黑龙江省村镇体系生物质能源发展网络的空间模式分析

马克尼，张一飞

（1.中国城市规划设计研究院院士工作室，北京，100037；2.哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江哈尔滨，150001）

　　【摘要】为解决黑龙江省的能源危机与环境污染问题，以城乡规划学与能源资源学交叉研究为基础，揭示黑龙江省村镇体系生物质能开发选址与空间分布规律，制订生物质能空间规划。在不破坏生态环境的前提下，以经济最优为原则，根据运输成本、传输损耗、能源需求要素分析与优化生物质能源发展网络的空间模式。制订黑龙江省村镇体系生物质能空间规划能够弥补能源规划与空间规划脱节的不足，优化能源供应与消费结构，减少不可再生能源消耗，缓解能源危机，改善环境质量。

　　1.概述

　　生物质能是植物通过光合作用将太阳能转化为贮存在生物质载体中的能量形式。生物质载体可以表现为农业、林业、工业废弃物等实体形式，由于生物质载体具有可存储性与无污染性，因此成为不可替代的可再生能源与清洁能源。在目前的科学技术条件下，生物质直燃发电技术的能源转换效率要明显高于固化、液化、气化等转化形式，最高可达35%，是现阶段最佳的生物质能利用方式。面临化石能源等传统能源日益枯竭的形势，荷兰、德国、奥地利等欧洲国家积极推广生物质能发电技术，已经形成了成熟的热电联产技术体系，并且产生了良好的经济与生态效益。相比之下，我国农业产量最高的几个省仍然没有针对生物质能利用的完善的整体规划与应用技术体系。

　　1.1黑龙江省面临生物质能源浪费严重与能源短缺的矛盾

　　2013年农产品总产量全国第一的黑龙江省[1]生物质潜能巨大（表1），但目前大多数地区处理生物质的方法是烧荒，极少数地区则直接燃烧生物质来获得热能。烧荒不仅浪费了大量生物质能源，并且给邻近城市与村镇带来严重的空气污染；而直接燃烧生物质的能量转换效率仅为15%左右[2]，浪费极其严重。

　　长期大量消耗煤炭、石油的粗放型发展模式导致黑龙江省煤炭、石油产出量逐年缩减，发展生物质能源以缓解能源危机刻不容缓。黑龙江省新能源和可再生能源产业发展规划（2010-2020）[5]仅包含文本性计划纲领，缺乏资源空间分布分析与建设空间规划等图则类指导方针，没有形成系统发展生物质能源的空间规划与开发策略。

　　1.2制定生物质能源空间规划的意义

　　如果能够使黑龙江省生物质潜能利用率达到50%，且运用生物质直燃发电技术使生物质能源转换效率达到35%[2]，按照2013年黑龙江省火力发电能源加工转换效率为47.37%[3]的标准进行换算，则每年可节约3338万吨标准煤，进而达到优化区域能源供应与消费结构以及缓解能源危机的目的，使生物质能源在能源消费总量中所占比例达到42%左右（图1），此比例高于国家《可再生能源中长期发展规划》制定的至2020年使可再生能源在能源消费结构中达到15%左右的标准[6]。

　　仇保兴[7]认为农村能源系统建设应因地制宜地推广包括生物质能源在内的可再生能源，并在规划层面坚持功能和空间的有机混合。依据黑龙江省村镇体系空间布局特征建立的生物质能源发展网络能够弥补现有能源规划通过行政区划分配建设指标的粗放式规划方式的不足，为其提供空间规划图则与开发策略文本指导，通过符合区域能源供需条件的集约式规划方式来建立能源空间规划编制模式。

　　2.生物质能源发展网络的空间布局要素分析

　　目前，欧洲在生物质能源发展领域较为领先，理论与实践成果丰富。Biberacher[8]的生物质能源时间—空间模型依据GIS、RS数据评估生物质能源供求关系、运输因素、生物质潜能，处理能源需求的地理分项数据，根据生物质价格及气候等因素来确定生物质能源利用优化区域。Moser[9]在德国实施能源景观项目，其目标是使可再生能源在德国能源消费结构中构成比例达到100%。Späth[10]在奥地利高原地区应用能源区域方法指导区域发展战略规划，建立系统开发可再生能源的行动网络，挽救区域经济衰退。

　　通过对国外生物质能源研究成果的梳理，张一飞等人[11]基于生物质转化能源传输损耗阈值提出生物质能源发展网络的理念，对区域内多个生物质发电厂分布距离与位置的优化选择进行研究。由于该文献中的生物质能源发展网络只考虑了传输损耗因素的影响，因此推导得出的空间布局模式现实指导性不够强，下面将综合考虑运输成本、能源需求等要素以进行综合分析，致力于总结经济最优的生物质发电厂网络形态（图2）。

　　2.1原料运输成本对电厂分布距离的影响

　　以农业资源为主导的生物质能源发展策略需充分考虑生物质载体运输有效半径来确定最为经济的生物质能源生产用地布局方式。由于可再生能源载体运输距离具有阈值限制，因此运输半径过大会造成运输成本的增加，降低使用可再生能源的经济性。同时，生物质发电厂的运输半径也不是越小越好，半径过小会导致区域范围内生物质供应量达不到发电厂产能量级标准。因此，生物质发电厂的运输成本测算是非常复杂的过程，对此诸多学者也作出各自的计算方法。表2中采用的运输距离阈值等数值是根据已在生物质能发展领域获得卓著成绩的奥地利多位专家评估与GIS分析得出的综合结果[8]。

　　表2中奥地利专家拟定的农业生物质、林业生物质至运输网络的最大距离分别为500m、400m，其含义在于作为生物质原料采集区的农田、林区400~500m距离内必须铺设可供运输的道路；而至热力消费点最大距离为10000m的阈值限定的含义是指生物质发电厂的相互距离不能大于此数值。综上所述，可以运用于黑龙江省生物质能发展的奥地利专家的研究成果是生物质发电厂与村镇距离不得大于10km。

　　2.2能源传输损耗对电厂分布距离与设置数量的影响

　　目前较为成熟的生物质直接燃烧发电技术是通过热电联产的方式来运行的，由于电能传输损耗受距离限制极小，因此根据热能传输损耗来确定适宜的电厂分布距离。按中国常规供热网设计技术，主管道设计比摩阻可取60~100Pa/m，温降15~20℃/km，依据此数值建立的设计规范规定热电厂供热半径一般为6~8km，最长不超过10km[12]。为了避免温降过大，一般较少采用10km这一临界数值，因此采用8km作为最大能源传输半径更加经济。综合考虑我国供热网设计技术规范与奥地利专家给定的距离上限，采用8km这一数值作为生物质发电厂的供热半径上限更加适合黑龙江省。当以8km作为生物质发电厂服务半径来构建生物质发电厂网络时，在区域内生物质发电厂平均分布的假设下，发电厂彼此之间距离为13.86km（图3）。同时，也可以依据生物质发电厂传输最大距离阈值为8km这一结论来确定村镇半径与所需设置生物质发电厂数量之间的关系（图4）。

　　图4中，当村镇半径R≤4km时，至少需在郊区布置一处生物质能源生产用地，且当两个R<4km的村镇距离较近时，可在两点之间设置生物质能源生产用地。当4km<R≤5.6km时，至少需在居民定居点两侧郊区布置两处生物质能源生产用地。当5.6km<R≤8km时，至少需在居民定居点周边郊区布置三处生物质能源生产用地。当R>8km时，则无法通过郊区设置生物质能源生产用地的方法来实现覆盖城市全部范围，但带状分布宽度小于5.6km的居民定居点依然可以通过小半径定居点设置方法来进行布置。图4中生物质能源生产用地之间距离如果较近则会产生范围交集部分，这些交集区域就是生物质能源生产用地能够发挥最大效率的优先设置选择区域。

　　2.3区域能源需求对电厂区位与量级的影响

　　区域能源需求包含需求分布区域与需求分布强度两个层次的含义，如果将研究对象设定为村镇体系，那么所需确定的指标就是村镇区位与村镇人口，这两个指标将直接对生物质发电厂网络理想形态产生影响。

　　当某区域范围内无村镇分布时，生物质发电厂理想网络将在原有网络中去掉一个或多个发电厂，同时与该区域邻近的各电厂服务范围边界也由六边形转变为圆弧形。

　　在某区域范围内村镇分布密度较低时，生物质发电厂网络理想形态下的发电厂服务范围内涵盖村镇过少，建设成本与产出比极不经济，这时需要移动周边的发电厂位置，以最少的发电厂数量来实现覆盖区域范围内所有村镇的目标。

　　村镇人口是决定能源需求的根本因素，因此通过调查村镇人口数量可以确定生物质发电厂的产能量级，进而通过各种等级的生物质发电厂来构建区域范围内的生物质发电厂网络。由于区域能源需求分布的不均匀性，生物质发电厂网络理想形态将随之做出相应调整（图5）。

　　3.生物质能源发展网络理论模型的应用

　　享有“北国粮都”之称的县级市富锦市地处黑龙江省东北部松花江下游南岸的三江平原上，人口46.9万，全境东西180km，南北92km，总面积8224k㎡。由于生物质能发展网络是基于农业产量较高区域的村镇体系建立而成的，因此选择富锦市作为分析案例，依据上述生物质能源生产用地布置原则来对其进行分析。

　　首先将生物质发电厂理想网络加载至富锦市市域范围内，以覆盖富锦市全境范围为目标，可以形成A1至N3的69个六边形生物质发电厂服务区。在这种理想情况下，设置69个生物质发电厂能够满足富锦市全境范围内16个镇级居民点与448个村级居民点的用电与采暖需求，但由于村镇分布的不均匀性与人口密度的不同，这种均布式网络形态显然不是最为经济的布局模式（图6）。因此，需要根据村镇区位、人口所决定的能源需求来调整理想形态，形成更为经济的演变形态。

　　在富锦市域范围的边界区域，生物质发电厂网络理想形态中的很多发电厂服务范围内只有少量面积是真正的供电区域，这种情况造成了这些发电厂效率低下。因此，在经济最优原则的指引下，去除A1、A3……N2、N3等29个位于边界处或村镇密度极低区域的发电厂可以使整个网络更具效率。同时，调整剩余的40个发电厂的位置，使其服务范围能够覆盖被去除的29个发电厂遗留下的服务盲区。通过去除29个发电厂与调整剩余的40个发电厂位置的方法，可以得到效率更高的生物质发电厂理想网络演变形态（图7）。

　　根据富锦市各村镇人口统计数据（表3）可以看出，大于10000人的镇为4个，大于1000人但小于10000人的镇为4个，小于1000人的村、镇为456个，因此可以根据人口规模及人均用电量将生物质发电厂按照发电量等级划分为大型（年发电量240兆瓦）、中型（年发电量60兆瓦）、小型（24兆瓦）三个等级，进而形成非均布式生物质能源供需分布网络形态（图7）。

　　对比生物质发电厂网络理想形态与演变形态的形态差异，可以得出以下两条推理规则：

　　（1）村镇密度越高，生物质发电厂服务区域越趋近于六边形；村镇密度越低，生物质发电厂服务区域越趋近于圆形。

　　（2）生物质发电厂越靠近核心区，其服务区域越趋近于六边形；生物质发电厂越靠近边缘区，其服务区域越趋近于圆形。

　　经过村镇与人口分布优化后的生物质发电厂理想网络演变形态相对于理想形态减少了近42%的投资总额，各个发电厂区位也更趋于合理，进而形成了区域内按需分布、不同等级的能源网络形态。

　　4.结论

　　通过上述理论阐述以及案例应用分析，可以得出以下结论：

　　（1）黑龙江省生物质潜能巨大，但目前几乎没有被合理利用，资源浪费严重，如果能够统筹规划利用省内生物质能源存量（2013年产值为9034.6万吨标准煤）的50%，可以使生物质能源在能源消费结构中所占比例达到42%，起到减少不可再生能源消耗、优化能源消费结构的目的。

　　（2）原料运输成本、能源传输损耗是决定生物质发电厂网络密度的关键因素，综合考虑这两种因素以及奥地利学者研究成果、热网设计规范，可以建立起以边长13.86km的六边形为基本单元的蜂窝拓扑结构的生物质发电厂网络理想形态。

　　（3）区域能源需求是生物质发电厂网络由理想形态向演变形态进化的关键因素，在分析其包含的需求分布区域与需求分布强度两个层次的内容后，可以形成经济效率更高、非均布式、按需分布、等级分明的生物质发电厂网络演变形态。

　　（4）村镇密度与村镇体系地域界限会对生物质发电厂服务区域产生影响，村镇高密度分布区域的生物质发电厂服务区域趋近于六边形，村镇低密度区域的生物质发电厂服务区域趋近于圆形；靠近核心区的生物质发电厂服务区域趋近于六边形；靠近边缘区的生物质发电厂服务区域趋近于圆形。

　　（5）生物质能源发展网络的空间模式研究不仅适用于黑龙江省，还可以扩展应用于其他同样农业产量高的地区，但发展网络的规模与密度会根据具体地区的村镇分布密度差异产生变化。