一，需要因地制宜地引入適用于機場自然資源條件的可再生能源項目，使其供能效率最大化。第二，為提高機場開發可再生能源項目的積極性，在引入可再生能源項目時需要充分考慮其經濟收益。第三，需考慮到使用可再生能源的目的是減少機場對周邊環境的負面影響，實現機場的清潔發展。因此，本文從機場可再生能源利用效率、經濟效益、環境效益3 個維度共選取了11個指標，構建了機場可再生能源適用性評價指標體系。

該指標體系從系統角度對研究對象進行抽象化和概念化。指標體系最上層為目標層，反映了研究對象的總體目標。目標層以下為一級評價指標和二級評價指標，分別表示分目標和具體指標，具體包括：

（1）能源利用效率指標，反映機場可再生能源本底條件和可利用水平。機場可再生能源本底主要指機場區域的可再生能源賦存程度。可利用水平主要包括可再生能源設備功率和布設面積。

（2）經濟指標，反映可再生能源投資和回報的指標，包括投資成本、維護成本、能源收益率和成本覆蓋率。

（3）環境指標，反映可再生能源項目環境效益的指標，包括節約能源量、二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、細顆粒物減排量。

具體指標設置如表1所示。

2.2 基于多目標決策法的可再生能源規模決策

在確定機場可再生能源指標體系的基礎上，通過多目標選擇法確定各可再生能源的布局規模。多目標選擇法包括目標函數和約束條件兩部分。目標函數為機場可再生能源供能量最大值。約束條件分為可再生能源在機場布設總面積約束和總投資金額約束兩個方面。模型設置如下。

（1）目標函數

目標函數以每種可再生能源布設面積為自變量，其供能量如表2所示。

表1 機場可再生能源適用性評估三級指標體系

表2 可再生能源供能量

（2）約束條件

可再生能源設施的布局需符合機場本身的用地規劃，其布設范圍受到機場運行和建筑布局的影響。該約束條件的數學表達式為：

式（1）中：xi為第i種能源的布設面積（m2）；S為機場可利用面積（m2），該面積根據機場的運行條件、機場場地使用狀況及其近、遠期布局規劃確定。

此外，可再生能源項目投資成本和維修成本相差較大，需要在有限的投資金額約束下，達到能效最高的目標函數。該約束條件的數學表達式為：

式（2）中：xi為第i種能源的布設面積（m2）；di為第i種能源單位面積裝置的投資金額（萬元）；T為機場的總投資預算（萬元），根據每個機場的投資計劃確定。

綜上所述，建立機場可再生能源規劃模型如下：

式（3）中：x1,x2,x3,x4分別為機場太陽能光伏、風能、地熱能和生物質能設施布設面積（m2）。

2.3 可再生能源設施布局分析

根據機場的資源賦存和能源系統，機場可再生能源的利用方式可分為分布式、集中式和混合式3種（見表3）。

分布式可再生能源設施布局適合小型機場，其自然資源條件較差，不能集中供能。該利用方式下，為提高能源利用效率，可再生能源設施布局需要靠近主要用能單元，包括航站樓、大型用能設備等。

集中式可再生能源設施布局適合可再生能源資源潛力較好的機場，例如地熱資源豐富的西南地區以及太陽能資源豐富的西北地區。該利用方式下，可再生能源設施布局需要綜合考慮機場原有的能源系統并網條件，盡量布局于并網條件較好的位置，以提高并網效率。

混合式可再生能源布局包含分布式和集中式兩種供能方式，適用于用能條件復雜、用能種類多樣的大中型機場。其布局需要根據機場不同區域的用能特點，綜合考慮可再生能源的利用效率以及環境和經濟效益。

表3 不同利用方式下可再生能源設施布局

2.4 可再生能源項目環境效益及經濟效益評估

機場可再生能源項目評估包括環境效益評估和經濟效益評估（見表4）。其中，環境效益包括可再生能源項目實施后碳減排量和其他污染物減排量；經濟效益評估包括投資收益率和成本覆蓋率。

表4 可再生能源項目環境及經濟效益評估

3 機場可再生能源項目規劃實例

3.1 能源使用現狀及可再生能源利用潛力

以北京首都國際機場為例，采用以上方法對該機場可再生能源項目布局規劃進行模擬。分析機場能源利用現狀發現，機場主要能源為電力和熱力，主要用能設施為機場航站樓，約占總能源消耗的85%，其他地面設施占15%[16]。

從機場的用能現狀和地面設施布局特點來看，決定機場可再生能源利用潛力的主要因素包括可再生能源自然本底和可再生能源設施布設面積。

自然本底方面，該機場可利用的可再生能源包括太陽能、風能、地熱能以及生物質能。對機場所在區域地面輻射站點直接觀測的輻射數據和氣象資料進行分析，結果顯示該區域太陽能的年輻射總量為5 460MJ/m2，年日照時數為2 640h，日照有效天數為294d[17]。對風力資源進行分析，結果顯示該區域年平均有效風功率密度為67.7W/m2，年有效風功率小時數為2 475h[18]。由于機場所在區域處于北京地區地熱資源較好的天竺地熱田，該地熱田地熱埋管深度為40～150m，單位埋管深度換熱量為45W/m[19]。機場可利用的生物質資源主要是航空旅客產生的垃圾，一般情況下，國內航線旅客產生的垃圾量為0.32kg/人，國際航線旅客為0.50kg/人[20]。以該機場2018 年旅客運輸量計算，全年約產生垃圾1 851 萬t。按照生活垃圾中可焚燒比例為35%來計算，大約有647萬t垃圾可以被焚燒利用。

可再生能源設施布設面積方面，機場總占地面積為140 萬m2，其區域主要可劃分為航站區、飛行區和公共區。根據不同區域地面設施建設的結構、安全要求，對每個區域的可再生能源布局面積進行測算。航站區可用于布設可再生能源的總面積約為20.2 萬m2，包括1 號航站樓（T1）和2號航站樓（T2）屋頂；飛行區約為1.5萬m2，包括貨運區和維修區空地；公共區約為32萬m2，包括地面交通中心（Ground Transportation Center,GTC）屋頂和人員辦公區域空地等。具體分布如表5所示。

表5 機場可再生能源布局面積

此外，機場可再生能源布設面積還與裝置的布設方式有直接關系，不同的可再生能源裝置可利用面積率不同。周揚等[21]研究發現，太陽能光伏設施在城市建筑中的可利用面積率為20%，由此計算機場實際可布設光伏裝置面積為10.74萬m2，其中屋頂面積為7.44萬m2，地面面積為3.3萬m2。機場風能裝置對飛機安全運行影響較大，本文參考歐洲部分機場風力能源的可利用面積率為5%[22]對其布設面積進行計算。地熱能資源利用潛力主要取決于可布設面積內豎埋管的數量。一般情況下，地熱豎埋管間距為4～6m，考慮到機場的地熱資源賦存狀況，選取6m 作為豎埋管間距[23]。本研究中，地熱裝置主要布設于機場飛行區和公共區的空地上，對該區域地面和地下設施進行評估后，符合地熱裝置布設的面積約為3.3萬m2，約占整個機場空地面積的20%。

3.2 可再生能源項目適用性評估

綜合前文對機場可再生能源潛力的分析，太陽能、風能、地熱能及生物質能資源條件類指標計算結果如表6 所示。布設面積參數是基于對機場地面設施調研后各可再生能源項目的最大布設面積，其中受機場運行條件限制，生物質焚燒爐安裝位置僅限公共區。各類可再生能源投資成本和維護成本按照單位面積萬元進行計算[24]，碳稅按照北京市2019 年平均交易價格84.7 元/t 進行計算[25]。計算環境效益指標時，先將各類可再生能源供能量按照折標系數29 360kJ/t 折算成標準煤[26]，再參照表4 中的相關參數計算各污染物排放量。

從計算結果可以看出，機場可再生能源項目使用優劣順序為太陽能、地熱能、風能、生物質能。太陽能在資源可利用指標、經濟效益指標和環境效益指標3 個方面都優于其他3 種能源。地熱能比太陽能資源稍差，從資源可利用指標來看，地熱資源對布設范圍內土地質量要求較高，可布設面積有限，降低了其資源可利用量。另外，地熱資源一次性投資巨大，經濟性指標較太陽能資源大為降低。但是，地熱資源具有較好的環境效益，屬于優質清潔能源，不產生二氧化碳和顆粒物的排放。

表6 機場可再生能源項目指標值

風力資源項目和生物質資源項目在該機場并不適用。風力資源項目主要受風能資源不豐富、風力設施對機場運行安全影響較大等因素限制。生物質資源利用主要受垃圾焚燒帶來二次污染較重的問題所制約。綜上所述，該機場適于布局太陽能和地熱能設施。

3.3 可再生能源規模決策

根據可再生能源項目適用性評價結果，以太陽能光伏板布設面積（x1）和地熱埋管布設面積（x2）為自變量，設置目標函數如下：

代入各參數值，可得：

約束條件函數為：（1）太陽能在地面的布設面積和地熱能的布設面積之和不能超過機場總的空地面積（3.3萬m2）；（2）二者的總資金投入量不應超過機場全年總的節能減排投資額（1 億元）；（3）目前市場上太陽能裝置的投資成本約為120萬元/萬m2，地熱能的投資成本約為300 萬元/萬m2。約束條件函數如下：

采用Lingo 模型對以上函數進行求解，得到太陽能設施布設面積為7.44 萬m2，地熱能布設面積為3.3萬m2。

3.4 可再生能源布局方案

北京首都國際機場是目前我國最大的運輸機場，每年地面設施能耗約為12 萬t 標煤[15]，用能單元多，能源結構復雜，可再生能源項目適于混合式布局法。航站樓用能大、用電穩定性要求高，適合集中布局光伏設施，公共區對供熱需求較大，可布局地熱裝置；GTC 和飛行區貨站用能相對較少，可分散布局小型光伏設施和地熱設施。具體的布局方案如圖2所示。

圖2 光伏設施和地熱設施布局位置示意圖

3.5 環境效益及經濟效益評估

通過分析計算，北京首都國際機場太陽能光伏裝置的布設面積為7.44 萬m2，地熱能布設面積為3.3 萬m2，提供用電0.93 萬MWh，相當于機場全年用電量的9%，每年可節省2 790t標準煤。

從環境效益方面分析，利用可再生能源每年可實現二氧化碳減排7421.56t，二氧化硫減排32.72t，細顆粒物減排385.03t。從經濟效益方面分析，可再生能源普遍存在一次投資成本較大的問題。太陽能光伏裝置的投資成本和維護成本約為1 573 萬元，地熱裝置的投資成本和維護成本約為3 789 萬元。可再生裝置的收益主要是節約的電費和碳稅。太陽能光伏系統年節約費用112.68 萬元，靜態成本回收時間為9 年；地熱系統年節約費用102.2 萬元，靜態成本回收時間為13 年。本案例中，機場可再生能源的節能減排量如表7所示。

表7 機場可再生能源的節能減排量

4 結語

本文選取機場這一交通運輸樞紐，提出了“指標-決策-布局-評估”四位一體的可再生能源布局規劃方法。該方法給出了評估可再生能源在機場適用性的指標體系，在此基礎上利用多目標決策法定量分析可再生能源布局規模，并結合機場地面設施建設情況制定布局方案，最后從經濟效益和環境效益兩個方面對方案進行整體評估，為機場科學合理布局可再生能源項目提供了一個方法。但本研究在可再生能源項目布局方面僅考慮了機場規模及用能特點對布局的影響，尚未討論可再生能源對機場安全運行的影響，這是未來進一步研究的方向。