“智慧能網”是低碳城市的實踐基礎

《中國科技財富》雜志2009年7期刊登了拙文《低碳城市建設的初步思考》，在業內產生較大影響。作為系列探索文章，本文進一步對低碳城市建設的關鍵技術，或可稱之謂低碳城市實踐基礎的“智慧能網”(CIEN)概念進行描述。期望在全球性低碳城市建設大潮中拋磚引玉，為保持中國在世界低碳城市的研究領域的領先地位貢獻一些思想。

我們知道，建設低碳城市必須從政策、社會、文化、技術等各領域開展工作，協調諸多層面的關系。如在文化層面，要深入研究環境“和學”理論這一創新思想在低碳城市建設中的基礎作用;在社會層面，全民踐行低碳生活方式是低碳城市建設的社會基礎;在技術層面，推廣應用“智慧能網”技術是低碳城市建設的實踐基礎。

“智慧能網”(CIEN)是以城市社區為空間范圍，集社區熱能網、電能網、智能網為一體的能源供應網絡系統。CIEN是低碳城市能源建設的關鍵技術;是物聯網在低碳城市中的應用;是“感知中國”的組成部分。

CIEN在需要時間、地點，以精確的數量供應需要的能源品種(熱能、電能、自然光、風力等)，滿足城市的生產、生活、流通等所有領域的低碳能源需求。通過多個社區的CIEN的互聯運行，可以實現整個城市或地理區域的低碳、環保、安全的能源保障戰略。

“智慧能網”技術，集供能、用能、節能、蓄能和智能技術為大成，具有技術創新和集成創新的“五能合一、三網互聯”的物聯網特點。CIEN可以滿足在提高市民生活品質的前提下，大幅度節約能源，降低二氧化碳排放量的低碳城市的技術要求。CIEN是低碳城市能源供應的最佳網絡系統。

在世界低碳城市的研究領域，“智慧能網”技術具有前瞻性、獨創性和實用性，引領低碳城市能源建設的發展方向。

“智慧能網”的基本概念

城市的性質不同，城市用能的品種和強度均有所差異。粗略統計，在一般的服務型城市的終端用能中，電能和熱能的使用比例，各占半壁江山。在低碳城市的能源供應系統中，熱能的“智慧”供應是一個不可忽視的重要環節。

同時，在城市中有大量的溫差能源未被利用。這些能源以熱能的形式存在，由于其能源品位較低，往往只能以熱能的形式通過熱能網絡供給城市建筑使用，維持居住空間的環境熱舒適。如地表水、地下水、上水、下水的溫差熱能，發電站、變電站的排熱，產業余熱，建筑排熱以及地鐵排熱等溫差能源，由于單獨直接利用的難度較大，往往采用管路網絡回收后集中處理，再由管路網絡送至用能終端的熱能管道網絡系統加以利用。

熱能管道網絡系統，又多以分布式能源系統(如熱電聯產系統、燃料電池等)為能源生產中心、低碳新能源系統(太陽能、風能、生物質能等)以及城市未利用能源(溫差能等)作為輔助能源，構成城市社區的供熱供冷系統(DHC)。今天，DHC技術已經趨于成熟，非常適于服務型城市社區的供熱、供冷需要。

另外， 2006年，美國開發成功“電力中樞神經系統”，標志著智能電網的誕生。智能電網是通過廣泛應用傳感和測量技術、設備和控制技術、以及決策支持技術，使得地域、城市、社區、建筑以及家庭的各種發電和用電設備具備一定的智慧能力。智能電網可以接入大量的分布式氣候低碳能源(如風能、太陽能)，實現發電、輸電、賣電、買電、蓄電等電力產業的流程智能化。社區型智能電網技術是構成CIEN的組成部分之一，在技術上基本趨于成熟。

近來，物聯網的概念已被世界廣泛接受。其定義是把所有物體通過傳感信息技術與互聯網連接起來，實現智能化管理。美國政府、中國政府都把物聯網技術的推廣應用作為未來的國家戰略。美國有IBM提出的“智慧地球”的概念，中國有溫家寶總理命名的“感知中國”的設想。

“智慧能網”(CIEN)是綜合利用當今世界新技術而形成的，適用于低碳城市的新能源保障技術。CIEN創新集成上述的社區用熱能的DHC系統，用電能的智能電網系統，以及賦予相關物體以聰明智慧的物聯網系統。

CIEN在城市能源的生產、使用、儲存和管理方面，以人為本，最大限度地滿足城市生產、生活、交流的能量需求;最大限度地節約能源和開發利用低碳能源;在能源安全方面，綜合利用，協調用能，廣域聯網，確保安全。

CIEN是城市能源供應系統的中間關鍵環節。向下，互聯企業、建筑、家庭;向上，互聯城市或者地域的智能電網。

我們可以這樣描述CIEN:上班時，進入辦公大樓，空間照明、電梯會自動開啟，辦公系統自動打開;坐在辦公桌前，空調系統會自動判別啟動個人空調系統還是空間空調系統;判別采用變風量(改變系統電能)，變水量(改變系統熱能)，還是采用直接電力方式，在滿足熱舒適的前提下節約能源;判別采用改變遮陽裝置的角度或開啟自然光管系統，還是打開局部燈光照明，在滿足視舒適的前提下節約能源;

建筑能源中心根據氣象參數及建筑全體的用能情況，明確空調系統中熱能和電能的量化指標，提出各自的供能方案。對于電力需求，是采用太陽能系統，風能系統，蓄能系統，還是向CIEN買電;對于熱能需求，是采用太陽能系統，蓄能系統，還是向CIEN買熱;

下班時，智能交通系統會幫你選擇最優的回家路線和交通工具。家用電器在你到家之前已經部分啟動。此時，家庭需要多少熱能(炊事，洗浴)，需要多少電能(電視，照明，電動汽車充電)，這些熱能、電能如何獲得，是采用家用太陽能制熱、發電，家用風力發電，自家電動汽車的蓄電，是啟動燃料電池發電產熱，還是向CIEN買電買熱，以及向CIEN賣電，等等都會自動運行。

此時，與建筑或家庭的“智慧能網”互通的CIEN根據氣象參數以及網內企業、建筑、商場、賓館、學校、醫院、家庭、電動汽車等用能情況，確定CIEN系統中的風力發電，太陽能發電、產熱，垃圾發電，熱電聯產系統熱電比例，以及燃料電池等等，優化低碳能源和溫差能源的使用條件。同時提出用能決策輔助方案:是向城市電網買電，還是向城市天然氣購氣。

CIEN與城市電網智慧互通。城市電網根據氣象參數以及各CIEN情況，優化核電、水電、煤電、低碳發電、生物質電以及蓄電等供電系統，確定發電和供電方案。城市或地域的天然氣網絡也會根據用氣量的需求調整沼氣產量，天然氣供氣量以及蓄氣量等等。

簡言之，CIEN使得城市的所有產能和用能設備智能對話，合理分工，具體負責，在節能、低碳、環保、安全的前提下保證我們的生活用能。

也就是說，在CIEN范圍，社區的辦公建筑與住宅建筑的能量使用晝夜錯峰互補;辦公建筑與商業建筑的能量使用節假日錯峰互補;產業與建筑也可以錯峰互補。極大地減低了社區能網的用能峰值，節約能源。CIEN內的不穩定的氣候低碳能源(太陽能、風能等)與穩定的低碳能源(氫能、生物質能)互為補充，最大限度地利用氣候低碳能源，減少社區的二氧化碳排放。

“智慧能網”的技術節點

低碳產能技術是CIEN應用實踐的關鍵之一。

太陽能利用技術是CIEN的低碳產能技術之一。涵蓋太陽能發電技術、太陽能制熱技術、太陽能建筑技術、太陽能空調技術和太陽能照明技術等等。

太陽能發電技術在我國發展很快，去年光伏產業的年銷售額為1000億人民幣，世界前15名的光伏企業中中國占1/2。同年，太陽能熱水器行業的國內銷售為380億人民幣，年增長率為30%。

太陽能空調技術的發展方向是聚焦太陽光能，進一步加熱通過太陽能熱水器的液體，使其蒸發制冷空調循環。太陽光能是人類最早利用的太陽能。人類在室內享受自然光，是滿足生理心理舒適感覺的關鍵因素之一。加之節能的需要，日本在近期推出了采用自然光照明的“建筑光管系統”，也稱為光調系統。光調系統有望在地下空間、隧道、住宅，以及光源底部照明等領域廣泛使用，帶動光道、光管、光井等相關領域的產業發展。

CIEN的另一個低碳產能技術是風能。風能是一種廣義的太陽能。地球上可利用的風能資源約為水能的20倍。風能廣泛利用于風力發電、風力提水、風力致熱、風帆助航、城市通風、建筑通風等領域。風力發電產業近年發展很快，去年全球的風電約增加30%，預計2020年全球發電量的1/8將由風電提供。

風電的成本較低。據資料(kane2008)分析，假定風電成本為1.0，則核電為1.82，煤電為2.13。當然，風電也有一些技術瓶頸需要研究攻克。主要有噪音、占地問題，風力機變漿距技術，發電機的恒頻技術等等。

生物質能利用也是CIEN的低碳產能技術。在城市中主要是如何利用生活垃圾產能。這是該項技術的重點研究。

固定式燃料電池的開發應用是CIEN低碳產能技術的重要部分。固定式燃料電池的理想的應用路線為:利用建筑、家庭的生活垃圾就地產生生物質沼氣，直接用于燃料電池發電、產熱和生產純凈水，供應家庭和辦公建筑使用。相信該項技術不久就會進一步成熟，引領CIEN低碳產能技術的一場革命。

另外，城市中存在大量的溫差熱能也是CIEN低碳產能領域的有用之材。地表水、地下水、上水、下水的溫差熱能，發電站、變電站的排熱，產業余熱，建筑排熱以及地鐵排熱等，量大面廣。據估計(NEDO 1994)，假定城市垃圾焚燒熱量為1的話，則變電站排熱量為1.7，地鐵排熱量為5，下水熱量為25，發電站排熱量為85，地表水溫差熱量為3362。如何在CIEN內，充分利用這些溫差熱能是今后重點研究開發的課題之一。

在低碳能網系統的技術節點中，除了上述的低碳產能技術之外，還有用能技術、節能技術、蓄能技術以及智能技術(物聯網技術)。它們對于CIEN的推廣應用均起到關鍵作用。如何協調“五能技術”的全面協調發展，更是智慧能網技術的重要研究課題之一。由于篇幅的限制，對于這部分技術內容的發展和展望，擬在其他的文章中具體描述。

“智慧能網”的應用研究

CIEN的應用研究正在中國科學院上海高等研究院(中科院高等院)基地中，有步驟地規劃實施。中科院高等院基地位于上海浦東張江高科技園區，總用地面積1600畝，總建筑面積88萬平方米。

中科院高等院是由中國科學院與上海市人民政府共同發起，致力于戰略高新技術、多學科交叉前沿技術、應用技術研究的非贏利性機構。是一個交叉型、集成型、開放型的科技創新平臺。圍繞國家安全、人口健康、資源環境等關系我國經濟社會協調、可持續發展的重大問題，針對低碳、環境、通訊等領域的急切課題，為我國經濟社會的可持續發展提供系統解決方案。

中科院高等院基地中，規劃建設新技術創新(包括信息與電子技術、能源與環境技術、醫藥與生物技術、新材料與工藝技術、空間技術與國防科技)，交叉前沿科學研究，轉移轉化，以及高層次人才教育的綜合平臺。其中，教育平臺包括工學院、理學院、管理學院、生命學院和能源與環境學院等。

結合自身的特點，中科院高等院希望在基地建設中、采用最新的低碳理念和低碳技術，把中科院高等院基地打造成為中國低碳城市研究的展示平臺，低碳新技術的應用平臺，引領世界低碳城市的發展方向。

為此，該基地建設以環境和學理論為思想指導，用CIEN作為技術基礎，結合基地居住人員的低碳生活意識的普及教育，三位一體，創新理論和技術，力爭在短時間內把該基地建設成為世界領先、中國最優的低碳城市示范區。

其中，充分利用CIEN技術是基地低碳建設的亮點之一。首先，明確基地的低碳目標。提出，樣板辦公樓的碳排放量為控制在30千克/年#8226;平米以下，非樣板辦公樓碳排放量為控制在40千克/年#8226;平米左右。住宅也按低碳標準設計、建設和管理，使之成為國內同類住宅建筑的低碳化樣板。

基地總體規劃按低碳化標準進行優化，確定公交優先，人車分流;基地內步行優先，自行車優先;設置公共電動巴士以及自用電動汽車充電站;建設城市軌道交通與基地間的公交擺渡;在教學區和科研區集中設置電動巴士;設置公共自行車網絡租賃服務系統。

能源系統低碳化。利用CIEN，合理配套分布式的地源熱泵和水源熱泵系統。充分利用風力散熱，應用太陽能、風能、燃料電池、生物質能、地熱能，以及溫差能源與熱電聯產結合(DHC)等綜合措施減少能源系統碳排放。

太陽光照明、光導管和中庭采光技術。通過建筑形狀、位置等優化組合充分利用自然通風;外墻外窗遮陽，減少建筑空調負荷;園區道路照明利用太陽能。

建筑物的層高、凈高要留有余地，建筑單元組合便利化。減少建筑維修和改建的碳排放量。建筑材料低碳化。建筑設備的長壽命化和高效率化，在整個建筑壽命周期內實現二氧化碳的低排放。

利用雨水作為綠化灌溉的基本水源。將綠化引入建筑物地面和屋頂。在園區垃圾分類的前提下，進行園區可燃性生活垃圾的生物質能利用。

建設物聯物系統，集成管理上述各種技術設備，系統以及物體，智能減碳。

該基地的CIEM的應用研究課題，還要對中科院高等院基地進行低碳城市滿意度評價;研究開發CIEN的通用設計軟件包;以及為研究制定CIEN系統的國際標準積累經驗。