《中国科技财富》杂志2009年7期刊登了拙文《低碳城市建设的初步思考》,在业内产生较大影响。作为系列探索文章,本文进一步对低碳城市建设的关键技术,或可称之谓低碳城市实践基础的“智慧能网”(CIEN)概念进行描述。期望在全球性低碳城市建设大潮中抛砖引玉,为保持中国在世界低碳城市的研究领域的领先地位贡献一些思想。

我们知道,建设低碳城市必须从政策、社会、文化、技术等各领域开展工作,协调诸多层面的关系。如在文化层面,要深入研究环境“和学”理论这一创新思想在低碳城市建设中的基础作用;在社会层面,全民践行低碳生活方式是低碳城市建设的社会基础;在技术层面,推广应用“智慧能网”技术是低碳城市建设的实践基础。

“智慧能网”(CIEN)是以城市社区为空间范围,集社区热能网、电能网、智能网为一体的能源供应网络系统。CIEN是低碳城市能源建设的关键技术;是物联网在低碳城市中的应用;是“感知中国”的组成部分。

CIEN在需要时间、地点,以精确的数量供应需要的能源品种(热能、电能、自然光、风力等),满足城市的生产、生活、流通等所有领域的低碳能源需求。通过多个社区的CIEN的互联运行,可以实现整个城市或地理区域的低碳、环保、安全的能源保障战略。

“智慧能网”技术,集供能、用能、节能、蓄能和智能技术为大成,具有技术创新和集成创新的“五能合一、三网互联”的物联网特点。CIEN可以满足在提高市民生活品质的前提下,大幅度节约能源,降低二氧化碳排放量的低碳城市的技术要求。CIEN是低碳城市能源供应的最佳网络系统。

在世界低碳城市的研究领域,“智慧能网”技术具有前瞻性、独创性和实用性,引领低碳城市能源建设的发展方向。

“智慧能网”的基本概念

城市的性质不同,城市用能的品种和强度均有所差异。粗略统计,在一般的服务型城市的终端用能中,电能和热能的使用比例,各占半壁江山。在低碳城市的能源供应系统中,热能的“智慧”供应是一个不可忽视的重要环节。

同时,在城市中有大量的温差能源未被利用。这些能源以热能的形式存在,由于其能源品位较低,往往只能以热能的形式通过热能网络供给城市建筑使用,维持居住空间的环境热舒适。如地表水、地下水、上水、下水的温差热能,发电站、变电站的排热,产业余热,建筑排热以及地铁排热等温差能源,由于单独直接利用的难度较大,往往采用管路网络回收后集中处理,再由管路网络送至用能终端的热能管道网络系统加以利用。

热能管道网络系统,又多以分布式能源系统(如热电联产系统、燃料电池等)为能源生产中心、低碳新能源系统(太阳能、风能、生物质能等)以及城市未利用能源(温差能等)作为辅助能源,构成城市社区的供热供冷系统(DHC)。今天,DHC技术已经趋于成熟,非常适于服务型城市社区的供热、供冷需要。

另外, 2006年,美国开发成功“电力中枢神经系统”,标志着智能电网的诞生。智能电网是通过广泛应用传感和测量技术、设备和控制技术、以及决策支持技术,使得地域、城市、社区、建筑以及家庭的各种发电和用电设备具备一定的智慧能力。智能电网可以接入大量的分布式气候低碳能源(如风能、太阳能),实现发电、输电、卖电、买电、蓄电等电力产业的流程智能化。社区型智能电网技术是构成CIEN的组成部分之一,在技术上基本趋于成熟。

近来,物联网的概念已被世界广泛接受。其定义是把所有物体通过传感信息技术与互联网连接起来,实现智能化管理。美国政府、中国政府都把物联网技术的推广应用作为未来的国家战略。美国有IBM提出的“智慧地球”的概念,中国有温家宝总理命名的“感知中国”的设想。

“智慧能网”(CIEN)是综合利用当今世界新技术而形成的,适用于低碳城市的新能源保障技术。CIEN创新集成上述的社区用热能的DHC系统,用电能的智能电网系统,以及赋予相关物体以聪明智慧的物联网系统。

CIEN在城市能源的生产、使用、储存和管理方面,以人为本,最大限度地满足城市生产、生活、交流的能量需求;最大限度地节约能源和开发利用低碳能源;在能源安全方面,综合利用,协调用能,广域联网,确保安全。

CIEN是城市能源供应系统的中间关键环节。向下,互联企业、建筑、家庭;向上,互联城市或者地域的智能电网。

我们可以这样描述CIEN:上班时,进入办公大楼,空间照明、电梯会自动开启,办公系统自动打开;坐在办公桌前,空调系统会自动判别启动个人空调系统还是空间空调系统;判别采用变风量(改变系统电能),变水量(改变系统热能),还是采用直接电力方式,在满足热舒适的前提下节约能源;判别采用改变遮阳装置的角度或开启自然光管系统,还是打开局部灯光照明,在满足视舒适的前提下节约能源;

建筑能源中心根据气象参数及建筑全体的用能情况,明确空调系统中热能和电能的量化指标,提出各自的供能方案。对于电力需求,是采用太阳能系统,风能系统,蓄能系统,还是向CIEN买电;对于热能需求,是采用太阳能系统,蓄能系统,还是向CIEN买热;

下班时,智能交通系统会帮你选择最优的回家路线和交通工具。家用电器在你到家之前已经部分启动。此时,家庭需要多少热能(炊事,洗浴),需要多少电能(电视,照明,电动汽车充电),这些热能、电能如何获得,是采用家用太阳能制热、发电,家用风力发电,自家电动汽车的蓄电,是启动燃料电池发电产热,还是向CIEN买电买热,以及向CIEN卖电,等等都会自动运行。

此时,与建筑或家庭的“智慧能网”互通的CIEN根据气象参数以及网内企业、建筑、商场、宾馆、学校、医院、家庭、电动汽车等用能情况,确定CIEN系统中的风力发电,太阳能发电、产热,垃圾发电,热电联产系统热电比例,以及燃料电池等等,优化低碳能源和温差能源的使用条件。同时提出用能决策辅助方案:是向城市电网买电,还是向城市天然气购气。

CIEN与城市电网智慧互通。城市电网根据气象参数以及各CIEN情况,优化核电、水电、煤电、低碳发电、生物质电以及蓄电等供电系统,确定发电和供电方案。城市或地域的天然气网络也会根据用气量的需求调整沼气产量,天然气供气量以及蓄气量等等。

简言之,CIEN使得城市的所有产能和用能设备智能对话,合理分工,具体负责,在节能、低碳、环保、安全的前提下保证我们的生活用能。

也就是说,在CIEN范围,社区的办公建筑与住宅建筑的能量使用昼夜错峰互补;办公建筑与商业建筑的能量使用节假日错峰互补;产业与建筑也可以错峰互补。极大地减低了社区能网的用能峰值,节约能源。CIEN内的不稳定的气候低碳能源(太阳能、风能等)与稳定的低碳能源(氢能、生物质能)互为补充,最大限度地利用气候低碳能源,减少社区的二氧化碳排放。

“智慧能网”的技术节点

低碳产能技术是CIEN应用实践的关键之一。

太阳能利用技术是CIEN的低碳产能技术之一。涵盖太阳能发电技术、太阳能制热技术、太阳能建筑技术、太阳能空调技术和太阳能照明技术等等。

太阳能发电技术在我国发展很快,去年光伏产业的年销售额为1000亿人民币,世界前15名的光伏企业中中国占1/2。同年,太阳能热水器行业的国内销售为380亿人民币,年增长率为30%。

太阳能空调技术的发展方向是聚焦太阳光能,进一步加热通过太阳能热水器的液体,使其蒸发制冷空调循环。太阳光能是人类最早利用的太阳能。人类在室内享受自然光,是满足生理心理舒适感觉的关键因素之一。加之节能的需要,日本在近期推出了采用自然光照明的“建筑光管系统”,也称为光调系统。光调系统有望在地下空间、隧道、住宅,以及光源底部照明等领域广泛使用,带动光道、光管、光井等相关领域的产业发展。

CIEN的另一个低碳产能技术是风能。风能是一种广义的太阳能。地球上可利用的风能资源约为水能的20倍。风能广泛利用于风力发电、风力提水、风力致热、风帆助航、城市通风、建筑通风等领域。风力发电产业近年发展很快,去年全球的风电约增加30%,预计2020年全球发电量的1/8将由风电提供。

风电的成本较低。据资料(kane2008)分析,假定风电成本为1.0,则核电为1.82,煤电为2.13。当然,风电也有一些技术瓶颈需要研究攻克。主要有噪音、占地问题,风力机变浆距技术,发电机的恒频技术等等。

生物质能利用也是CIEN的低碳产能技术。在城市中主要是如何利用生活垃圾产能。这是该项技术的重点研究。

固定式燃料电池的开发应用是CIEN低碳产能技术的重要部分。固定式燃料电池的理想的应用路线为:利用建筑、家庭的生活垃圾就地产生生物质沼气,直接用于燃料电池发电、产热和生产纯净水,供应家庭和办公建筑使用。相信该项技术不久就会进一步成熟,引领CIEN低碳产能技术的一场革命。

另外,城市中存在大量的温差热能也是CIEN低碳产能领域的有用之材。地表水、地下水、上水、下水的温差热能,发电站、变电站的排热,产业余热,建筑排热以及地铁排热等,量大面广。据估计(NEDO 1994),假定城市垃圾焚烧热量为1的话,则变电站排热量为1.7,地铁排热量为5,下水热量为25,发电站排热量为85,地表水温差热量为3362。如何在CIEN内,充分利用这些温差热能是今后重点研究开发的课题之一。

在低碳能网系统的技术节点中,除了上述的低碳产能技术之外,还有用能技术、节能技术、蓄能技术以及智能技术(物联网技术)。它们对于CIEN的推广应用均起到关键作用。如何协调“五能技术”的全面协调发展,更是智慧能网技术的重要研究课题之一。由于篇幅的限制,对于这部分技术内容的发展和展望,拟在其他的文章中具体描述。

“智慧能网”的应用研究

CIEN的应用研究正在中国科学院上海高等研究院(中科院高等院)基地中,有步骤地规划实施。中科院高等院基地位于上海浦东张江高科技园区,总用地面积1600亩,总建筑面积88万平方米。

中科院高等院是由中国科学院与上海市人民政府共同发起,致力于战略高新技术、多学科交叉前沿技术、应用技术研究的非赢利性机构。是一个交叉型、集成型、开放型的科技创新平台。围绕国家安全、人口健康、资源环境等关系我国经济社会协调、可持续发展的重大问题,针对低碳、环境、通讯等领域的急切课题,为我国经济社会的可持续发展提供系统解决方案。

中科院高等院基地中,规划建设新技术创新(包括信息与电子技术、能源与环境技术、医药与生物技术、新材料与工艺技术、空间技术与国防科技),交叉前沿科学研究,转移转化,以及高层次人才教育的综合平台。其中,教育平台包括工学院、理学院、管理学院、生命学院和能源与环境学院等。

结合自身的特点,中科院高等院希望在基地建设中、采用最新的低碳理念和低碳技术,把中科院高等院基地打造成为中国低碳城市研究的展示平台,低碳新技术的应用平台,引领世界低碳城市的发展方向。

为此,该基地建设以环境和学理论为思想指导,用CIEN作为技术基础,结合基地居住人员的低碳生活意识的普及教育,三位一体,创新理论和技术,力争在短时间内把该基地建设成为世界领先、中国最优的低碳城市示范区。

其中,充分利用CIEN技术是基地低碳建设的亮点之一。首先,明确基地的低碳目标。提出,样板办公楼的碳排放量为控制在30千克/年•平米以下,非样板办公楼碳排放量为控制在40千克/年•平米左右。住宅也按低碳标准设计、建设和管理,使之成为国内同类住宅建筑的低碳化样板。

基地总体规划按低碳化标准进行优化,确定公交优先,人车分流;基地内步行优先,自行车优先;设置公共电动巴士以及自用电动汽车充电站;建设城市轨道交通与基地间的公交摆渡;在教学区和科研区集中设置电动巴士;设置公共自行车网络租赁服务系统。

能源系统低碳化。利用CIEN,合理配套分布式的地源热泵和水源热泵系统。充分利用风力散热,应用太阳能、风能、燃料电池、生物质能、地热能,以及温差能源与热电联产结合(DHC)等综合措施减少能源系统碳排放。

太阳光照明、光导管和中庭采光技术。通过建筑形状、位置等优化组合充分利用自然通风;外墙外窗遮阳,减少建筑空调负荷;园区道路照明利用太阳能。

建筑物的层高、净高要留有余地,建筑单元组合便利化。减少建筑维修和改建的碳排放量。建筑材料低碳化。建筑设备的长寿命化和高效率化,在整个建筑寿命周期内实现二氧化碳的低排放。

利用雨水作为绿化灌溉的基本水源。将绿化引入建筑物地面和屋顶。在园区垃圾分类的前提下,进行园区可燃性生活垃圾的生物质能利用。

建设物联物系统,集成管理上述各种技术设备,系统以及物体,智能减碳。

该基地的CIEM的应用研究课题,还要对中科院高等院基地进行低碳城市满意度评价;研究开发CIEN的通用设计软件包;以及为研究制定CIEN系统的国际标准积累经验。