低碳城市建设及智能城网应用研究

◎ 李克欣 张 力

人类的文明社会形态，在经历了漫长的农业文明社会以后，随着工业革命的发展，步入工业文明社会。近200年的工业文明社会中，人类获取巨大的地球资源，在享受地球恩赐的物质文明的同时，遭遇前所未有的地球环境危机，人类正处于生存和发展的重要历史关头。

生态文明社会是继工业文明之后的人类又一个社会形态，也是人类可持续发展所必需的新的社会模式。在生态文明社会中，人与人和谐相处，人与自然和谐共生。生态文明社会是人类的理想社会，也是我国的中长期发展目标。

建设生态文明社会，首先要解决制约人类发展的能源问题和威胁人类生存的环境问题。在当代，这两个问题的核心和共同点是人类过度使用化石能源所造成的气候问题、城市问题和人类可持续发展问题。解决这些问题的关键是如何减少人为的二氧化碳排放量，也就是常讲的低碳革命。

城市是人类文明历程的集中体现。城市是人口大量集中、生产生活异常活跃、能源消费巨大、环境污染严重的空间。全世界城市的用能量约占世界总用能量的75%，人为二氧化碳排放量约占全球的80%。

低碳革命的重心在城市。低碳城市建设是实现生态文明社会的必由之路。

一、低碳城市建设的基本路径

低碳城市是指在经济、社会、文化等领域全面进步，市民生活品质不断提升的前提下，减少人为二氧化碳排放量，实现可持续发展的宜居城市。

低碳城市建设首先要创新观念。人的新观念是新的行动的开始。在低碳城市建设中，要抛弃“大量生产、大量消费、大量遗弃”等明显带有西方传统价值观印痕的人生价值观，弘扬具有中华传统思想深厚基础的“环境和学”思想。逐步实现人与自然的和谐共生，提高市民的生活品质。

其次，在城市发展、城市管理等诸多方面，落实体制创新和机制创新。制定限制高碳、鼓励低碳的城市政策和法规。重点在产业导向政策、公共交通政策、生活消费政策、建筑节能政策以及碳交易等方面有所突破，推动城市的节能减排工作。

其三，改变生活方式。倡导低碳消费、低碳饮食、低碳健康的生活方式。弘扬中华民族的崇尚节俭美德，简约生活，物尽其用，循环再生。养成健康的饮食习惯，多用时鲜食品、地产食品和低碳食品。健康是一个人对低碳城市建设的贡献，养生、健身，少生病、少吃药，可以大量减少一个人生命周期的二氧化碳排放量，为生态文明社会建设贡献力量。

第四，要大力开发应用城市低碳技术。在气候友好的大前提下，合理布局城市空间；改善交通设施，鼓励健康出行、低碳出行；推广建筑节能技术，采用低碳建筑材料，延长建筑寿命；在城市中广泛采用低碳的能量技术。

在城市低碳能量技术中，应该重点关注CIEN (City Intelligent Energy Network,CIEN，也称智能城网、智慧能网) 技术的示范和普及应用。CIEN是集城市社区的微电网、微热网和物联网为一体，实现产能、供能、用能、节能、蓄能的能量最优化系统（图1）。

图1 CIEN的基本构成

CIEN是“感知中国”的重要构成部分，具备技术创新和集成创新特征，引领世界低碳城市发展的技术方向。CIEN有机结合城市低碳技术和智能技术，集中体现了低碳城市建设的技术路线中低碳化、智能化、网络化和安全性的特性要求。

CIEN在需要的地点、需要的时刻，以精确的数量，供应需要的能源，满足社区的生产、生活、流通等领域的能源需求。在城市内形成若干CIEN的互联运行，可以实现城市的低碳、环保、安全的能源保障战略。

二、CIEN的应用研究

CIEN技术首次在上海某科技园区进行工程示范研究。该园区占地105公顷、建筑面积约88万平方米。主要用途为科研楼、教学区和生活居住区三大部分。其设计目标为：（1）通过低碳城市技术的技术创新和集成创新，把园区建设成为一个低碳、绿色、安全的低碳城市技术示范区，引领世界低碳城市建设的技术发展方向；（2）以2005年上海地区公用建筑的二氧化碳强度为基准，使该园区的碳排放强度基本降低50%，技术示范核心区的碳排放强度基本降低65%。

在工程研究中，该园区集中低碳城市环境技术，低碳城市交通技术，低碳城市建筑技术，低碳城市安全技术，以及低碳城市能量技术（图2）。本文仅简单介绍低碳城市能量技术中CIEN的示范研究内容（图3）。

1.CIEN中的微热网

该园区建设贯彻提高能源转换效率、实现能源的梯级利用原则。选择能源时优选能源转换效率较高者实施。园区在风冷热泵系统（满足园区局部小容量独立使用要求）、常规水冷冷水机组加燃气热水锅炉系统（满足园区大型集中高密度建筑或建筑群）和地源热泵系统（满足园区大量的多层低密度研究类建筑）三种冷热源系统中，根据建筑物的实际使用要求和功能来灵活搭配合理使用冷热源。

微热网技术（热电联产联供技术）是目前最为先进的节能和环保的能源使用技术。它可以有效降低二氧化碳的排放，实现低碳化用能。微热网技术使用天然气或其他清洁能源发电，并同时提供制冷空调采暖的冷热源和生活热水热源，能大量减低温室气体和其他污染气体的排放,其二氧化碳排放量仅为传统的、以燃煤为代表的能源系统的30%-50%。

该园区内有各种不同用途的建筑，如办公楼、教学楼、科研楼、专家住宅、商场等并行存在。采用微热网将这些用能峰值不同的热能使用单位联网运行，可以降低区域用能总量，提高热能利用效率，增加冗余度，减少热能设备的用房面积，从而综合节能减排。

该园区按照以热定电的原则，设置两套1.5～2兆瓦的CHP系统。一次能源为城市天然气，这些设备发电后的尾气混合部分补燃天然气后，进入补燃双效溴化锂冷水机组供应园区冷热源。非夏季和冬季高峰时段，园区部分生活热水热源为集中式地源热泵和聚光太阳能砷化镓电池冷却水散热。

采用微热网预计可以实现综合能源使用效率的65～70%，并将减少其服务区域建筑冷热系统30%的二氧化碳总排放量。

2.CIEN中的微电网

微电网除满足独立电力系统的产电、供电、用电、节电、蓄电等动态系统自适应管理以外，还实时、稳定地与城市电网互通，是技术接点的关键。微电网定义为社区范围的智能电网，就是社区电网的智能化。它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。提供满足用户需求的电能质量，容许各种不同发电形式的接入，启动电力市场的优化高效运行。

微电网的核心内涵是实现社区电网的信息化、数字化、自动化和互动化，微电网是在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了信息技术、电力技术和管理技术的综合性的效率变革。

微电网通过电子终端将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现数据读取的实时、高速、双向的总体效果，实现电力、电讯、电视、远程家电控制和电池集成充电等的多用途开发。它可以整合系统中的数据，优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网全新的服务功能，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。

该园区采用微电网，提供园区内全部分布式电源（如聚光太阳能砷化镓电池系统、燃料电池系统等）在电网应用层面的技术集成。

3.CIEN中的物联网

我们知道，互联网是信息世界的大脑，可以实现人与人的信息互交。传感网是连接物理世界和数字世界的信息世界的五官，可以实现人与机器、机器与机器的信息互交，是数字世界和物理世界之间的桥梁。物联网是传感网＋互联网＋执行器所构成的智能网络系统。该系统具有监视和控制的功能。物联网主要应用于智能电网、交通物流、工业过程控制、家庭医疗、CIEN等领域。

该园区的CIEN是在物联网的支撑下，实现建筑环境舒适动态设计和动态实时控制。主要包含以下主要内容：

（1）设定点的可调节性。即在满足舒适、健康且节约能源的原则下，确定合理的室内空气温湿度控制范围。

（2）分区控制。即考虑朝向差别和内部发热源的差别来划分空调区域。通过改变区域供冷供热量来调整供应与需求之间的关系。

（3）减少外围护结构导致的不舒适性。即防止玻璃幕墙类建筑窗侧太阳辐射影响的不舒适感。鼓励采用高层外遮阳，低层低密度建筑利用植物遮阳。

（4）根据公共建筑内实际人员数值调节新风量和实际区域循环风量，减少调节能源消耗。

（5)利用物联网实现园区碳负荷信息采集、园区减少碳排放的过程控制和CIEN系统过程的可视化。

建筑用能的大部分是用来抵消建筑空间的能量负荷。建筑空间环境的舒适指标很大程度地影响建筑的系统负荷。该园区利用物联网，定点、定量地控制建筑空间的环境要求参数，实现建筑系统的动态热舒适指标以及空气品质的管理，有效地减低建筑设备系统的用能负荷，实现物联网支撑下的、在满足建筑空间环境舒适前提下的定点、定量、按需供能。主要原则是追求动态热舒适控制而不采用传统的、围绕某些室内温度或者相对湿度指标的“恒温恒湿”环境控制，将夏季室内温度26℃作为温度控制的下限,将冬季室内温度18℃作为温度控制的上限，以实现控制方式上最大程度的节能减碳。

4.CIEN中的新能源

随着城市新能源以及CIEN的应用，建筑物已经从单纯的用能设施演变成既产能又耗能的综合设施。建筑的产能系统主要涉及低碳新能源，如太阳能、风能、生物质能等。需要说明的是，建筑能源系统中多余的产能量可以在CIEN中互相流通，最大限度地满足气候能源产能以及建筑动态用能的不平衡状态。CIEN系统内部的能量互通，可以充分保证城市电网以及城市热网的安全运行。

（1）太阳能

太阳能是最常见的可再生能源。太阳能利用主要有两个方面：光伏发电和太阳能热水器。

该园区瞄准世界太阳能光伏发电的前沿技术，采用太阳能光伏发电效率35%以上的聚光太阳能砷化镓电池系统。除获得高太阳光-电转换能效外，聚光太阳能砷化镓电池系统的冷却水降温系统同时作为微热网的热源。

低密度研究建筑和低密度居住建筑的屋顶设置承压型太阳能热水器。按华东地区的居住建筑除采暖外生活热水能耗占住宅总能耗的19%统计值，按华东地区住宅年平均总能耗水平约20千克标准煤/平方米的统计值计算，除冬季不利气象条件时采用局部电辅热外，低密度研究建筑和低密度居住区配套户均3平方米的屋顶承压型太阳能热水器就可以满足全部生活热水的用热要求。该太阳能热水系统约可减少13～15%的二氧化碳排放量。

（2）风能

该园区考虑适当设置建筑一体化风能太阳能联合发电系统。在园区规划和单体建筑设计上充分考虑利用自然通风。

（3）生物质能

该园区的生物质能主要是利用生物质垃圾的能源，可以结合燃料电池系统以及垃圾能源系统一并考虑。园区内设置一套200～400千瓦级高温生活垃圾沼气磷酸燃料电池(PAFC)，约可消化整个园区生活垃圾沼气的15～30%。其冷却水并入园区微热网的热源系统。

（4）势能

充分利用高层建筑的势能是CIEN的优势之一。采用高层建筑电能回收电梯，电梯在上升时耗电而电梯下降时的势能可以发电；利用高层建筑的给水系统的水势能，推动微水轮发电机组发电并取代区域减压阀，与CIEN的微电网连接。

（5）蓄能

由于CIEN中新能源（气候能源）的不稳定性，在CIEN中设置蓄能系统是必不可少的。该园区的微热网中，设置躯体蓄热能和水蓄热系统以及采用埋管地源蓄热能系统。电能蓄能系统中设置必要的蓄电池以及把电能转化为势能和热能储存起来的设备。

（6）温差能源

CIEN的微热网中设置地源埋管系统，以冬夏季实测累计冷热量平衡为原则，为各建筑物合理配套在上海地区冬夏平均能效比大于4.0的小型就地化地源热泵或地源一拖多系统。这些地源热泵或地源一拖多系统能够在最大程度上适应园区能源密度较低、应用范围较广但空调采暖系统的同时使用率比较低的特点。

结合园区城市轨道交通站，在微热网中选定部分电动冷水机组为热回收型机组。冬季将利用这些机组在为城市轨道交通站降温的同时向微热网供热。利用聚光太阳能砷化镓电池冷却水系统，使园区太阳能发电新能源系统能源转换效率达到50%以上。

5.CIEN描述

该园区的CIEN可以简单描述如下：上班进入办公大楼，照明、电梯会自动开启，办公系统自动打开；办公空调系统会自动判别启动个人空调还是空间空调；判别采用变流量（改变系统电能）还是变温度（改变系统热能）调节舒适度，判别改变遮阳装置或开启自然光管系统，还是打开局部灯光照明，在满足舒适的前提下节能低碳。园区的微电网、微热网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，提出各自的产能供能方案。在节能低碳的原则下，对于电力需求，是启动太阳能、风能系统，还是启动CHP、蓄电系统。对于热能需求，是采用太阳能系统，还是启动CHP、蓄热系统等等。

下班时，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，还是家用风力发电，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。

CIEN使得园区的所有产能和用能设备智能对话，智能分工，在节能、低碳、环保、安全的前提下保证园区的最优化用能。

总之，发展低碳经济，建设低碳城市，是我国经济社会发展的重大战略，是加快经济发展方式转变和经济结构调整的重大机遇。其中，应该重视城市低碳技术的创新和发展，从城市的空间模式入手,改变中国城市布局的单一中心(摊大饼式)建设思路，研究应用“单元城市”的空间模式。CIEN是“单元城市”的重要构成部分。我们相信，进一步研究和实践CIEN，可以为世界低碳城市的发展寻找一条较为便捷的技术路径。

[1]李克欣.低碳城市建设的初步思考.中国科技财富,2009,(7).

[2]李克欣.“智慧能网”是低碳城市的实践基础.中国科技财富,2009,(11).

[3]国家发改委能源所.中国2050年低碳发展之路.科学出版社,2009,9.