低碳理念下機(jī)場可再生能源布局規(guī)劃
——以北京首都國際機(jī)場為例

（中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028）

0 引言

近年來，傳統(tǒng)化石能源帶來的氣候變化和其他環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻。據(jù)國際清潔交通委員會（International Council on Clean Transportation,ICCT）統(tǒng)計(jì)，2018年民航商業(yè)運(yùn)輸碳排放總量達(dá)9.18億t，占全球碳排放總量的2.4%，該數(shù)據(jù)比5 年前增長了32%，民航業(yè)已成為全球碳排放的主要來源行業(yè)之一[1]，并且隨著民航業(yè)的高速發(fā)展，碳排放量還將持續(xù)上升。

機(jī)場是民航業(yè)主要的基礎(chǔ)設(shè)施，除空中飛行外，機(jī)場幾乎承載了民航的全部地面生產(chǎn)、運(yùn)行活動，具有能源需求量大、用能設(shè)施復(fù)雜、能源結(jié)構(gòu)多樣等特點(diǎn)。研究表明，機(jī)場的能源消耗情況相當(dāng)于一座小型城市[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年全國235 個(gè)運(yùn)輸機(jī)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(jī)場碳排放量只占民航業(yè)碳排放總量的2%～5%[2]，但是隨著機(jī)場業(yè)務(wù)量逐年遞增，其能源消耗的年增長率已達(dá)到10%～20%[3]，這將導(dǎo)致機(jī)場面臨嚴(yán)峻的環(huán)境壓力和能源短缺等問題。事實(shí)表明，傳統(tǒng)的節(jié)能手段已經(jīng)不能滿足機(jī)場綠色運(yùn)行的需求，提高可再生能源利用率已成為降低機(jī)場碳排放量、緩減機(jī)場能源壓力的主要手段之一[4]。

不同于傳統(tǒng)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(wěn)定性差等問題。因此，制定科學(xué)合理的規(guī)劃布局方案是保證可再生能源高效利用的前提和基礎(chǔ)。目前，已有大量針對可再生能源規(guī)劃布局方法的研究[5-8]，主要包括可再生能源評估體系、規(guī)模決策、優(yōu)化布局等多個(gè)方面。Apak 等[9]對可再生能源項(xiàng)目指標(biāo)體系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，僅以經(jīng)濟(jì)效益為標(biāo)準(zhǔn)建立指標(biāo)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(jīng)濟(jì)-社會-環(huán)境”三級標(biāo)準(zhǔn)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(guī)模的模型計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，評估了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集理論、多目標(biāo)決策等模型的特點(diǎn)，結(jié)果表明，多目標(biāo)決策法在合理決策多個(gè)相互矛盾的目標(biāo)時(shí)更具有優(yōu)勢。Zangeneh 等[12]提出了一種靜態(tài)的模糊多目標(biāo)模型，以優(yōu)化一些相互沖突和競爭的目標(biāo)函數(shù)，包括能源需求、能源價(jià)格以及運(yùn)營和投資成本，不僅能減少可再生能源發(fā)電技術(shù)的投資風(fēng)險(xiǎn)，而且能使邊際收入達(dá)到最優(yōu)。

當(dāng)前，國內(nèi)已有14 個(gè)民航機(jī)場[13]布局建設(shè)了可再生能源設(shè)施，包括北京首都國際機(jī)場、上海虹橋國際機(jī)場、深圳寶安國際機(jī)場等。但截至目前還沒有關(guān)于機(jī)場可再生能源項(xiàng)目規(guī)劃布局方面的系統(tǒng)性研究，未對機(jī)場可再生能源規(guī)劃布局存在的項(xiàng)目引入盲目、規(guī)模決策不準(zhǔn)確、布局方法欠缺等問題給予系統(tǒng)性闡述。本研究在綜合考慮了機(jī)場用能現(xiàn)狀和運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對以上問題提出了涵蓋可再生能源項(xiàng)目適用性指標(biāo)體系、能源規(guī)模模型定量計(jì)算、能源設(shè)施布局優(yōu)化以及綜合效益評估等4個(gè)方面的規(guī)劃方法，并以北京首都國際機(jī)場為例，對該方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 機(jī)場可再生能源規(guī)劃總體框架

綜合機(jī)場用能特點(diǎn)和地面設(shè)施的分布情況[14-15]，機(jī)場可再生能源規(guī)劃方法框架包括以下4個(gè)部分，技術(shù)路線如圖1所示。

（1）建立可再生能源指標(biāo)體系。根據(jù)機(jī)場所處地理位置和自然環(huán)境條件，制定“資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)”指標(biāo)體系，評估可再生能源項(xiàng)目的適用性，在規(guī)劃前端指導(dǎo)機(jī)場合理引入可再生能源項(xiàng)目。

（2）確定可再生能源項(xiàng)目布局規(guī)模。采用多目標(biāo)選擇法確定能達(dá)到最大環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的可再生能源項(xiàng)目規(guī)模。

（3）確定可再生能源項(xiàng)目布局方案。根據(jù)機(jī)場規(guī)模及能源利用特點(diǎn)合理布設(shè)可再生能源項(xiàng)目的位置。

（4）方案評估及優(yōu)化。對可再生能源規(guī)劃方案進(jìn)行整體評估，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

圖1 機(jī)場可再生能源規(guī)劃技術(shù)路線圖

2 機(jī)場可再生能源布局規(guī)劃要點(diǎn)

2.1 可再生能源適用性指標(biāo)體系

機(jī)場可再生能源項(xiàng)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(jī)場自然資源條件的可再生能源項(xiàng)目，使其供能效率最大化。第二，為提高機(jī)場開發(fā)可再生能源項(xiàng)目的積極性，在引入可再生能源項(xiàng)目時(shí)需要充分考慮其經(jīng)濟(jì)收益。第三，需考慮到使用可再生能源的目的是減少機(jī)場對周邊環(huán)境的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)機(jī)場的清潔發(fā)展。因此，本文從機(jī)場可再生能源利用效率、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益3 個(gè)維度共選取了11個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建了機(jī)場可再生能源適用性評價(jià)指標(biāo)體系。

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

（1）能源利用效率指標(biāo)，反映機(jī)場可再生能源本底條件和可利用水平。機(jī)場可再生能源本底主要指機(jī)場區(qū)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(shè)備功率和布設(shè)面積。

（2）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，反映可再生能源投資和回報(bào)的指標(biāo)，包括投資成本、維護(hù)成本、能源收益率和成本覆蓋率。

（3）環(huán)境指標(biāo)，反映可再生能源項(xiàng)目環(huán)境效益的指標(biāo)，包括節(jié)約能源量、二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、細(xì)顆粒物減排量。

具體指標(biāo)設(shè)置如表1所示。

2.2 基于多目標(biāo)決策法的可再生能源規(guī)模決策

在確定機(jī)場可再生能源指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，通過多目標(biāo)選擇法確定各可再生能源的布局規(guī)模。多目標(biāo)選擇法包括目標(biāo)函數(shù)和約束條件兩部分。目標(biāo)函數(shù)為機(jī)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(jī)場布設(shè)總面積約束和總投資金額約束兩個(gè)方面。模型設(shè)置如下。

（1）目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)以每種可再生能源布設(shè)面積為自變量，其供能量如表2所示。

表1 機(jī)場可再生能源適用性評估三級指標(biāo)體系

表2 可再生能源供能量

（2）約束條件

可再生能源設(shè)施的布局需符合機(jī)場本身的用地規(guī)劃，其布設(shè)范圍受到機(jī)場運(yùn)行和建筑布局的影響。該約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式（1）中：xi為第i種能源的布設(shè)面積（m2）；S為機(jī)場可利用面積（m2），該面積根據(jù)機(jī)場的運(yùn)行條件、機(jī)場場地使用狀況及其近、遠(yuǎn)期布局規(guī)劃確定。

此外，可再生能源項(xiàng)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(dá)到能效最高的目標(biāo)函數(shù)。該約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式（2）中：xi為第i種能源的布設(shè)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(jī)場的總投資預(yù)算（萬元），根據(jù)每個(gè)機(jī)場的投資計(jì)劃確定。

綜上所述，建立機(jī)場可再生能源規(guī)劃模型如下：

式（3）中：x1,x2,x3,x4分別為機(jī)場太陽能光伏、風(fēng)能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能設(shè)施布設(shè)面積（m2）。

2.3 可再生能源設(shè)施布局分析

根據(jù)機(jī)場的資源賦存和能源系統(tǒng)，機(jī)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(shè)施布局適合小型機(jī)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(shè)施布局需要靠近主要用能單元，包括航站樓、大型用能設(shè)備等。

集中式可再生能源設(shè)施布局適合可再生能源資源潛力較好的機(jī)場，例如地?zé)豳Y源豐富的西南地區(qū)以及太陽能資源豐富的西北地區(qū)。該利用方式下，可再生能源設(shè)施布局需要綜合考慮機(jī)場原有的能源系統(tǒng)并網(wǎng)條件，盡量布局于并網(wǎng)條件較好的位置，以提高并網(wǎng)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(fù)雜、用能種類多樣的大中型機(jī)場。其布局需要根據(jù)機(jī)場不同區(qū)域的用能特點(diǎn)，綜合考慮可再生能源的利用效率以及環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

表3 不同利用方式下可再生能源設(shè)施布局

2.4 可再生能源項(xiàng)目環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益評估

機(jī)場可再生能源項(xiàng)目評估包括環(huán)境效益評估和經(jīng)濟(jì)效益評估（見表4）。其中，環(huán)境效益包括可再生能源項(xiàng)目實(shí)施后碳減排量和其他污染物減排量；經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益評估

3 機(jī)場可再生能源項(xiàng)目規(guī)劃實(shí)例

3.1 能源使用現(xiàn)狀及可再生能源利用潛力

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

從機(jī)場的用能現(xiàn)狀和地面設(shè)施布局特點(diǎn)來看，決定機(jī)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(shè)施布設(shè)面積。

自然本底方面，該機(jī)場可利用的可再生能源包括太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芤约吧镔|(zhì)能。對機(jī)場所在區(qū)域地面輻射站點(diǎn)直接觀測的輻射數(shù)據(jù)和氣象資料進(jìn)行分析，結(jié)果顯示該區(qū)域太陽能的年輻射總量為5 460MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)為2 640h，日照有效天數(shù)為294d[17]。對風(fēng)力資源進(jìn)行分析，結(jié)果顯示該區(qū)域年平均有效風(fēng)功率密度為67.7W/m2，年有效風(fēng)功率小時(shí)數(shù)為2 475h[18]。由于機(jī)場所在區(qū)域處于北京地區(qū)地?zé)豳Y源較好的天竺地?zé)崽铮摰責(zé)崽锏責(zé)崧窆苌疃葹?0～150m，單位埋管深度換熱量為45W/m[19]。機(jī)場可利用的生物質(zhì)資源主要是航空旅客產(chǎn)生的垃圾，一般情況下，國內(nèi)航線旅客產(chǎn)生的垃圾量為0.32kg/人，國際航線旅客為0.50kg/人[20]。以該機(jī)場2018 年旅客運(yùn)輸量計(jì)算，全年約產(chǎn)生垃圾1 851 萬t。按照生活垃圾中可焚燒比例為35%來計(jì)算，大約有647萬t垃圾可以被焚燒利用。

可再生能源設(shè)施布設(shè)面積方面，機(jī)場總占地面積為140 萬m2，其區(qū)域主要可劃分為航站區(qū)、飛行區(qū)和公共區(qū)。根據(jù)不同區(qū)域地面設(shè)施建設(shè)的結(jié)構(gòu)、安全要求，對每個(gè)區(qū)域的可再生能源布局面積進(jìn)行測算。航站區(qū)可用于布設(shè)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(qū)約為1.5萬m2，包括貨運(yùn)區(qū)和維修區(qū)空地；公共區(qū)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(qū)域空地等。具體分布如表5所示。

表5 機(jī)場可再生能源布局面積

此外，機(jī)場可再生能源布設(shè)面積還與裝置的布設(shè)方式有直接關(guān)系，不同的可再生能源裝置可利用面積率不同。周揚(yáng)等[21]研究發(fā)現(xiàn)，太陽能光伏設(shè)施在城市建筑中的可利用面積率為20%，由此計(jì)算機(jī)場實(shí)際可布設(shè)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(jī)場風(fēng)能裝置對飛機(jī)安全運(yùn)行影響較大，本文參考?xì)W洲部分機(jī)場風(fēng)力能源的可利用面積率為5%[22]對其布設(shè)面積進(jìn)行計(jì)算。地?zé)崮苜Y源利用潛力主要取決于可布設(shè)面積內(nèi)豎埋管的數(shù)量。一般情況下，地?zé)嶝Q埋管間距為4～6m，考慮到機(jī)場的地?zé)豳Y源賦存狀況，選取6m 作為豎埋管間距[23]。本研究中，地?zé)嵫b置主要布設(shè)于機(jī)場飛行區(qū)和公共區(qū)的空地上，對該區(qū)域地面和地下設(shè)施進(jìn)行評估后，符合地?zé)嵫b置布設(shè)的面積約為3.3萬m2，約占整個(gè)機(jī)場空地面積的20%。

3.2 可再生能源項(xiàng)目適用性評估

綜合前文對機(jī)場可再生能源潛力的分析，太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芗吧镔|(zhì)能資源條件類指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表6 所示。布設(shè)面積參數(shù)是基于對機(jī)場地面設(shè)施調(diào)研后各可再生能源項(xiàng)目的最大布設(shè)面積，其中受機(jī)場運(yùn)行條件限制，生物質(zhì)焚燒爐安裝位置僅限公共區(qū)。各類可再生能源投資成本和維護(hù)成本按照單位面積萬元進(jìn)行計(jì)算[24]，碳稅按照北京市2019 年平均交易價(jià)格84.7 元/t 進(jìn)行計(jì)算[25]。計(jì)算環(huán)境效益指標(biāo)時(shí)，先將各類可再生能源供能量按照折標(biāo)系數(shù)29 360kJ/t 折算成標(biāo)準(zhǔn)煤[26]，再參照表4 中的相關(guān)參數(shù)計(jì)算各污染物排放量。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，機(jī)場可再生能源項(xiàng)目使用優(yōu)劣順序?yàn)樘柲?、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能。太陽能在資源可利用指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)和環(huán)境效益指標(biāo)3 個(gè)方面都優(yōu)于其他3 種能源。地?zé)崮鼙忍柲苜Y源稍差，從資源可利用指標(biāo)來看，地?zé)豳Y源對布設(shè)范圍內(nèi)土地質(zhì)量要求較高，可布設(shè)面積有限，降低了其資源可利用量。另外，地?zé)豳Y源一次性投資巨大，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較太陽能資源大為降低。但是，地?zé)豳Y源具有較好的環(huán)境效益，屬于優(yōu)質(zhì)清潔能源，不產(chǎn)生二氧化碳和顆粒物的排放。

表6 機(jī)場可再生能源項(xiàng)目指標(biāo)值

風(fēng)力資源項(xiàng)目和生物質(zhì)資源項(xiàng)目在該機(jī)場并不適用。風(fēng)力資源項(xiàng)目主要受風(fēng)能資源不豐富、風(fēng)力設(shè)施對機(jī)場運(yùn)行安全影響較大等因素限制。生物質(zhì)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(jī)場適于布局太陽能和地?zé)崮茉O(shè)施。

3.3 可再生能源規(guī)模決策

根據(jù)可再生能源項(xiàng)目適用性評價(jià)結(jié)果，以太陽能光伏板布設(shè)面積（x1）和地?zé)崧窆懿荚O(shè)面積（x2）為自變量，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)如下：

代入各參數(shù)值，可得：

約束條件函數(shù)為：（1）太陽能在地面的布設(shè)面積和地?zé)崮艿牟荚O(shè)面積之和不能超過機(jī)場總的空地面積（3.3萬m2）；（2）二者的總資金投入量不應(yīng)超過機(jī)場全年總的節(jié)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?zé)崮艿耐顿Y成本約為300 萬元/萬m2。約束條件函數(shù)如下：

采用Lingo 模型對以上函數(shù)進(jìn)行求解，得到太陽能設(shè)施布設(shè)面積為7.44 萬m2，地?zé)崮懿荚O(shè)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(jī)場是目前我國最大的運(yùn)輸機(jī)場，每年地面設(shè)施能耗約為12 萬t 標(biāo)煤[15]，用能單元多，能源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可再生能源項(xiàng)目適于混合式布局法。航站樓用能大、用電穩(wěn)定性要求高，適合集中布局光伏設(shè)施，公共區(qū)對供熱需求較大，可布局地?zé)嵫b置；GTC 和飛行區(qū)貨站用能相對較少，可分散布局小型光伏設(shè)施和地?zé)嵩O(shè)施。具體的布局方案如圖2所示。

圖2 光伏設(shè)施和地?zé)嵩O(shè)施布局位置示意圖

3.5 環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益評估

通過分析計(jì)算，北京首都國際機(jī)場太陽能光伏裝置的布設(shè)面積為7.44 萬m2，地?zé)崮懿荚O(shè)面積為3.3 萬m2，提供用電0.93 萬MWh，相當(dāng)于機(jī)場全年用電量的9%，每年可節(jié)省2 790t標(biāo)準(zhǔn)煤。

從環(huán)境效益方面分析，利用可再生能源每年可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排7421.56t，二氧化硫減排32.72t，細(xì)顆粒物減排385.03t。從經(jīng)濟(jì)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(hù)成本約為1 573 萬元，地?zé)嵫b置的投資成本和維護(hù)成本約為3 789 萬元?？稍偕b置的收益主要是節(jié)約的電費(fèi)和碳稅。太陽能光伏系統(tǒng)年節(jié)約費(fèi)用112.68 萬元，靜態(tài)成本回收時(shí)間為9 年；地?zé)嵯到y(tǒng)年節(jié)約費(fèi)用102.2 萬元，靜態(tài)成本回收時(shí)間為13 年。本案例中，機(jī)場可再生能源的節(jié)能減排量如表7所示。

表7 機(jī)場可再生能源的節(jié)能減排量

4 結(jié)語

本文選取機(jī)場這一交通運(yùn)輸樞紐，提出了“指標(biāo)-決策-布局-評估”四位一體的可再生能源布局規(guī)劃方法。該方法給出了評估可再生能源在機(jī)場適用性的指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上利用多目標(biāo)決策法定量分析可再生能源布局規(guī)模，并結(jié)合機(jī)場地面設(shè)施建設(shè)情況制定布局方案，最后從經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益兩個(gè)方面對方案進(jìn)行整體評估，為機(jī)場科學(xué)合理布局可再生能源項(xiàng)目提供了一個(gè)方法。但本研究在可再生能源項(xiàng)目布局方面僅考慮了機(jī)場規(guī)模及用能特點(diǎn)對布局的影響，尚未討論可再生能源對機(jī)場安全運(yùn)行的影響，這是未來進(jìn)一步研究的方向。