绿色生态城区能源管理与互联网思维
同济大学龙惟定
DOI：10./j.cnki.jskj..07.
一、城市和城区能源系统一座城市的能源系统有三个环节，即能源的生产（Production）、转换（Utility）和消费（Customer）。在P-U-C三个环节上，P提供产品、U提供服务，在市场经济条件下一切应该围绕C（图1）。
图1城市能源系统的P-U-C环节
资料来源：根据A.Cuchí;J.Mour?o;A.Pagés，AframeworktotakeaccountofCO2onurbanplanning，45thISOCARPCongress重新绘制
城市能源的生产端，可以视为能源的供应侧；城市能源的消费端，可以视为能源的需求侧。而能源的转换则比较复杂，如发电供电是二次能源的生产，对一次能源（煤和天然气）而言是需求侧，对用户而言却又是供应侧。对于一座城市而言，一次能源（煤、石油、天然气和一次电力）和一部分二次能源（调入火力发电）的生产在市外；少部分的一次能源（风电、光伏发电）生产和大部分的二次能源（火力发电、生物质发电、热力、煤制气等）的生产（转换）在市内。
最终由产业（包括工业和农业）、交通和建筑（包括商业和居民）三个领域消费。消费环节主要在市内，也有一部分由航空、水运、公铁等交通工具在市外消费。对于绿色生态城区的管理者而言，主要面对的是转换和使用的环节，即城市能源的需求侧管理。城区的能源消费需求可以分成三大领域和两大部分。三大领域分别是产业、交通和建筑；两大部分是生产性能耗和消费性能耗。城市的所有社会产出，都需要有劳动力和资本的投入。能源就是作为一种自然资本的投入，从而有产品和服务的产出，并创造价值。因此，生产性能耗简而言之就是直接创造价值的能耗。在城市中，产业、国际城际交通、物流、工业建筑、商用建筑、非公益性公共建筑的能耗，即制造业和服务业的能耗，都会直接创造价值，因此都属于生产性能耗，可以用效率性指标如单位GDP能耗和单位GDP碳排放来评价。生产性能耗主要通过产业结构调整、提高产品附加值、先进工艺和规模化生产、提高劳动生产率等途径实现节能减排。消费性能耗，包括所有公益性建筑（如公立学校、医院）、行*办公建筑、住宅建筑的建筑能耗，公务车、城市公交和私家车的能耗。人们通过消耗能源，满足生产过程以外的生活功能，间接创造价值。在城市里，消费性能耗又被称为“城市生活能耗（urbanlifeenergy）”，要用强度性指标例如单位面积能耗（排放）和人均能耗（排放）等来评价。传统制造业的生产性能耗属于“重”能耗，它需要高电压、高温度和高压力的“三高”能源，能耗强度大。例如，生产1t钢需要综合能耗kgce，而这些能耗足够北京市一套70m2的住宅整个冬天的供暖。因此，工业化时代的城市能源是基于大电厂、大电网、大集中的供能模式，以及高密度、高强度、高品位的用能模式。能量密度、转换效率和温度品位比较低的可再生能源和未利用能源（untappedenergy）无法满足传统制造业的需求。如我国北方城市的集中供暖，其设计指导思想最早源自工业化时代满足重工业工厂生产工艺的需要，很多采用高压蒸汽作为输送热媒。现在主要用于民用建筑供暖的需求，经长距离管路的损失，到用户入口还要减压降温。先进制造业和现代服务业的生产性能耗则是多样化的，但以低电压、低温度和低压力的“三低”能源为主。传统制造业向先进制造业转型的一个重要特点就是工艺能耗（如钢铁工业）转化为建筑环境保障能耗（如半导体、生物制药、航空航天工业等）。室内环境品质的改善（例如空气净化级别的提高）能够提高先进制造业的产品附加值、提高产品的能源效率。而现代服务业的发展，使室内环境成为运营安全和可靠的关键因素，最典型的如数据中心、网络中心、云存储设施等必须全年保证室内温度，并有效排除服务器产生的热量；而基于办公楼作为生产场合的服务业，如银行、保险、咨询、创意、传媒等，室内环境同时也是提高白领工人工作效率的主要因素之一。如果说工业化时代城市能源管理主要是保证供应侧即能源生产和转换环节的可靠性和安全性的话，那么后工业化时期的能源管理重心则应该转移到需求侧，即满足不同需求用能的多样性和可靠性、提高能源利用效率、降低能源使用成本。在我国新型城镇化背景下城区能源管理面对许多新的挑战：（1）为实现年我国碳排放达到峰值的承诺，我国正在实行能耗、污染物和碳排放严格的总量控制，化石能源消费从“少增长”到“多减少”。（2）经济结构、城区规模、产业分工的变化，使建筑能耗成为城区的主要能耗成分。（3）能源结构的改变，需要增加可再生能源在终端能源消费中的比重，而可再生能源的低能量密度和分散的生产模式，与高密度的城市空间形态相矛盾。每一幢建筑既是能源的消费者又是能源的生产者。（4）到年左右，服务业将成为我国第一大主导产业，中国经济将步入后工业化初期阶段。工业化时代高温高压高品位能源需求逐渐向后工业时代低温低压低品位能源需求转化。能源生产形式也会转向品种的多样化、生产的现场化、产能的分散化、能源供需的市场化，以及商业模式的多元化。这些都给城区能源管理带来挑战。
二、城区能源管理体系国家标准《能源管理体系要求（GB/T-）》已于年11月1日正式实施。年，由中国等国负责起草、并由国际标准化组织ISO发布《能源管理体系要求（ISO）》正式标准。这些标准强调对能源管理的过程控制，规定了能源管理体系的运行模式，即为了兑现管理承诺和实现能源方针所应进行的规划－实施－验证与纠正－持续改进（PDCA,即Plan/Do/Check/Action）的管理过程。（图2）
图2城区能源管理的PDCA流程在此处被略去，详细内容请查阅建设科技杂志年第7期
在管理流程中有几个要点：1、规划阶段必须设定清晰的管理目标。包括未来各时间节点的城区能耗总量、污染排放量、二氧化碳排放量等量化指标，并制订明确的关键绩效指标（KPI）。2、城区能源规划是城区能源管理中的主要环节，应当进入城区规划体系。3、检测与验证是实现管理目标最重要的措施。建立能耗监测平台、建立能耗统计分析制度、建立能耗公示制度。4、将终端节能视为虚拟资源，作为煤、石油、天然气、核能和可再生能源之外的第六大能源考虑。5、定期开展能效对标和绩效考核，将能源管理和节能减排作为常态。
三、城区能源管理的操作根据能源管理的侧重面的不同，可以分别给出管理层面和技术层面对能源管理体系不同的实施要点：
管理层面实施要点P制订可测量、可核查、可报告的能源目标（P/U/C三个方面）制订能源管理的*策、标准和市场化模式（PPP，EMC，BOO）能源资源分析（能源供应/可再生能源/节能资源化）制订产业和人口导入*策和能耗门槛D能源规划的听证（Charrette）建立能源管理组织和责任制培训和沟通（包括能源价格的议价）过程控制C能源审计能耗公示能耗警示改正及预防措施A能源管理的绩效考核能源管理*策的改进
技术层面实施要点P制订能耗基准线（产业/交通/建筑）确定能耗和碳排放总量制订能源绩效指标（EnergyPerformanceIndicators）制订能源规划D制订能源规划确定现场产能和外购能源的占比提出能源系统方案C建立能耗监测系统节能绩效的检测与验证（MV）能耗统计和大数据分析A能耗对标（Benchmarking）运维改善
需要强调，城区能源管理是一件日常工作，而不是突击性任务。
四、建立互联网管理思维随着可再生能源在城区能源系统中应用的普及，形成对能源供求关系的冲击。旧的管理思想和管理方式，已经无法适应新的形势。近来分布式能源在很多新建城区得到应用，但总体上存在三个“不多”，即实现节能减排目标的不多，有投资回报和经济效益的不多，实现多能源集成的也不多。因此也受到国内专家的诟病，并认为这不是一种节能技术。问题究竟出在哪里？
分布式能源可以分为三代：第一代是传统的热电联产：单一燃料（煤或天然气）输入、热电输出、单一中心能源站（热电厂模式），发电机规模MW以下，电力上网，蒸汽或高温水输出。第二代是区域或楼宇的冷热电多联产：即清洁燃料（天然气）输入、多种形式能源（热、电、冷、热水）输出、单一中心能源站（冷热电联产模式），由于需要供冷，输送距离受到限制，发电机规模在50MW以下，电力并网或上网，热水和冷水输出。第三代是分布式多品种能源（可再生能源和清洁能源）发电，多种形式能源（热、电、冷、热水）输出，每一幢建筑既产能也用能，既是生产者也是用户，形成多个产能节点，通过能源互联网共享资源（能源微网模式）。第一代热电厂管理的指导原则是保证供能可靠性。为满足生产工艺的电力需求和热需求，可靠性是第一位的，因此它需要有较大的冗余，在规划中要留有备用容量：
边际备用容量(MW)=已安装容量——年峰荷边际备用容量(%)=备用容量（MW）/年峰荷×%
其备用容量是最大机组容量的2倍，或者是最大机组容量+峰荷×10%。为满足长距离（10-20km）供热，需要用高温高压热媒输热。因为电力可以在主干电网中消化，而冗余的热力不仅在量上，而且在质上都有很大损失。但因为多数城市集中供热还是按建筑面积收费，末端无法按需调节，因此负荷相对稳定（浪费在末端），特别是经济收益有保障，使得这种管理模式被当成分布式能源建设的主流。用第一代热电厂的管理模式指导第二代冷热电联产系统的规划，就出现三个问题：
第一，第二代分布式能源发电机组容量小，相对热电厂而言机组效率低，而为了多产热而进一步降低发电效率（热电有一定比例，要多产热就势必少发电）；
第二，第二代分布式能源为了利用发电余热供冷，必须采用能效比较低的吸收式制冷机；
第三，在供冷工况下输送管网的输送温差比供热工况下的温差小，输送水量大。如果输送距离过长（最佳供冷距离应在m以下），输送能耗更大。因此，用热电厂的管理思想做冷热电三联供，负荷预测高估、系统配置冗余，再加上新建城区往往有5年以上的低入住率，就形成严重的大马拉小车的现象。也出现了需求侧用户越节能，供应端能耗越高的悖论。
图3传统模式的能源管理模式
从图3可以看出，一个城区的能源生产者（P）是单一的，比如单一的供电（尽管电力来自于很多电厂，但站在用户的立场，只有唯一的来源）、单一的能源中心（热电厂模式和冷热电三联供模式）。所谓分布式能源，只是相对传统大电厂或大锅炉房而言。对用户来说，中间环节（U），即电网和管网是绕不开的。这是一种垂直化的管理模式。
图4第三代分布式能源的管理模式
图4反映了第三代分布式能源的主要特点：有无数用户，也有无数能源生产者；建筑既是能源的使用者，也是能源的生产者。
而电网和热网，此时成了平台的提供者。就像电商平台，无数买家和卖家通过平台直接进行交易。这就是互联网思维下的扁平化管理模式。第三代分布式能源是以可再生能源（小于1MW的光伏或小于kW的风电）、小于6MW的热电联产等现场发电系统为核心；以分布式热泵机组或小型热泵供冷供热站（供冷半径小于m）为框架；用基于互联网、物联网和云存储等IT技术的能源管理网络实现P/C双向或P/U/C多边管理，以及能源和减碳量的交易。无论是系统的能源效率，还是供能的可靠性和经济效益都是非常出色的。
五、结语在我国新型城镇化和绿色生态城区开发进程中，第三代分布式能源系统和基于互联网思维的能源管理，一定会得到长足发展。
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