◎ 李克欣 張 力

人類的文明社會形態(tài)，在經(jīng)歷了漫長的農(nóng)業(yè)文明社會以后，隨著工業(yè)革命的發(fā)展，步入工業(yè)文明社會。近200年的工業(yè)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(zhì)文明的同時，遭遇前所未有的地球環(huán)境危機，人類正處于生存和發(fā)展的重要歷史關(guān)頭。

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

建設(shè)生態(tài)文明社會，首先要解決制約人類發(fā)展的能源問題和威脅人類生存的環(huán)境問題。在當(dāng)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(xù)發(fā)展問題。解決這些問題的關(guān)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(xiàn)。城市是人口大量集中、生產(chǎn)生活異?；钴S、能源消費巨大、環(huán)境污染嚴(yán)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(shè)是實現(xiàn)生態(tài)文明社會的必由之路。

一、低碳城市建設(shè)的基本路徑

低碳城市是指在經(jīng)濟、社會、文化等領(lǐng)域全面進步，市民生活品質(zhì)不斷提升的前提下，減少人為二氧化碳排放量，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的宜居城市。

低碳城市建設(shè)首先要創(chuàng)新觀念。人的新觀念是新的行動的開始。在低碳城市建設(shè)中，要拋棄“大量生產(chǎn)、大量消費、大量遺棄”等明顯帶有西方傳統(tǒng)價值觀印痕的人生價值觀，弘揚具有中華傳統(tǒng)思想深厚基礎(chǔ)的“環(huán)境和學(xué)”思想。逐步實現(xiàn)人與自然的和諧共生，提高市民的生活品質(zhì)。

其次，在城市發(fā)展、城市管理等諸多方面，落實體制創(chuàng)新和機制創(chuàng)新。制定限制高碳、鼓勵低碳的城市政策和法規(guī)。重點在產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向政策、公共交通政策、生活消費政策、建筑節(jié)能政策以及碳交易等方面有所突破，推動城市的節(jié)能減排工作。

其三，改變生活方式。倡導(dǎo)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(jié)儉美德，簡約生活，物盡其用，循環(huán)再生。養(yǎng)成健康的飲食習(xí)慣，多用時鮮食品、地產(chǎn)食品和低碳食品。健康是一個人對低碳城市建設(shè)的貢獻，養(yǎng)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(tài)文明社會建設(shè)貢獻力量。

第四，要大力開發(fā)應(yīng)用城市低碳技術(shù)。在氣候友好的大前提下，合理布局城市空間；改善交通設(shè)施，鼓勵健康出行、低碳出行；推廣建筑節(jié)能技術(shù)，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(shù)。

在城市低碳能量技術(shù)中，應(yīng)該重點關(guān)注CIEN (City Intelligent Energy Network,CIEN，也稱智能城網(wǎng)、智慧能網(wǎng)) 技術(shù)的示范和普及應(yīng)用。CIEN是集城市社區(qū)的微電網(wǎng)、微熱網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)為一體，實現(xiàn)產(chǎn)能、供能、用能、節(jié)能、蓄能的能量最優(yōu)化系統(tǒng)（圖1）。

圖1 CIEN的基本構(gòu)成

CIEN是“感知中國”的重要構(gòu)成部分，具備技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新特征，引領(lǐng)世界低碳城市發(fā)展的技術(shù)方向。CIEN有機結(jié)合城市低碳技術(shù)和智能技術(shù)，集中體現(xiàn)了低碳城市建設(shè)的技術(shù)路線中低碳化、智能化、網(wǎng)絡(luò)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(shù)量，供應(yīng)需要的能源，滿足社區(qū)的生產(chǎn)、生活、流通等領(lǐng)域的能源需求。在城市內(nèi)形成若干CIEN的互聯(lián)運行，可以實現(xiàn)城市的低碳、環(huán)保、安全的能源保障戰(zhàn)略。

二、CIEN的應(yīng)用研究

CIEN技術(shù)首次在上海某科技園區(qū)進行工程示范研究。該園區(qū)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(xué)區(qū)和生活居住區(qū)三大部分。其設(shè)計目標(biāo)為：（1）通過低碳城市技術(shù)的技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，把園區(qū)建設(shè)成為一個低碳、綠色、安全的低碳城市技術(shù)示范區(qū)，引領(lǐng)世界低碳城市建設(shè)的技術(shù)發(fā)展方向；（2）以2005年上海地區(qū)公用建筑的二氧化碳強度為基準(zhǔn)，使該園區(qū)的碳排放強度基本降低50%，技術(shù)示范核心區(qū)的碳排放強度基本降低65%。

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

1.CIEN中的微熱網(wǎng)

該園區(qū)建設(shè)貫徹提高能源轉(zhuǎn)換效率、實現(xiàn)能源的梯級利用原則。選擇能源時優(yōu)選能源轉(zhuǎn)換效率較高者實施。園區(qū)在風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)（滿足園區(qū)局部小容量獨立使用要求）、常規(guī)水冷冷水機組加燃氣熱水鍋爐系統(tǒng)（滿足園區(qū)大型集中高密度建筑或建筑群）和地源熱泵系統(tǒng)（滿足園區(qū)大量的多層低密度研究類建筑）三種冷熱源系統(tǒng)中，根據(jù)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(wǎng)技術(shù)（熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供技術(shù)）是目前最為先進的節(jié)能和環(huán)保的能源使用技術(shù)。它可以有效降低二氧化碳的排放，實現(xiàn)低碳化用能。微熱網(wǎng)技術(shù)使用天然氣或其他清潔能源發(fā)電，并同時提供制冷空調(diào)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(tǒng)的、以燃煤為代表的能源系統(tǒng)的30%-50%。

該園區(qū)內(nèi)有各種不同用途的建筑，如辦公樓、教學(xué)樓、科研樓、專家住宅、商場等并行存在。采用微熱網(wǎng)將這些用能峰值不同的熱能使用單位聯(lián)網(wǎng)運行，可以降低區(qū)域用能總量，提高熱能利用效率，增加冗余度，減少熱能設(shè)備的用房面積，從而綜合節(jié)能減排。

該園區(qū)按照以熱定電的原則，設(shè)置兩套1.5～2兆瓦的CHP系統(tǒng)。一次能源為城市天然氣，這些設(shè)備發(fā)電后的尾氣混合部分補燃天然氣后，進入補燃雙效溴化鋰?yán)渌畽C組供應(yīng)園區(qū)冷熱源。非夏季和冬季高峰時段，園區(qū)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(wǎng)預(yù)計可以實現(xiàn)綜合能源使用效率的65～70%，并將減少其服務(wù)區(qū)域建筑冷熱系統(tǒng)30%的二氧化碳總排放量。

2.CIEN中的微電網(wǎng)

微電網(wǎng)除滿足獨立電力系統(tǒng)的產(chǎn)電、供電、用電、節(jié)電、蓄電等動態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)管理以外，還實時、穩(wěn)定地與城市電網(wǎng)互通，是技術(shù)接點的關(guān)鍵。微電網(wǎng)定義為社區(qū)范圍的智能電網(wǎng)，就是社區(qū)電網(wǎng)的智能化。它是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設(shè)備技術(shù)、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。提供滿足用戶需求的電能質(zhì)量，容許各種不同發(fā)電形式的接入，啟動電力市場的優(yōu)化高效運行。

微電網(wǎng)的核心內(nèi)涵是實現(xiàn)社區(qū)電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動化和互動化，微電網(wǎng)是在開放和互聯(lián)的信息模式基礎(chǔ)上，通過加載系統(tǒng)數(shù)字設(shè)備和升級電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電、輸電、供電、用電、客戶售電、綜合服務(wù)等電力產(chǎn)業(yè)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(shù)、電力技術(shù)和管理技術(shù)的綜合性的效率變革。

微電網(wǎng)通過電子終端將用戶之間、用戶和電網(wǎng)公司之間形成網(wǎng)絡(luò)互動和即時連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的實時、高速、雙向的總體效果，實現(xiàn)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(fā)。它可以整合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的管理，將電網(wǎng)提升為互動運轉(zhuǎn)的全新模式，形成電網(wǎng)全新的服務(wù)功能，提高整個電網(wǎng)的可靠性、可用性和綜合效率。

該園區(qū)采用微電網(wǎng)，提供園區(qū)內(nèi)全部分布式電源（如聚光太陽能砷化鎵電池系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)等）在電網(wǎng)應(yīng)用層面的技術(shù)集成。

3.CIEN中的物聯(lián)網(wǎng)

我們知道，互聯(lián)網(wǎng)是信息世界的大腦，可以實現(xiàn)人與人的信息互交。傳感網(wǎng)是連接物理世界和數(shù)字世界的信息世界的五官，可以實現(xiàn)人與機器、機器與機器的信息互交，是數(shù)字世界和物理世界之間的橋梁。物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)＋互聯(lián)網(wǎng)＋執(zhí)行器所構(gòu)成的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有監(jiān)視和控制的功能。物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用于智能電網(wǎng)、交通物流、工業(yè)過程控制、家庭醫(yī)療、CIEN等領(lǐng)域。

該園區(qū)的CIEN是在物聯(lián)網(wǎng)的支撐下，實現(xiàn)建筑環(huán)境舒適動態(tài)設(shè)計和動態(tài)實時控制。主要包含以下主要內(nèi)容：

（1）設(shè)定點的可調(diào)節(jié)性。即在滿足舒適、健康且節(jié)約能源的原則下，確定合理的室內(nèi)空氣溫濕度控制范圍。

（2）分區(qū)控制。即考慮朝向差別和內(nèi)部發(fā)熱源的差別來劃分空調(diào)區(qū)域。通過改變區(qū)域供冷供熱量來調(diào)整供應(yīng)與需求之間的關(guān)系。

（3）減少外圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的不舒適性。即防止玻璃幕墻類建筑窗側(cè)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(jù)公共建筑內(nèi)實際人員數(shù)值調(diào)節(jié)新風(fēng)量和實際區(qū)域循環(huán)風(fēng)量，減少調(diào)節(jié)能源消耗。

（5)利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)園區(qū)碳負荷信息采集、園區(qū)減少碳排放的過程控制和CIEN系統(tǒng)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(huán)境的舒適指標(biāo)很大程度地影響建筑的系統(tǒng)負荷。該園區(qū)利用物聯(lián)網(wǎng)，定點、定量地控制建筑空間的環(huán)境要求參數(shù)，實現(xiàn)建筑系統(tǒng)的動態(tài)熱舒適指標(biāo)以及空氣品質(zhì)的管理，有效地減低建筑設(shè)備系統(tǒng)的用能負荷，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)支撐下的、在滿足建筑空間環(huán)境舒適前提下的定點、定量、按需供能。主要原則是追求動態(tài)熱舒適控制而不采用傳統(tǒng)的、圍繞某些室內(nèi)溫度或者相對濕度指標(biāo)的“恒溫恒濕”環(huán)境控制，將夏季室內(nèi)溫度26℃作為溫度控制的下限,將冬季室內(nèi)溫度18℃作為溫度控制的上限，以實現(xiàn)控制方式上最大程度的節(jié)能減碳。

4.CIEN中的新能源

隨著城市新能源以及CIEN的應(yīng)用，建筑物已經(jīng)從單純的用能設(shè)施演變成既產(chǎn)能又耗能的綜合設(shè)施。建筑的產(chǎn)能系統(tǒng)主要涉及低碳新能源，如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等。需要說明的是，建筑能源系統(tǒng)中多余的產(chǎn)能量可以在CIEN中互相流通，最大限度地滿足氣候能源產(chǎn)能以及建筑動態(tài)用能的不平衡狀態(tài)。CIEN系統(tǒng)內(nèi)部的能量互通，可以充分保證城市電網(wǎng)以及城市熱網(wǎng)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(fā)電和太陽能熱水器。

該園區(qū)瞄準(zhǔn)世界太陽能光伏發(fā)電的前沿技術(shù)，采用太陽能光伏發(fā)電效率35%以上的聚光太陽能砷化鎵電池系統(tǒng)。除獲得高太陽光-電轉(zhuǎn)換能效外，聚光太陽能砷化鎵電池系統(tǒng)的冷卻水降溫系統(tǒng)同時作為微熱網(wǎng)的熱源。

低密度研究建筑和低密度居住建筑的屋頂設(shè)置承壓型太陽能熱水器。按華東地區(qū)的居住建筑除采暖外生活熱水能耗占住宅總能耗的19%統(tǒng)計值，按華東地區(qū)住宅年平均總能耗水平約20千克標(biāo)準(zhǔn)煤/平方米的統(tǒng)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(qū)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(tǒng)約可減少13～15%的二氧化碳排放量。

（2）風(fēng)能

該園區(qū)考慮適當(dāng)設(shè)置建筑一體化風(fēng)能太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。在園區(qū)規(guī)劃和單體建筑設(shè)計上充分考慮利用自然通風(fēng)。

（3）生物質(zhì)能

該園區(qū)的生物質(zhì)能主要是利用生物質(zhì)垃圾的能源，可以結(jié)合燃料電池系統(tǒng)以及垃圾能源系統(tǒng)一并考慮。園區(qū)內(nèi)設(shè)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(qū)生活垃圾沼氣的15～30%。其冷卻水并入園區(qū)微熱網(wǎng)的熱源系統(tǒng)。

（4）勢能

充分利用高層建筑的勢能是CIEN的優(yōu)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(fā)電；利用高層建筑的給水系統(tǒng)的水勢能，推動微水輪發(fā)電機組發(fā)電并取代區(qū)域減壓閥，與CIEN的微電網(wǎng)連接。

（5）蓄能

由于CIEN中新能源（氣候能源）的不穩(wěn)定性，在CIEN中設(shè)置蓄能系統(tǒng)是必不可少的。該園區(qū)的微熱網(wǎng)中，設(shè)置軀體蓄熱能和水蓄熱系統(tǒng)以及采用埋管地源蓄熱能系統(tǒng)。電能蓄能系統(tǒng)中設(shè)置必要的蓄電池以及把電能轉(zhuǎn)化為勢能和熱能儲存起來的設(shè)備。

（6）溫差能源

CIEN的微熱網(wǎng)中設(shè)置地源埋管系統(tǒng)，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(qū)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(tǒng)。這些地源熱泵或地源一拖多系統(tǒng)能夠在最大程度上適應(yīng)園區(qū)能源密度較低、應(yīng)用范圍較廣但空調(diào)采暖系統(tǒng)的同時使用率比較低的特點。

結(jié)合園區(qū)城市軌道交通站，在微熱網(wǎng)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(wǎng)供熱。利用聚光太陽能砷化鎵電池冷卻水系統(tǒng)，使園區(qū)太陽能發(fā)電新能源系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率達到50%以上。

5.CIEN描述

該園區(qū)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(tǒng)自動打開；辦公空調(diào)系統(tǒng)會自動判別啟動個人空調(diào)還是空間空調(diào)；判別采用變流量（改變系統(tǒng)電能）還是變溫度（改變系統(tǒng)熱能）調(diào)節(jié)舒適度，判別改變遮陽裝置或開啟自然光管系統(tǒng)，還是打開局部燈光照明，在滿足舒適的前提下節(jié)能低碳。園區(qū)的微電網(wǎng)、微熱網(wǎng)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)，提出各自的產(chǎn)能供能方案。在節(jié)能低碳的原則下，對于電力需求，是啟動太陽能、風(fēng)能系統(tǒng)，還是啟動CHP、蓄電系統(tǒng)。對于熱能需求，是采用太陽能系統(tǒng)，還是啟動CHP、蓄熱系統(tǒng)等等。

下班時，家用電器在你到家之前已經(jīng)部分啟動。此時，家庭需要多少熱能（炊事，洗?。?，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(fā)電，還是家用風(fēng)力發(fā)電，自家電動汽車的蓄電，是啟動燃料電池發(fā)電產(chǎn)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(qū)的所有產(chǎn)能和用能設(shè)備智能對話，智能分工，在節(jié)能、低碳、環(huán)保、安全的前提下保證園區(qū)的最優(yōu)化用能。

總之，發(fā)展低碳經(jīng)濟，建設(shè)低碳城市，是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略，是加快經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整的重大機遇。其中，應(yīng)該重視城市低碳技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)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(shè)思路，研究應(yīng)用“單元城市”的空間模式。CIEN是“單元城市”的重要構(gòu)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(fā)展尋找一條較為便捷的技術(shù)路徑。

[1]李克欣.低碳城市建設(shè)的初步思考.中國科技財富,2009,(7).

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

[3]國家發(fā)改委能源所.中國2050年低碳發(fā)展之路.科學(xué)出版社,2009,9.