低碳理念下机场可再生能源布局规划——以北京首都国际机场为例

（中国民航科学技术研究院，北京 100028）

0 引言

近年来，传统化石能源带来的气候变化和其他环境问题日趋严峻。据国际清洁交通委员会（International Council on Clean Transportation,ICCT）统计，2018年民航商业运输碳排放总量达9.18亿t，占全球碳排放总量的2.4%，该数据比5 年前增长了32%，民航业已成为全球碳排放的主要来源行业之一[1]，并且随着民航业的高速发展，碳排放量还将持续上升。

机场是民航业主要的基础设施，除空中飞行外，机场几乎承载了民航的全部地面生产、运行活动，具有能源需求量大、用能设施复杂、能源结构多样等特点。研究表明，机场的能源消耗情况相当于一座小型城市[2]。据统计，2018 年全国235 个运输机场的碳排放总量约为300 万t，其中电力消耗约占80%，煤炭消耗约占15%，汽柴油消耗约占5%[3]。虽然机场碳排放量只占民航业碳排放总量的2%～5%[2]，但是随着机场业务量逐年递增，其能源消耗的年增长率已达到10%～20%[3]，这将导致机场面临严峻的环境压力和能源短缺等问题。事实表明，传统的节能手段已经不能满足机场绿色运行的需求，提高可再生能源利用率已成为降低机场碳排放量、缓减机场能源压力的主要手段之一[4]。

不同于传统能源，可再生能源存在受自然条件约束大、供能周期性明显、稳定性差等问题。因此，制定科学合理的规划布局方案是保证可再生能源高效利用的前提和基础。目前，已有大量针对可再生能源规划布局方法的研究[5-8]，主要包括可再生能源评估体系、规模决策、优化布局等多个方面。Apak 等[9]对可再生能源项目指标体系进行了研究，结果表明，仅以经济效益为标准建立指标体系不能全面评估可再生能源的适用性，还需要考虑其供能效率和污染物减排程度。代春艳等[10]在研究中建立了“能源-经济-社会-环境”三级标准体系，用以评估可再生能源的综合效益。Bhowmik 等[11]对可再生能源规模的模型计算方法进行了详细分析，评估了神经网络、模糊集理论、多目标决策等模型的特点，结果表明，多目标决策法在合理决策多个相互矛盾的目标时更具有优势。Zangeneh 等[12]提出了一种静态的模糊多目标模型，以优化一些相互冲突和竞争的目标函数，包括能源需求、能源价格以及运营和投资成本，不仅能减少可再生能源发电技术的投资风险，而且能使边际收入达到最优。

当前，国内已有14 个民航机场[13]布局建设了可再生能源设施，包括北京首都国际机场、上海虹桥国际机场、深圳宝安国际机场等。但截至目前还没有关于机场可再生能源项目规划布局方面的系统性研究，未对机场可再生能源规划布局存在的项目引入盲目、规模决策不准确、布局方法欠缺等问题给予系统性阐述。本研究在综合考虑了机场用能现状和运行特点的基础上，针对以上问题提出了涵盖可再生能源项目适用性指标体系、能源规模模型定量计算、能源设施布局优化以及综合效益评估等4个方面的规划方法，并以北京首都国际机场为例，对该方法进行验证。

1 机场可再生能源规划总体框架

综合机场用能特点和地面设施的分布情况[14-15]，机场可再生能源规划方法框架包括以下4个部分，技术路线如图1所示。

（1）建立可再生能源指标体系。根据机场所处地理位置和自然环境条件，制定“资源-环境-经济”指标体系，评估可再生能源项目的适用性，在规划前端指导机场合理引入可再生能源项目。

（2）确定可再生能源项目布局规模。采用多目标选择法确定能达到最大环境效益和经济效益的可再生能源项目规模。

（3）确定可再生能源项目布局方案。根据机场规模及能源利用特点合理布设可再生能源项目的位置。

（4）方案评估及优化。对可再生能源规划方案进行整体评估，并提出相应的优化方案。

图1 机场可再生能源规划技术路线图

2 机场可再生能源布局规划要点

2.1 可再生能源适用性指标体系

机场可再生能源项目的引入需要综合考虑多方面因素。第一，需要因地制宜地引入适用于机场自然资源条件的可再生能源项目，使其供能效率最大化。第二，为提高机场开发可再生能源项目的积极性，在引入可再生能源项目时需要充分考虑其经济收益。第三，需考虑到使用可再生能源的目的是减少机场对周边环境的负面影响，实现机场的清洁发展。因此，本文从机场可再生能源利用效率、经济效益、环境效益3 个维度共选取了11个指标，构建了机场可再生能源适用性评价指标体系。

该指标体系从系统角度对研究对象进行抽象化和概念化。指标体系最上层为目标层，反映了研究对象的总体目标。目标层以下为一级评价指标和二级评价指标，分别表示分目标和具体指标，具体包括：

（1）能源利用效率指标，反映机场可再生能源本底条件和可利用水平。机场可再生能源本底主要指机场区域的可再生能源赋存程度。可利用水平主要包括可再生能源设备功率和布设面积。

（2）经济指标，反映可再生能源投资和回报的指标，包括投资成本、维护成本、能源收益率和成本覆盖率。

（3）环境指标，反映可再生能源项目环境效益的指标，包括节约能源量、二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、细颗粒物减排量。

具体指标设置如表1所示。

2.2 基于多目标决策法的可再生能源规模决策

在确定机场可再生能源指标体系的基础上，通过多目标选择法确定各可再生能源的布局规模。多目标选择法包括目标函数和约束条件两部分。目标函数为机场可再生能源供能量最大值。约束条件分为可再生能源在机场布设总面积约束和总投资金额约束两个方面。模型设置如下。

（1）目标函数

目标函数以每种可再生能源布设面积为自变量，其供能量如表2所示。

表1 机场可再生能源适用性评估三级指标体系

表2 可再生能源供能量

（2）约束条件

可再生能源设施的布局需符合机场本身的用地规划，其布设范围受到机场运行和建筑布局的影响。该约束条件的数学表达式为：

式（1）中：xi为第i种能源的布设面积（m2）；S为机场可利用面积（m2），该面积根据机场的运行条件、机场场地使用状况及其近、远期布局规划确定。

此外，可再生能源项目投资成本和维修成本相差较大，需要在有限的投资金额约束下，达到能效最高的目标函数。该约束条件的数学表达式为：

式（2）中：xi为第i种能源的布设面积（m2）；di为第i种能源单位面积装置的投资金额（万元）；T为机场的总投资预算（万元），根据每个机场的投资计划确定。

综上所述，建立机场可再生能源规划模型如下：

式（3）中：x1,x2,x3,x4分别为机场太阳能光伏、风能、地热能和生物质能设施布设面积（m2）。

2.3 可再生能源设施布局分析

根据机场的资源赋存和能源系统，机场可再生能源的利用方式可分为分布式、集中式和混合式3种（见表3）。

分布式可再生能源设施布局适合小型机场，其自然资源条件较差，不能集中供能。该利用方式下，为提高能源利用效率，可再生能源设施布局需要靠近主要用能单元，包括航站楼、大型用能设备等。

集中式可再生能源设施布局适合可再生能源资源潜力较好的机场，例如地热资源丰富的西南地区以及太阳能资源丰富的西北地区。该利用方式下，可再生能源设施布局需要综合考虑机场原有的能源系统并网条件，尽量布局于并网条件较好的位置，以提高并网效率。

混合式可再生能源布局包含分布式和集中式两种供能方式，适用于用能条件复杂、用能种类多样的大中型机场。其布局需要根据机场不同区域的用能特点，综合考虑可再生能源的利用效率以及环境和经济效益。

表3 不同利用方式下可再生能源设施布局

2.4 可再生能源项目环境效益及经济效益评估

机场可再生能源项目评估包括环境效益评估和经济效益评估（见表4）。其中，环境效益包括可再生能源项目实施后碳减排量和其他污染物减排量；经济效益评估包括投资收益率和成本覆盖率。

表4 可再生能源项目环境及经济效益评估

3 机场可再生能源项目规划实例

3.1 能源使用现状及可再生能源利用潜力

以北京首都国际机场为例，采用以上方法对该机场可再生能源项目布局规划进行模拟。分析机场能源利用现状发现，机场主要能源为电力和热力，主要用能设施为机场航站楼，约占总能源消耗的85%，其他地面设施占15%[16]。

从机场的用能现状和地面设施布局特点来看，决定机场可再生能源利用潜力的主要因素包括可再生能源自然本底和可再生能源设施布设面积。

自然本底方面，该机场可利用的可再生能源包括太阳能、风能、地热能以及生物质能。对机场所在区域地面辐射站点直接观测的辐射数据和气象资料进行分析，结果显示该区域太阳能的年辐射总量为5 460MJ/m2，年日照时数为2 640h，日照有效天数为294d[17]。对风力资源进行分析，结果显示该区域年平均有效风功率密度为67.7W/m2，年有效风功率小时数为2 475h[18]。由于机场所在区域处于北京地区地热资源较好的天竺地热田，该地热田地热埋管深度为40～150m，单位埋管深度换热量为45W/m[19]。机场可利用的生物质资源主要是航空旅客产生的垃圾，一般情况下，国内航线旅客产生的垃圾量为0.32kg/人，国际航线旅客为0.50kg/人[20]。以该机场2018 年旅客运输量计算，全年约产生垃圾1 851 万t。按照生活垃圾中可焚烧比例为35%来计算，大约有647万t垃圾可以被焚烧利用。

可再生能源设施布设面积方面，机场总占地面积为140 万m2，其区域主要可划分为航站区、飞行区和公共区。根据不同区域地面设施建设的结构、安全要求，对每个区域的可再生能源布局面积进行测算。航站区可用于布设可再生能源的总面积约为20.2 万m2，包括1 号航站楼（T1）和2号航站楼（T2）屋顶；飞行区约为1.5万m2，包括货运区和维修区空地；公共区约为32万m2，包括地面交通中心（Ground Transportation Center,GTC）屋顶和人员办公区域空地等。具体分布如表5所示。

表5 机场可再生能源布局面积

此外，机场可再生能源布设面积还与装置的布设方式有直接关系，不同的可再生能源装置可利用面积率不同。周扬等[21]研究发现，太阳能光伏设施在城市建筑中的可利用面积率为20%，由此计算机场实际可布设光伏装置面积为10.74万m2，其中屋顶面积为7.44万m2，地面面积为3.3万m2。机场风能装置对飞机安全运行影响较大，本文参考欧洲部分机场风力能源的可利用面积率为5%[22]对其布设面积进行计算。地热能资源利用潜力主要取决于可布设面积内竖埋管的数量。一般情况下，地热竖埋管间距为4～6m，考虑到机场的地热资源赋存状况，选取6m 作为竖埋管间距[23]。本研究中，地热装置主要布设于机场飞行区和公共区的空地上，对该区域地面和地下设施进行评估后，符合地热装置布设的面积约为3.3万m2，约占整个机场空地面积的20%。

3.2 可再生能源项目适用性评估

综合前文对机场可再生能源潜力的分析，太阳能、风能、地热能及生物质能资源条件类指标计算结果如表6 所示。布设面积参数是基于对机场地面设施调研后各可再生能源项目的最大布设面积，其中受机场运行条件限制，生物质焚烧炉安装位置仅限公共区。各类可再生能源投资成本和维护成本按照单位面积万元进行计算[24]，碳税按照北京市2019 年平均交易价格84.7 元/t 进行计算[25]。计算环境效益指标时，先将各类可再生能源供能量按照折标系数29 360kJ/t 折算成标准煤[26]，再参照表4 中的相关参数计算各污染物排放量。

从计算结果可以看出，机场可再生能源项目使用优劣顺序为太阳能、地热能、风能、生物质能。太阳能在资源可利用指标、经济效益指标和环境效益指标3 个方面都优于其他3 种能源。地热能比太阳能资源稍差，从资源可利用指标来看，地热资源对布设范围内土地质量要求较高，可布设面积有限，降低了其资源可利用量。另外，地热资源一次性投资巨大，经济性指标较太阳能资源大为降低。但是，地热资源具有较好的环境效益，属于优质清洁能源，不产生二氧化碳和颗粒物的排放。

表6 机场可再生能源项目指标值

风力资源项目和生物质资源项目在该机场并不适用。风力资源项目主要受风能资源不丰富、风力设施对机场运行安全影响较大等因素限制。生物质资源利用主要受垃圾焚烧带来二次污染较重的问题所制约。综上所述，该机场适于布局太阳能和地热能设施。

3.3 可再生能源规模决策

根据可再生能源项目适用性评价结果，以太阳能光伏板布设面积（x1）和地热埋管布设面积（x2）为自变量，设置目标函数如下：

代入各参数值，可得：

约束条件函数为：（1）太阳能在地面的布设面积和地热能的布设面积之和不能超过机场总的空地面积（3.3万m2）；（2）二者的总资金投入量不应超过机场全年总的节能减排投资额（1 亿元）；（3）目前市场上太阳能装置的投资成本约为120万元/万m2，地热能的投资成本约为300 万元/万m2。约束条件函数如下：

采用Lingo 模型对以上函数进行求解，得到太阳能设施布设面积为7.44 万m2，地热能布设面积为3.3万m2。

3.4 可再生能源布局方案

北京首都国际机场是目前我国最大的运输机场，每年地面设施能耗约为12 万t 标煤[15]，用能单元多，能源结构复杂，可再生能源项目适于混合式布局法。航站楼用能大、用电稳定性要求高，适合集中布局光伏设施，公共区对供热需求较大，可布局地热装置；GTC 和飞行区货站用能相对较少，可分散布局小型光伏设施和地热设施。具体的布局方案如图2所示。

图2 光伏设施和地热设施布局位置示意图

3.5 环境效益及经济效益评估

通过分析计算，北京首都国际机场太阳能光伏装置的布设面积为7.44 万m2，地热能布设面积为3.3 万m2，提供用电0.93 万MWh，相当于机场全年用电量的9%，每年可节省2 790t标准煤。

从环境效益方面分析，利用可再生能源每年可实现二氧化碳减排7421.56t，二氧化硫减排32.72t，细颗粒物减排385.03t。从经济效益方面分析，可再生能源普遍存在一次投资成本较大的问题。太阳能光伏装置的投资成本和维护成本约为1 573 万元，地热装置的投资成本和维护成本约为3 789 万元。可再生装置的收益主要是节约的电费和碳税。太阳能光伏系统年节约费用112.68 万元，静态成本回收时间为9 年；地热系统年节约费用102.2 万元，静态成本回收时间为13 年。本案例中，机场可再生能源的节能减排量如表7所示。

表7 机场可再生能源的节能减排量

4 结语

本文选取机场这一交通运输枢纽，提出了“指标-决策-布局-评估”四位一体的可再生能源布局规划方法。该方法给出了评估可再生能源在机场适用性的指标体系，在此基础上利用多目标决策法定量分析可再生能源布局规模，并结合机场地面设施建设情况制定布局方案，最后从经济效益和环境效益两个方面对方案进行整体评估，为机场科学合理布局可再生能源项目提供了一个方法。但本研究在可再生能源项目布局方面仅考虑了机场规模及用能特点对布局的影响，尚未讨论可再生能源对机场安全运行的影响，这是未来进一步研究的方向。