低碳城市的智慧能網(wǎng)技術(shù)

低碳城市的智慧能網(wǎng)技術(shù)

我們知道，建設(shè)低碳城市應(yīng)涉及政治、社會(huì)、文化、技術(shù)等領(lǐng)域，以調(diào)整不同方面的和諧關(guān)系。如在文化層面,要深入研究環(huán)境“和學(xué)”理論這一創(chuàng)新思想在低碳城市建設(shè)中的基礎(chǔ)作用;在社會(huì)層面,全民踐行低碳生活方式是低碳城市建設(shè)的社會(huì)基礎(chǔ);在技術(shù)層面,推廣應(yīng)用“智慧能網(wǎng)”技術(shù)是低碳城市建設(shè)的實(shí)踐基礎(chǔ)。“智慧能網(wǎng)”(CIEN)是以城市社區(qū)為空間范圍,集社區(qū)熱能網(wǎng)、電能網(wǎng)、智能網(wǎng)為一體的能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。CIEN是低碳城市能源建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù);是物聯(lián)網(wǎng)在低碳城市中的應(yīng)用;是“感知中國(guó)”的組成部分。CIEN在需要時(shí)間、地點(diǎn),以精確的數(shù)量供應(yīng)需要的能源品種(熱能、電能、自然光、風(fēng)力等),滿(mǎn)足城市的生產(chǎn)、生活、流通等所有領(lǐng)域的低碳能源需求。通過(guò)多個(gè)社區(qū)的CIEN的互聯(lián)運(yùn)行,可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市或地理區(qū)域的低碳、環(huán)保、安全的能源保障戰(zhàn)略?！爸腔勰芫W(wǎng)”技術(shù),集供能、用能、節(jié)能、蓄能和智能技術(shù)為大成,具有技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新的“五能合一、三網(wǎng)互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)。CIEN可以滿(mǎn)足在提高市民生活品質(zhì)的前提下,大幅度節(jié)約能源,降低二氧化碳排放量的低碳城市的技術(shù)要求。CIEN是低碳城市能源供應(yīng)的最佳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在世界低碳城市的研究領(lǐng)域,“智慧能網(wǎng)”技術(shù)具有前瞻性、獨(dú)創(chuàng)性和實(shí)用性,引領(lǐng)低碳城市能源建設(shè)的發(fā)展方向。一、智慧能網(wǎng),能源安全城市的性質(zhì)不同,城市用能的品種和強(qiáng)度均有所差異。粗略統(tǒng)計(jì),在一般的服務(wù)型城市的終端用能中,電能和熱能的使用比例,約各占半壁江山。在低碳城市的能源供應(yīng)系統(tǒng)中,熱能的“智慧”供應(yīng)是一個(gè)不可忽視的重要環(huán)節(jié)。同時(shí),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(guò)熱能網(wǎng)絡(luò)供給城市建筑使用,維持居住空間的環(huán)境熱舒適。如地表水、地下水、上水、下水的溫差熱能,發(fā)電站、變電站的排熱,產(chǎn)業(yè)余熱,建筑排熱以及地鐵排熱等溫差能源,單獨(dú)直接利用的難度較大。往往采用管路網(wǎng)絡(luò)回收后集中處理,再由管路網(wǎng)絡(luò)送至用能終端的熱能管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加以利用。熱能管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),又多以分布式能源系統(tǒng)(如熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃料電池等)為能源生產(chǎn)中心、低碳新能源系統(tǒng)(太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等)以及城市未利用能源(溫差能等)作為輔助能源,構(gòu)成城市社區(qū)的供熱供冷系統(tǒng)(DHC)。今天,DHC技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,非常適于服務(wù)型城市社區(qū)的供熱、供冷需要。另外,2006年美國(guó)開(kāi)發(fā)成功“電力中樞神經(jīng)系統(tǒng)”,標(biāo)志著智能電網(wǎng)的誕生。智能電網(wǎng)是通過(guò)廣泛應(yīng)用傳感和測(cè)量技術(shù)、設(shè)備和控制技術(shù)、以及決策支持技術(shù),使得地域、城市、社區(qū)、建筑以及家庭的各種發(fā)電和用電設(shè)備具備一定的智慧能力。智能電網(wǎng)可以接入大量的分布式氣候低碳能源(如風(fēng)能、太陽(yáng)能),實(shí)現(xiàn)發(fā)電、輸電、賣(mài)電、買(mǎi)電、蓄電等電力產(chǎn)業(yè)的流程智能化。社區(qū)型智能電網(wǎng)技術(shù)是構(gòu)成CIEN的組成部分之一,在技術(shù)上基本趨于成熟。近來(lái),物聯(lián)網(wǎng)的概念已被世界廣泛接受。其定義是把所有物體通過(guò)傳感信息技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)智能化管理。美國(guó)政府、中國(guó)政府都把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用作為未來(lái)的國(guó)家戰(zhàn)略。美國(guó)有IBM提出的“智慧地球”的概念,中國(guó)有溫家寶總理命名的“感知中國(guó)”的設(shè)想?！爸腔勰芫W(wǎng)”(CIEN)是綜合利用當(dāng)今世界新技術(shù)而形成的,適用于低碳城市的新能源保障技術(shù)。CIEN創(chuàng)新集成上述的社區(qū)用熱能的DHC系統(tǒng),用電能的智能電網(wǎng)系統(tǒng),以及賦予相關(guān)物體以聰明智慧的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。CIEN在城市能源的生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存和管理方面,以人為本,最大限度地滿(mǎn)足城市生產(chǎn)、生活、交流的能量需求;最大限度地節(jié)約能源和開(kāi)發(fā)利用低碳能源;在能源安全方面,綜合利用,協(xié)調(diào)用能,廣域聯(lián)網(wǎng),確保安全。CIEN是城市能源供應(yīng)系統(tǒng)的中間關(guān)鍵環(huán)節(jié)。向下,互聯(lián)企業(yè)、建筑、家庭;向上,互聯(lián)城市或者地域的智能電網(wǎng)。我們可以這樣描述CIEN:上班時(shí),進(jìn)入辦公大樓,空間照明、電梯會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟,辦公系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi);坐在辦公桌前,空調(diào)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判別啟動(dòng)個(gè)人空調(diào)系統(tǒng)還是空間空調(diào)系統(tǒng);判別采用變風(fēng)量(改變系統(tǒng)電能),變水量(改變系統(tǒng)熱能),還是采用直接電力方式,在滿(mǎn)足熱舒適的前提下節(jié)約能源;判別采用改變遮陽(yáng)裝置的角度或開(kāi)啟自然光管系統(tǒng),還是打開(kāi)局部燈光照明,在滿(mǎn)足視舒適的前提下節(jié)約能源……建筑能源中心根據(jù)氣象參數(shù)及建筑全體的用能情況,明確空調(diào)系統(tǒng)中熱能和電能的量化指標(biāo),提出各自的供能方案。對(duì)于電力需求,是采用太陽(yáng)能系統(tǒng),風(fēng)能系統(tǒng),蓄能系統(tǒng),還是向CIEN買(mǎi)電;對(duì)于熱能需求,是采用太陽(yáng)能系統(tǒng),蓄能系統(tǒng),還是向CIEN買(mǎi)熱……下班時(shí),智能交通系統(tǒng)會(huì)幫你選擇最優(yōu)的回家路線(xiàn)和交通工具。家用電器在你到家之前已經(jīng)部分啟動(dòng)。此時(shí),家庭需要多少熱能(炊事,洗浴),需要多少電能(電視,照明,電動(dòng)汽車(chē)充電),這些熱能、電能如何獲得,是采用家用太陽(yáng)能制熱、發(fā)電,家用風(fēng)力發(fā)電,自家電動(dòng)汽車(chē)的蓄電,是啟動(dòng)燃料電池發(fā)電產(chǎn)熱,還是向CIEN買(mǎi)電買(mǎi)熱,以及向CIEN賣(mài)電,等等都會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。此時(shí),與建筑或家庭的“智慧能網(wǎng)”互通的CIEN根據(jù)氣象參數(shù)以及網(wǎng)內(nèi)企業(yè)、建筑、商場(chǎng)、賓館、學(xué)校、醫(yī)院、家庭、電動(dòng)汽車(chē)等用能情況,確定CIEN系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電,太陽(yáng)能發(fā)電、產(chǎn)熱,垃圾發(fā)電,熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱電比例,以及燃料電池等等,優(yōu)化低碳能源和溫差能源的使用條件。同時(shí)提出用能決策輔助方案:是向城市電網(wǎng)買(mǎi)電,還是向城市天然氣購(gòu)氣。CIEN與城市電網(wǎng)智慧互通。城市電網(wǎng)根據(jù)氣象參數(shù)以及各CIEN情況,優(yōu)化核電、水電、煤電、低碳發(fā)電、生物質(zhì)電以及蓄電等供電系統(tǒng),確定發(fā)電和供電方案。城市或地域的天然氣網(wǎng)絡(luò)也會(huì)根據(jù)用氣量的需求調(diào)整沼氣產(chǎn)量,天然氣供氣量以及蓄氣量等等。簡(jiǎn)言之,CIEN使得城市的所有產(chǎn)能和用能設(shè)備智能對(duì)話(huà),合理分工,具體負(fù)責(zé),在節(jié)能、低碳、環(huán)保、安全的前提下保證我們的生活用能。也就是說(shuō),在CIEN范圍,社區(qū)的辦公建筑與住宅建筑的能量使用晝夜錯(cuò)峰互補(bǔ);辦公建筑與商業(yè)建筑的能量使用節(jié)假日錯(cuò)峰互補(bǔ);產(chǎn)業(yè)與建筑也可以錯(cuò)峰互補(bǔ)。極大地減低了社區(qū)能網(wǎng)的用能峰值,節(jié)約能源。CIEN內(nèi)的不穩(wěn)定的氣候低碳能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能等)與穩(wěn)定的低碳能源(氫能、生物質(zhì)能)互為補(bǔ)充,最大限度地利用氣候低碳能源,減低社區(qū)的二氧化碳排放。二、低碳產(chǎn)能技術(shù)低碳產(chǎn)能技術(shù)是CIEN應(yīng)用實(shí)踐的關(guān)鍵之一。太陽(yáng)能利用技術(shù)是CIEN的低碳產(chǎn)能技術(shù)之一。涵蓋太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)、太陽(yáng)能制熱技術(shù)、太陽(yáng)能建筑技術(shù)、太陽(yáng)能空調(diào)技術(shù)和太陽(yáng)能照明技術(shù)等等。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在我國(guó)發(fā)展很快,去年光伏產(chǎn)業(yè)的年銷(xiāo)售額為1000億人民幣,世界前15名的光伏企業(yè)中中國(guó)占其1/2。同年,太陽(yáng)能熱水器行業(yè)的國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售為380億人民幣,年增長(zhǎng)速度為30%。太陽(yáng)能空調(diào)技術(shù)的發(fā)展方向是聚焦太陽(yáng)光能,進(jìn)一步加熱通過(guò)太陽(yáng)能熱水器的液體,使其蒸發(fā)制冷空調(diào)循環(huán)。太陽(yáng)光能是人類(lèi)最早利用的太陽(yáng)能。人類(lèi)在室內(nèi)享受自然光,是滿(mǎn)足生理心理舒適感覺(jué)的關(guān)鍵因素之一。加之節(jié)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(tǒng)”,也稱(chēng)為光調(diào)系統(tǒng)。光調(diào)系統(tǒng)有望在地下空間、隧道、住宅,以及光源底部照明等領(lǐng)域廣泛使用,帶動(dòng)光道、光管、光井、等相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。CIEN的另一個(gè)低碳產(chǎn)能技術(shù)是風(fēng)能。風(fēng)能是一種廣義的太陽(yáng)能。地球上可利用的風(fēng)能資源約為水能的20倍。風(fēng)能廣泛利用于風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水、風(fēng)力致熱、風(fēng)帆助航、城市通風(fēng)、建筑通風(fēng)等領(lǐng)域。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)近年發(fā)展很快,去年全球的風(fēng)電約增加30%,預(yù)計(jì)2020年全球發(fā)電量的1/8將由風(fēng)電提供。風(fēng)電的成本較低。據(jù)資料(kane2008)分析,假定風(fēng)電成本為1.0,則核電為1.82,煤電為2.13。當(dāng)然,風(fēng)電也有一些瓶頸技術(shù)需要研究克服。主要有噪音、占地問(wèn)題,風(fēng)力機(jī)變漿距技術(shù),發(fā)電機(jī)的恒頻技術(shù)等等。生物質(zhì)能利用也是CIEN的低碳產(chǎn)能技術(shù)。在城市中主要是如何利用生活垃圾產(chǎn)能。這是該項(xiàng)技術(shù)的重要研究領(lǐng)域。固定式燃料電池的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是CIEN低碳產(chǎn)能技術(shù)的重要部分。固定式燃料電池的理想的應(yīng)用路線(xiàn)為:利用建筑、家庭的生活垃圾就地產(chǎn)生生物質(zhì)沼氣,直接用于燃料電池發(fā)電、產(chǎn)熱和生產(chǎn)純凈水,供應(yīng)家庭和辦公建筑使用。相信該項(xiàng)技術(shù)不久就會(huì)進(jìn)一步成熟,引領(lǐng)CIEN低碳產(chǎn)能技術(shù)的一場(chǎng)革命。另外,城市中存在大量的溫差熱能也是CIEN低碳產(chǎn)能領(lǐng)域的有用之材。地表水、地下水、上水、下水的溫差熱能,發(fā)電站、變電站的排熱,產(chǎn)業(yè)余熱,建筑排熱以及地鐵排熱等,量大面廣。據(jù)估計(jì)(NEDO1994),假定城市垃圾焚燒熱量為1的話(huà),則變電站排熱量為1.7,地鐵排熱量為5,下水熱量為25,發(fā)電站排熱量為85,地表水溫差熱量為3362。如何在CIEN內(nèi),充分利用這些溫差熱能是今后重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)的課題之一。在低碳能網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)中,除了上述的低碳產(chǎn)能技術(shù)之外,還有用能技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、蓄能技術(shù)以及智能技術(shù)(物聯(lián)網(wǎng)技術(shù))。它們對(duì)于CIEN的推廣應(yīng)用均起到關(guān)鍵作用。如何協(xié)調(diào)“五能技術(shù)”的全面協(xié)調(diào)發(fā)展,更是智慧能網(wǎng)技術(shù)的重要研究課題之一。由于篇幅的限制,對(duì)于這部分技術(shù)內(nèi)容的發(fā)展和展望,擬在其他的文章中具體描述。三、低碳城市研究的平臺(tái),發(fā)展科學(xué)的低碳城市CIEN的應(yīng)用研究正在中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(中科院高等院)基地中,有步驟地規(guī)劃實(shí)施。中科院高等院基地位于上海浦東張江高科技園區(qū),總用地面積1600畝,總建筑面積88萬(wàn)平方米。中科院高等院是由中國(guó)科學(xué)院與上海市人民政府共同發(fā)起,致力于戰(zhàn)略高技術(shù)、多學(xué)科交叉前沿技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)研究的非贏(yíng)利性機(jī)構(gòu)。是一個(gè)交叉型、集成型、開(kāi)放型的科技創(chuàng)新平臺(tái)。圍繞國(guó)家安全、人口健康、資源環(huán)境等關(guān)系我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題,針對(duì)低碳、環(huán)境、通訊等領(lǐng)域的急切課題,為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供系統(tǒng)解決方案。中科院高等院基地中,規(guī)劃建設(shè)新技術(shù)創(chuàng)新(包括信息與電子技術(shù)、能源與環(huán)境技術(shù)、醫(yī)藥與生物技術(shù)、新材料與工藝技術(shù)、空間技術(shù)與國(guó)防科技),交叉前沿科學(xué)研究,轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化,以及高層次人才教育的綜合平臺(tái)。其中,教育平臺(tái)包括工學(xué)院、理學(xué)院、管理學(xué)院、生命學(xué)院和能源與環(huán)境學(xué)院等。結(jié)合自身的特點(diǎn),中科院高等院希望在基地建設(shè)中、采用最新的低碳理念和低碳技術(shù),把中科院高等院基地打造成為中國(guó)低碳城市研究的展示平臺(tái),低碳新技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái),引領(lǐng)世界低碳城市的發(fā)展方向。為此,該基地建設(shè)以環(huán)境和學(xué)理論為思想指導(dǎo),用CIEN作為技術(shù)基礎(chǔ),結(jié)合基地居住人員的低碳生活意識(shí)的普及教育,三位一體,創(chuàng)新理論和技術(shù),力爭(zhēng)在短時(shí)間內(nèi)把該基地建設(shè)成為世界領(lǐng)先、中國(guó)最優(yōu)的低碳城市示范區(qū)。其中,充分利用CIEN技術(shù)是基地低碳建設(shè)的亮點(diǎn)之一。首先,明確基地的低碳目標(biāo)。提出,樣板辦公樓的碳排放量為控制在30千克/年·平米以下,非樣板辦公樓碳排放量為控制在40千克/年·平米左右。住宅也按低碳標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理,使之成為國(guó)內(nèi)同類(lèi)住宅建筑的低碳化樣板。基地總體規(guī)劃按低碳化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化,確定公交優(yōu)先,人車(chē)分流;基地內(nèi)步行優(yōu)先,自行車(chē)優(yōu)先;設(shè)置公共電動(dòng)巴士以及自用電動(dòng)汽車(chē)充電站;建設(shè)城市軌道交通與基地間的公交擺渡;在教學(xué)區(qū)和科研區(qū)集中設(shè)置電動(dòng)巴士;設(shè)置公共自行車(chē)網(wǎng)絡(luò)租賃服務(wù)系統(tǒng)。能源系統(tǒng)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(tǒng)。充分利用風(fēng)力散熱,應(yīng)用太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池、生物質(zhì)能、地?zé)崮?以及溫差能源與熱電聯(lián)產(chǎn)結(jié)合(DHC)等綜合措施減少能源系統(tǒng)碳排放。太陽(yáng)光照明、光導(dǎo)管和中庭采光技術(shù)。通過(guò)建筑形狀、位置等優(yōu)化組合充分利用自然通風(fēng);外墻外窗遮陽(yáng),減少建筑空調(diào)負(fù)荷;園區(qū)道路照明利用太陽(yáng)能。建筑物的層