低碳城市建設及智能城網應用研究

◎ 李克欣 張 力

人類的文明社會形態，在經歷了漫長的農業文明社會以后，隨著工業革命的發展，步入工業文明社會。近200年的工業文明社會中，人類獲取巨大的地球資源，在享受地球恩賜的物質文明的同時，遭遇前所未有的地球環境危機，人類正處于生存和發展的重要歷史關頭。

生態文明社會是繼工業文明之后的人類又一個社會形態，也是人類可持續發展所必需的新的社會模式。在生態文明社會中，人與人和諧相處，人與自然和諧共生。生態文明社會是人類的理想社會，也是我國的中長期發展目標。

建設生態文明社會，首先要解決制約人類發展的能源問題和威脅人類生存的環境問題。在當代，這兩個問題的核心和共同點是人類過度使用化石能源所造成的氣候問題、城市問題和人類可持續發展問題。解決這些問題的關鍵是如何減少人為的二氧化碳排放量，也就是常講的低碳革命。

城市是人類文明歷程的集中體現。城市是人口大量集中、生產生活異常活躍、能源消費巨大、環境污染嚴重的空間。全世界城市的用能量約占世界總用能量的75%，人為二氧化碳排放量約占全球的80%。

低碳革命的重心在城市。低碳城市建設是實現生態文明社會的必由之路。

一、低碳城市建設的基本路徑

低碳城市是指在經濟、社會、文化等領域全面進步，市民生活品質不斷提升的前提下，減少人為二氧化碳排放量，實現可持續發展的宜居城市。

低碳城市建設首先要創新觀念。人的新觀念是新的行動的開始。在低碳城市建設中，要拋棄“大量生產、大量消費、大量遺棄”等明顯帶有西方傳統價值觀印痕的人生價值觀，弘揚具有中華傳統思想深厚基礎的“環境和學”思想。逐步實現人與自然的和諧共生，提高市民的生活品質。

其次，在城市發展、城市管理等諸多方面，落實體制創新和機制創新。制定限制高碳、鼓勵低碳的城市政策和法規。重點在產業導向政策、公共交通政策、生活消費政策、建筑節能政策以及碳交易等方面有所突破，推動城市的節能減排工作。

其三，改變生活方式。倡導低碳消費、低碳飲食、低碳健康的生活方式。弘揚中華民族的崇尚節儉美德，簡約生活，物盡其用，循環再生。養成健康的飲食習慣，多用時鮮食品、地產食品和低碳食品。健康是一個人對低碳城市建設的貢獻，養生、健身，少生病、少吃藥，可以大量減少一個人生命周期的二氧化碳排放量，為生態文明社會建設貢獻力量。

第四，要大力開發應用城市低碳技術。在氣候友好的大前提下，合理布局城市空間；改善交通設施，鼓勵健康出行、低碳出行；推廣建筑節能技術，采用低碳建筑材料，延長建筑壽命；在城市中廣泛采用低碳的能量技術。

在城市低碳能量技術中，應該重點關注CIEN (City Intelligent Energy Network,CIEN，也稱智能城網、智慧能網) 技術的示范和普及應用。CIEN是集城市社區的微電網、微熱網和物聯網為一體，實現產能、供能、用能、節能、蓄能的能量最優化系統（圖1）。

圖1 CIEN的基本構成

CIEN是“感知中國”的重要構成部分，具備技術創新和集成創新特征，引領世界低碳城市發展的技術方向。CIEN有機結合城市低碳技術和智能技術，集中體現了低碳城市建設的技術路線中低碳化、智能化、網絡化和安全性的特性要求。

CIEN在需要的地點、需要的時刻，以精確的數量，供應需要的能源，滿足社區的生產、生活、流通等領域的能源需求。在城市內形成若干CIEN的互聯運行，可以實現城市的低碳、環保、安全的能源保障戰略。

二、CIEN的應用研究

CIEN技術首次在上海某科技園區進行工程示范研究。該園區占地105公頃、建筑面積約88萬平方米。主要用途為科研樓、教學區和生活居住區三大部分。其設計目標為：（1）通過低碳城市技術的技術創新和集成創新，把園區建設成為一個低碳、綠色、安全的低碳城市技術示范區，引領世界低碳城市建設的技術發展方向；（2）以2005年上海地區公用建筑的二氧化碳強度為基準，使該園區的碳排放強度基本降低50%，技術示范核心區的碳排放強度基本降低65%。

在工程研究中，該園區集中低碳城市環境技術，低碳城市交通技術，低碳城市建筑技術，低碳城市安全技術，以及低碳城市能量技術（圖2）。本文僅簡單介紹低碳城市能量技術中CIEN的示范研究內容（圖3）。

1.CIEN中的微熱網

該園區建設貫徹提高能源轉換效率、實現能源的梯級利用原則。選擇能源時優選能源轉換效率較高者實施。園區在風冷熱泵系統（滿足園區局部小容量獨立使用要求）、常規水冷冷水機組加燃氣熱水鍋爐系統（滿足園區大型集中高密度建筑或建筑群）和地源熱泵系統（滿足園區大量的多層低密度研究類建筑）三種冷熱源系統中，根據建筑物的實際使用要求和功能來靈活搭配合理使用冷熱源。

微熱網技術（熱電聯產聯供技術）是目前最為先進的節能和環保的能源使用技術。它可以有效降低二氧化碳的排放，實現低碳化用能。微熱網技術使用天然氣或其他清潔能源發電，并同時提供制冷空調采暖的冷熱源和生活熱水熱源，能大量減低溫室氣體和其他污染氣體的排放,其二氧化碳排放量僅為傳統的、以燃煤為代表的能源系統的30%-50%。

該園區內有各種不同用途的建筑，如辦公樓、教學樓、科研樓、專家住宅、商場等并行存在。采用微熱網將這些用能峰值不同的熱能使用單位聯網運行，可以降低區域用能總量，提高熱能利用效率，增加冗余度，減少熱能設備的用房面積，從而綜合節能減排。

該園區按照以熱定電的原則，設置兩套1.5～2兆瓦的CHP系統。一次能源為城市天然氣，這些設備發電后的尾氣混合部分補燃天然氣后，進入補燃雙效溴化鋰冷水機組供應園區冷熱源。非夏季和冬季高峰時段，園區部分生活熱水熱源為集中式地源熱泵和聚光太陽能砷化鎵電池冷卻水散熱。

采用微熱網預計可以實現綜合能源使用效率的65～70%，并將減少其服務區域建筑冷熱系統30%的二氧化碳總排放量。

2.CIEN中的微電網

微電網除滿足獨立電力系統的產電、供電、用電、節電、蓄電等動態系統自適應管理以外，還實時、穩定地與城市電網互通，是技術接點的關鍵。微電網定義為社區范圍的智能電網，就是社區電網的智能化。它是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標。提供滿足用戶需求的電能質量，容許各種不同發電形式的接入，啟動電力市場的優化高效運行。

微電網的核心內涵是實現社區電網的信息化、數字化、自動化和互動化，微電網是在開放和互聯的信息模式基礎上，通過加載系統數字設備和升級電網網絡管理系統，實現發電、輸電、供電、用電、客戶售電、綜合服務等電力產業全流程的智能化、信息化、分級化互動管理，是集合了信息技術、電力技術和管理技術的綜合性的效率變革。

微電網通過電子終端將用戶之間、用戶和電網公司之間形成網絡互動和即時連接，實現數據讀取的實時、高速、雙向的總體效果，實現電力、電訊、電視、遠程家電控制和電池集成充電等的多用途開發。它可以整合系統中的數據，優化電網的管理，將電網提升為互動運轉的全新模式，形成電網全新的服務功能，提高整個電網的可靠性、可用性和綜合效率。

該園區采用微電網，提供園區內全部分布式電源（如聚光太陽能砷化鎵電池系統、燃料電池系統等）在電網應用層面的技術集成。

3.CIEN中的物聯網

我們知道，互聯網是信息世界的大腦，可以實現人與人的信息互交。傳感網是連接物理世界和數字世界的信息世界的五官，可以實現人與機器、機器與機器的信息互交，是數字世界和物理世界之間的橋梁。物聯網是傳感網＋互聯網＋執行器所構成的智能網絡系統。該系統具有監視和控制的功能。物聯網主要應用于智能電網、交通物流、工業過程控制、家庭醫療、CIEN等領域。

該園區的CIEN是在物聯網的支撐下，實現建筑環境舒適動態設計和動態實時控制。主要包含以下主要內容：

（1）設定點的可調節性。即在滿足舒適、健康且節約能源的原則下，確定合理的室內空氣溫濕度控制范圍。

（2）分區控制。即考慮朝向差別和內部發熱源的差別來劃分空調區域。通過改變區域供冷供熱量來調整供應與需求之間的關系。

（3）減少外圍護結構導致的不舒適性。即防止玻璃幕墻類建筑窗側太陽輻射影響的不舒適感。鼓勵采用高層外遮陽，低層低密度建筑利用植物遮陽。

（4）根據公共建筑內實際人員數值調節新風量和實際區域循環風量，減少調節能源消耗。

（5)利用物聯網實現園區碳負荷信息采集、園區減少碳排放的過程控制和CIEN系統過程的可視化。

建筑用能的大部分是用來抵消建筑空間的能量負荷。建筑空間環境的舒適指標很大程度地影響建筑的系統負荷。該園區利用物聯網，定點、定量地控制建筑空間的環境要求參數，實現建筑系統的動態熱舒適指標以及空氣品質的管理，有效地減低建筑設備系統的用能負荷，實現物聯網支撐下的、在滿足建筑空間環境舒適前提下的定點、定量、按需供能。主要原則是追求動態熱舒適控制而不采用傳統的、圍繞某些室內溫度或者相對濕度指標的“恒溫恒濕”環境控制，將夏季室內溫度26℃作為溫度控制的下限,將冬季室內溫度18℃作為溫度控制的上限，以實現控制方式上最大程度的節能減碳。

4.CIEN中的新能源

隨著城市新能源以及CIEN的應用，建筑物已經從單純的用能設施演變成既產能又耗能的綜合設施。建筑的產能系統主要涉及低碳新能源，如太陽能、風能、生物質能等。需要說明的是，建筑能源系統中多余的產能量可以在CIEN中互相流通，最大限度地滿足氣候能源產能以及建筑動態用能的不平衡狀態。CIEN系統內部的能量互通，可以充分保證城市電網以及城市熱網的安全運行。

（1）太陽能

太陽能是最常見的可再生能源。太陽能利用主要有兩個方面：光伏發電和太陽能熱水器。

該園區瞄準世界太陽能光伏發電的前沿技術，采用太陽能光伏發電效率35%以上的聚光太陽能砷化鎵電池系統。除獲得高太陽光-電轉換能效外，聚光太陽能砷化鎵電池系統的冷卻水降溫系統同時作為微熱網的熱源。

低密度研究建筑和低密度居住建筑的屋頂設置承壓型太陽能熱水器。按華東地區的居住建筑除采暖外生活熱水能耗占住宅總能耗的19%統計值，按華東地區住宅年平均總能耗水平約20千克標準煤/平方米的統計值計算，除冬季不利氣象條件時采用局部電輔熱外，低密度研究建筑和低密度居住區配套戶均3平方米的屋頂承壓型太陽能熱水器就可以滿足全部生活熱水的用熱要求。該太陽能熱水系統約可減少13～15%的二氧化碳排放量。

（2）風能

該園區考慮適當設置建筑一體化風能太陽能聯合發電系統。在園區規劃和單體建筑設計上充分考慮利用自然通風。

（3）生物質能

該園區的生物質能主要是利用生物質垃圾的能源，可以結合燃料電池系統以及垃圾能源系統一并考慮。園區內設置一套200～400千瓦級高溫生活垃圾沼氣磷酸燃料電池(PAFC)，約可消化整個園區生活垃圾沼氣的15～30%。其冷卻水并入園區微熱網的熱源系統。

（4）勢能

充分利用高層建筑的勢能是CIEN的優勢之一。采用高層建筑電能回收電梯，電梯在上升時耗電而電梯下降時的勢能可以發電；利用高層建筑的給水系統的水勢能，推動微水輪發電機組發電并取代區域減壓閥，與CIEN的微電網連接。

（5）蓄能

由于CIEN中新能源（氣候能源）的不穩定性，在CIEN中設置蓄能系統是必不可少的。該園區的微熱網中，設置軀體蓄熱能和水蓄熱系統以及采用埋管地源蓄熱能系統。電能蓄能系統中設置必要的蓄電池以及把電能轉化為勢能和熱能儲存起來的設備。

（6）溫差能源

CIEN的微熱網中設置地源埋管系統，以冬夏季實測累計冷熱量平衡為原則，為各建筑物合理配套在上海地區冬夏平均能效比大于4.0的小型就地化地源熱泵或地源一拖多系統。這些地源熱泵或地源一拖多系統能夠在最大程度上適應園區能源密度較低、應用范圍較廣但空調采暖系統的同時使用率比較低的特點。

結合園區城市軌道交通站，在微熱網中選定部分電動冷水機組為熱回收型機組。冬季將利用這些機組在為城市軌道交通站降溫的同時向微熱網供熱。利用聚光太陽能砷化鎵電池冷卻水系統，使園區太陽能發電新能源系統能源轉換效率達到50%以上。

5.CIEN描述

該園區的CIEN可以簡單描述如下：上班進入辦公大樓，照明、電梯會自動開啟，辦公系統自動打開；辦公空調系統會自動判別啟動個人空調還是空間空調；判別采用變流量（改變系統電能）還是變溫度（改變系統熱能）調節舒適度，判別改變遮陽裝置或開啟自然光管系統，還是打開局部燈光照明，在滿足舒適的前提下節能低碳。園區的微電網、微熱網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，提出各自的產能供能方案。在節能低碳的原則下，對于電力需求，是啟動太陽能、風能系統，還是啟動CHP、蓄電系統。對于熱能需求，是采用太陽能系統，還是啟動CHP、蓄熱系統等等。

下班時，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，還是家用風力發電，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。

CIEN使得園區的所有產能和用能設備智能對話，智能分工，在節能、低碳、環保、安全的前提下保證園區的最優化用能。

總之，發展低碳經濟，建設低碳城市，是我國經濟社會發展的重大戰略，是加快經濟發展方式轉變和經濟結構調整的重大機遇。其中，應該重視城市低碳技術的創新和發展，從城市的空間模式入手,改變中國城市布局的單一中心(攤大餅式)建設思路，研究應用“單元城市”的空間模式。CIEN是“單元城市”的重要構成部分。我們相信，進一步研究和實踐CIEN，可以為世界低碳城市的發展尋找一條較為便捷的技術路徑。

[1]李克欣.低碳城市建設的初步思考.中國科技財富,2009,(7).

[2]李克欣.“智慧能網”是低碳城市的實踐基礎.中國科技財富,2009,(11).

[3]國家發改委能源所.中國2050年低碳發展之路.科學出版社,2009,9.