馬克尼，張一飛

（1.中國城市規劃設計研究院院士工作室，北京，100037；2.哈爾濱工業大學建筑學院，黑龍江哈爾濱，150001）

　　【摘要】為解決黑龍江省的能源危機與環境污染問題，以城鄉規劃學與能源資源學交叉研究為基礎，揭示黑龍江省村鎮體系生物質能開發選址與空間分布規律，制訂生物質能空間規劃。在不破壞生態環境的前提下，以經濟最優為原則，根據運輸成本、傳輸損耗、能源需求要素分析與優化生物質能源發展網絡的空間模式。制訂黑龍江省村鎮體系生物質能空間規劃能夠彌補能源規劃與空間規劃脫節的不足，優化能源供應與消費結構，減少不可再生能源消耗，緩解能源危機，改善環境質量。

　　1.概述

　　生物質能是植物通過光合作用將太陽能轉化為貯存在生物質載體中的能量形式。生物質載體可以表現為農業、林業、工業廢棄物等實體形式，由于生物質載體具有可存儲性與無污染性，因此成為不可替代的可再生能源與清潔能源。在目前的科學技術條件下，生物質直燃發電技術的能源轉換效率要明顯高于固化、液化、氣化等轉化形式，最高可達35%，是現階段最佳的生物質能利用方式。面臨化石能源等傳統能源日益枯竭的形勢，荷蘭、德國、奧地利等歐洲國家積極推廣生物質能發電技術，已經形成了成熟的熱電聯產技術體系，并且產生了良好的經濟與生態效益。相比之下，我國農業產量最高的幾個省仍然沒有針對生物質能利用的完善的整體規劃與應用技術體系。

　　1.1黑龍江省面臨生物質能源浪費嚴重與能源短缺的矛盾

　　2013年農產品總產量全國第一的黑龍江省[1]生物質潛能巨大（表1），但目前大多數地區處理生物質的方法是燒荒，極少數地區則直接燃燒生物質來獲得熱能。燒荒不僅浪費了大量生物質能源，并且給鄰近城市與村鎮帶來嚴重的空氣污染；而直接燃燒生物質的能量轉換效率僅為15%左右[2]，浪費極其嚴重。

　　長期大量消耗煤炭、石油的粗放型發展模式導致黑龍江省煤炭、石油產出量逐年縮減，發展生物質能源以緩解能源危機刻不容緩。黑龍江省新能源和可再生能源產業發展規劃（2010-2020）[5]僅包含文本性計劃綱領，缺乏資源空間分布分析與建設空間規劃等圖則類指導方針，沒有形成系統發展生物質能源的空間規劃與開發策略。

　　1.2制定生物質能源空間規劃的意義

　　如果能夠使黑龍江省生物質潛能利用率達到50%，且運用生物質直燃發電技術使生物質能源轉換效率達到35%[2]，按照2013年黑龍江省火力發電能源加工轉換效率為47.37%[3]的標準進行換算，則每年可節約3338萬噸標準煤，進而達到優化區域能源供應與消費結構以及緩解能源危機的目的，使生物質能源在能源消費總量中所占比例達到42%左右（圖1），此比例高于國家《可再生能源中長期發展規劃》制定的至2020年使可再生能源在能源消費結構中達到15%左右的標準[6]。

　　仇保興[7]認為農村能源系統建設應因地制宜地推廣包括生物質能源在內的可再生能源，并在規劃層面堅持功能和空間的有機混合。依據黑龍江省村鎮體系空間布局特征建立的生物質能源發展網絡能夠彌補現有能源規劃通過行政區劃分配建設指標的粗放式規劃方式的不足，為其提供空間規劃圖則與開發策略文本指導，通過符合區域能源供需條件的集約式規劃方式來建立能源空間規劃編制模式。

　　2.生物質能源發展網絡的空間布局要素分析

　　目前，歐洲在生物質能源發展領域較為領先，理論與實踐成果豐富。Biberacher[8]的生物質能源時間—空間模型依據GIS、RS數據評估生物質能源供求關系、運輸因素、生物質潛能，處理能源需求的地理分項數據，根據生物質價格及氣候等因素來確定生物質能源利用優化區域。Moser[9]在德國實施能源景觀項目，其目標是使可再生能源在德國能源消費結構中構成比例達到100%。Späth[10]在奧地利高原地區應用能源區域方法指導區域發展戰略規劃，建立系統開發可再生能源的行動網絡，挽救區域經濟衰退。

　　通過對國外生物質能源研究成果的梳理，張一飛等人[11]基于生物質轉化能源傳輸損耗閾值提出生物質能源發展網絡的理念，對區域內多個生物質發電廠分布距離與位置的優化選擇進行研究。由于該文獻中的生物質能源發展網絡只考慮了傳輸損耗因素的影響，因此推導得出的空間布局模式現實指導性不夠強，下面將綜合考慮運輸成本、能源需求等要素以進行綜合分析，致力于總結經濟最優的生物質發電廠網絡形態（圖2）。

　　2.1原料運輸成本對電廠分布距離的影響

　　以農業資源為主導的生物質能源發展策略需充分考慮生物質載體運輸有效半徑來確定最為經濟的生物質能源生產用地布局方式。由于可再生能源載體運輸距離具有閾值限制，因此運輸半徑過大會造成運輸成本的增加，降低使用可再生能源的經濟性。同時，生物質發電廠的運輸半徑也不是越小越好，半徑過小會導致區域范圍內生物質供應量達不到發電廠產能量級標準。因此，生物質發電廠的運輸成本測算是非常復雜的過程，對此諸多學者也作出各自的計算方法。表2中采用的運輸距離閾值等數值是根據已在生物質能發展領域獲得卓著成績的奧地利多位專家評估與GIS分析得出的綜合結果[8]。

　　表2中奧地利專家擬定的農業生物質、林業生物質至運輸網絡的最大距離分別為500m、400m，其含義在于作為生物質原料采集區的農田、林區400~500m距離內必須鋪設可供運輸的道路；而至熱力消費點最大距離為10000m的閾值限定的含義是指生物質發電廠的相互距離不能大于此數值。綜上所述，可以運用于黑龍江省生物質能發展的奧地利專家的研究成果是生物質發電廠與村鎮距離不得大于10km。

　　2.2能源傳輸損耗對電廠分布距離與設置數量的影響

　　目前較為成熟的生物質直接燃燒發電技術是通過熱電聯產的方式來運行的，由于電能傳輸損耗受距離限制極小，因此根據熱能傳輸損耗來確定適宜的電廠分布距離。按中國常規供熱網設計技術，主管道設計比摩阻可取60~100Pa/m，溫降15~20℃/km，依據此數值建立的設計規范規定熱電廠供熱半徑一般為6~8km，最長不超過10km[12]。為了避免溫降過大，一般較少采用10km這一臨界數值，因此采用8km作為最大能源傳輸半徑更加經濟。綜合考慮我國供熱網設計技術規范與奧地利專家給定的距離上限，采用8km這一數值作為生物質發電廠的供熱半徑上限更加適合黑龍江省。當以8km作為生物質發電廠服務半徑來構建生物質發電廠網絡時，在區域內生物質發電廠平均分布的假設下，發電廠彼此之間距離為13.86km（圖3）。同時，也可以依據生物質發電廠傳輸最大距離閾值為8km這一結論來確定村鎮半徑與所需設置生物質發電廠數量之間的關系（圖4）。

　　圖4中，當村鎮半徑R≤4km時，至少需在郊區布置一處生物質能源生產用地，且當兩個R<4km的村鎮距離較近時，可在兩點之間設置生物質能源生產用地。當4km<R≤5.6km時，至少需在居民定居點兩側郊區布置兩處生物質能源生產用地。當5.6km<R≤8km時，至少需在居民定居點周邊郊區布置三處生物質能源生產用地。當R>8km時，則無法通過郊區設置生物質能源生產用地的方法來實現覆蓋城市全部范圍，但帶狀分布寬度小于5.6km的居民定居點依然可以通過小半徑定居點設置方法來進行布置。圖4中生物質能源生產用地之間距離如果較近則會產生范圍交集部分，這些交集區域就是生物質能源生產用地能夠發揮最大效率的優先設置選擇區域。

　　2.3區域能源需求對電廠區位與量級的影響

　　區域能源需求包含需求分布區域與需求分布強度兩個層次的含義，如果將研究對象設定為村鎮體系，那么所需確定的指標就是村鎮區位與村鎮人口，這兩個指標將直接對生物質發電廠網絡理想形態產生影響。

　　當某區域范圍內無村鎮分布時，生物質發電廠理想網絡將在原有網絡中去掉一個或多個發電廠，同時與該區域鄰近的各電廠服務范圍邊界也由六邊形轉變為圓弧形。

　　在某區域范圍內村鎮分布密度較低時，生物質發電廠網絡理想形態下的發電廠服務范圍內涵蓋村鎮過少，建設成本與產出比極不經濟，這時需要移動周邊的發電廠位置，以最少的發電廠數量來實現覆蓋區域范圍內所有村鎮的目標。

　　村鎮人口是決定能源需求的根本因素，因此通過調查村鎮人口數量可以確定生物質發電廠的產能量級，進而通過各種等級的生物質發電廠來構建區域范圍內的生物質發電廠網絡。由于區域能源需求分布的不均勻性，生物質發電廠網絡理想形態將隨之做出相應調整（圖5）。

　　3.生物質能源發展網絡理論模型的應用

　　享有“北國糧都”之稱的縣級市富錦市地處黑龍江省東北部松花江下游南岸的三江平原上，人口46.9萬，全境東西180km，南北92km，總面積8224k㎡。由于生物質能發展網絡是基于農業產量較高區域的村鎮體系建立而成的，因此選擇富錦市作為分析案例，依據上述生物質能源生產用地布置原則來對其進行分析。

　　首先將生物質發電廠理想網絡加載至富錦市市域范圍內，以覆蓋富錦市全境范圍為目標，可以形成A1至N3的69個六邊形生物質發電廠服務區。在這種理想情況下，設置69個生物質發電廠能夠滿足富錦市全境范圍內16個鎮級居民點與448個村級居民點的用電與采暖需求，但由于村鎮分布的不均勻性與人口密度的不同，這種均布式網絡形態顯然不是最為經濟的布局模式（圖6）。因此，需要根據村鎮區位、人口所決定的能源需求來調整理想形態，形成更為經濟的演變形態。

　　在富錦市域范圍的邊界區域，生物質發電廠網絡理想形態中的很多發電廠服務范圍內只有少量面積是真正的供電區域，這種情況造成了這些發電廠效率低下。因此，在經濟最優原則的指引下，去除A1、A3……N2、N3等29個位于邊界處或村鎮密度極低區域的發電廠可以使整個網絡更具效率。同時，調整剩余的40個發電廠的位置，使其服務范圍能夠覆蓋被去除的29個發電廠遺留下的服務盲區。通過去除29個發電廠與調整剩余的40個發電廠位置的方法，可以得到效率更高的生物質發電廠理想網絡演變形態（圖7）。

　　根據富錦市各村鎮人口統計數據（表3）可以看出，大于10000人的鎮為4個，大于1000人但小于10000人的鎮為4個，小于1000人的村、鎮為456個，因此可以根據人口規模及人均用電量將生物質發電廠按照發電量等級劃分為大型（年發電量240兆瓦）、中型（年發電量60兆瓦）、小型（24兆瓦）三個等級，進而形成非均布式生物質能源供需分布網絡形態（圖7）。

　　對比生物質發電廠網絡理想形態與演變形態的形態差異，可以得出以下兩條推理規則：

　　（1）村鎮密度越高，生物質發電廠服務區域越趨近于六邊形；村鎮密度越低，生物質發電廠服務區域越趨近于圓形。

　　（2）生物質發電廠越靠近核心區，其服務區域越趨近于六邊形；生物質發電廠越靠近邊緣區，其服務區域越趨近于圓形。

　　經過村鎮與人口分布優化后的生物質發電廠理想網絡演變形態相對于理想形態減少了近42%的投資總額，各個發電廠區位也更趨于合理，進而形成了區域內按需分布、不同等級的能源網絡形態。

　　4.結論

　　通過上述理論闡述以及案例應用分析，可以得出以下結論：

　?。?）黑龍江省生物質潛能巨大，但目前幾乎沒有被合理利用，資源浪費嚴重，如果能夠統籌規劃利用省內生物質能源存量（2013年產值為9034.6萬噸標準煤）的50%，可以使生物質能源在能源消費結構中所占比例達到42%，起到減少不可再生能源消耗、優化能源消費結構的目的。

　?。?）原料運輸成本、能源傳輸損耗是決定生物質發電廠網絡密度的關鍵因素，綜合考慮這兩種因素以及奧地利學者研究成果、熱網設計規范，可以建立起以邊長13.86km的六邊形為基本單元的蜂窩拓撲結構的生物質發電廠網絡理想形態。

　?。?）區域能源需求是生物質發電廠網絡由理想形態向演變形態進化的關鍵因素，在分析其包含的需求分布區域與需求分布強度兩個層次的內容后，可以形成經濟效率更高、非均布式、按需分布、等級分明的生物質發電廠網絡演變形態。

　?。?）村鎮密度與村鎮體系地域界限會對生物質發電廠服務區域產生影響，村鎮高密度分布區域的生物質發電廠服務區域趨近于六邊形，村鎮低密度區域的生物質發電廠服務區域趨近于圓形；靠近核心區的生物質發電廠服務區域趨近于六邊形；靠近邊緣區的生物質發電廠服務區域趨近于圓形。

　?。?）生物質能源發展網絡的空間模式研究不僅適用于黑龍江省，還可以擴展應用于其他同樣農業產量高的地區，但發展網絡的規模與密度會根據具體地區的村鎮分布密度差異產生變化。