m6米乐官网app登录城市能源供需体系与空间结构的耦合解析与模式创新

　　源短缺、环境污染和气候变化已成为人类社会发展过程中必须面对与解决的核心问题。最新预测表明，全球能源需求将以年均1.5%的速率增长，到2035年能源需求总增长将超过40%。作为人类生产、生活的集聚地，城市能源消费已占全球总能耗的约67%，产生的二氧化碳排放量占全球总排放量的80%。

　　在过去相当长的时间内，为了满足城市化进程所需要的大量能源，基于“扩张保供”的传统供能思路，一批超大型、集中型能源中心矗立于城市周边，为城市的发展提供动力。与此同时，城市内部集中能源消费所引发的雾霾、热岛等“城市病”日趋恶化，人们开始重新审视当前的城市发展态势，思考城市与能源系统的关系。城市与能源资源的应用，城市与自然生态的融通等相关研究开始快速兴起。如何以较小的能源消耗维持城市的持续、高效运营已成为当前城市问题研究的重要分支。无论在发达国家还是在发展中国家，城市节能减排在国家节能减排总体战略中均占据主体地位。日本东京提出了建设“21世纪节能型城市”的战略理念；英国伦敦拟通过城市规划调整推动可再生能源、分布式能源普及。在我国，生态城市、低碳城市、智慧城市等新型城市发展理念正逐步推进，而城市能源系统变革在其中均占据主导地位。

　　在空间层面，城市是介于国家和街区之间的中观概念，其耦合经济、技术、社会、、文化等诸多要素于一体，既要承载宏观国家政策，又要指导微观区域实施。作为城市诸要素在空间范围内的分布和组合形态，城市空间结构是城市经济结构、社会结构的空间投影。另一方面，经济和社会结构则决定了城市能源形态。为此，城市空间结构的形成和演变对城市能源供需体系亦会产生深远影响。城市经济活动的中心地带往往也是能源负荷集中区；城市空间变迁的同时也会引起能源负荷的波动和能源系统的调整。不同的城市空间特性(区域布局、交通网络、建筑密度等)均会影响人类的生产、生活行为，从而影响城市能源生产、输配和消费模式。为了切实推进城市节能减排，有必要从城市空间结构的源头出发，深入揭示城市发展模式、边界控制、功能混合、建筑密度等空间特性与城市能源“供、输、用”等环节间的耦合关系。

　　本文首先梳理了城市空间结构和城市能源形态的发展与演变历程，深入剖析了城市空间结构与能源供需体系的耦合关系。在此基础上，从供需两侧阐述了基于空间结构解析的城市能源研究的主要着眼点，从而明晰了面向节能型城市的能源供给侧和需求侧的典型发展思路和模式。最后，结合能源互联网、城市综合管廊、区块链等新兴理念，提出了未来城市能源供需体系的模式创新构想。‍‍‍

　　城市空间结构是人类活动与功能组织在地域层面的投影，包括土地利用结构、经济空间结构、人口空间分布、交通流动结构、生活活动空间结构等。严格而言，城市内部空间结构是城市地域内部各种空间的组合状态，包括城市规模、密度、形态、功能布局以及土地利用与交通网络的相互关系等。

　　自城市形成以来，其结构和形态不断演替和更新。工业前，受生产力发展缓慢的制约，城市空间结构并无明显变化。工业后，技术进步与经贸繁荣使城市化进程迅速推进，人口、商品、资本、信息等迅速向城市集中。在此过程中消耗了大量化石能源，同时引发了环境污染、交通阻塞等一系列问题。上述问题的出现使人们开始考虑城市空间结构对经济、社会、环境的影响，先后出现了马塔的带型城市、霍华德的田园城市、戛涅的工业城市，以及恩温的卫星城市和大伦敦方案等典型城市空间发展模式。交通网络的建设和汽车工业的发展改变了人们的出行方式；为了逃离污染与拥堵，追求健康、舒适、自然的生活，部分生产、生活开始向郊区分散，进而引发了城市空间结构的郊区化发展。然而，分散的城市结构导致中心城区衰落，钟摆式交通浪费了大量的能源。为了协调城市经济、社会、环境和能源的关系，20世纪70年代以来，“低碳城市”“生态城市”“智慧城市”等理念层出不穷。就城市空间结构而言，“紧凑型城市”构想逐渐流行，旨在通过城市空间、功能的集聚化，在提供舒适生活环境的前提下，最大化利用能源，减少环境污染，实现城市的可持续发展。

　　综上所述，城市空间发展经历了“集中—分散—再集中”的过程，该过程并非简单的循环往复，而是循序渐进、螺旋式上升的过程。在城市曲折发展的过程中，人们对城市的认识和思考也不断提升。从城市形态布局转向城市功能空间再到空间机制，从经济、社会、环境的和谐共生到经济、社会、环境、能源的可持续发展。

　　城市能源利用一直伴随着城市发展，而城市发展也离不开能源的开发与利用。从薪柴时代到煤炭时代再到油气时代，每个时代的变迁都伴随着能源系统的变革，而能源系统的变革又会更好、更快地推动城市文明的发展，改善人类生活、工作环境。

　　工业前，人类主要从事以农业生产为主体的第一产业活动，城市规模相对较小，工商业发展缓慢，主要能源为秸秆和树木，所以称之为“薪柴时代”。随着第一次工业的兴起，蒸汽机的发明使得第二产业——工业得到快速发展，大量劳动力涌入城市，城市规模快速膨胀，能源消耗也急剧增加。薪柴等低能量密度生物质燃料已不能满足生产生活需求，人类进入“煤炭时代”。第二次工业促进了石油和天然气的开发利用，改变了工业面貌，推动了工业持续发展；同时，电力作为主体能源媒介在城市得到了广泛使用，使得第三产业——服务业开始兴起，从而改变了人类生活方式，使人们的用能需求变得更加多样化，对能量(冷、热、电等)的数量和质量要求进一步提升。与此同时，人类也开始开发新能源，改变能源利用方式，提升能源利用效率。第三次工业——互联网的普及，使社会各领域发生了巨大变革，多能互补、产销一体、供需互动，使城市能源呈现集约化、扁平化、网络化发展态势，正有效推动城市层面的能源生产和消费。

　　随着城市化的推进，大量人口进入城市，同时大量能源也“涌入”城市，协同推进城市的运营与发展。图1显示了城市空间结构与能源系统耦合演进与发展过程，反映了城市空间的发展与演化必然引起城市能源形态的变革，而不同的城市结构往往具有多样化的能源特性。高密度的城市结构形成了大型集中式城市供电、供气、供热系统，产生了高密度、高污染的能源消耗单元，造成了城市交通拥堵、环境恶化。交通工具的发展和城市交通网络的外延式扩张促使城市居民向郊区迁徙，导致了城市边界快速膨胀和城市空心化，使中央城区的能源基础设施浪费，并导致了郊区能源设施高成本、高能耗。同时，交通出行呈现钟摆现象、潮汐现象，大量郊区居民在市中心上班，下班后回到郊区，上下班高峰期出现交通堵塞现象，导致了大量时间和能源的浪费。为了缓解交通压力、减少能源消费，城市开始建设公共交通网络，限制城市无限制蔓延，建设紧凑型城市空间结构，改变传统能源供应与消费模式，采用区域分布式联供系统，提高能源利用效率，开发可再生能源，减少化石能源使用，实现城市的绿色、低碳与可持续发展。

　　城市空间结构与能源系统的发展从各自独立作用转变为相互耦合演进，从单中心、摊大饼式发展过渡到多中心、紧凑型城市，从高通勤、远距离式城市交通过渡到职住商一体的立体、层次型城市交通模式，从单一、粗放型能源消费过渡到精细、集约型用能形态，从集中、远距离的热电分产过渡到区域分散、自产自销型冷热电联供，从传统有限、高污染的化石能源过渡到低碳、绿色的可再生能源。城市空间结构的变化，城市能源系统的升级，不仅仅是理念的简单叠加，而是优势互补、共同促进，实现“1+1＞2”的效果。

　　综上所述，城市空间结构与能源系统在城市发展中不断演变与发展，要实现空间结构和城市能源的友好融合，需要深层次剖析两者的内部作用机理，调整空间结构以满足城市能源革新需求，改变能源供需体系以适应城市发展，实现城市空间结构改造和能源系统升级的交互耦合发展。

　　‍‍城市能源研究是城市研究的焦点，城市能效提升、供能方式转变、能源结构调整和城市建筑节能是关键研究领域；而作为伴随城市发展不断转变的城市空间结构，则无时无刻不在影响着城市能源形态，成为不可忽视的重要因素。城市空间结构对于能源系统的影响主要体现在2个方面：一是空间结构对需求侧的影响，主要体现在民用和交通能耗特性与城市空间结构密不可分；二是空间结构对供给侧的影响，主要体现在大电厂、大电网到微能站、微能网的转型，以及可再生能源、未利用能源与城市空间结构的互相融合关系。

　　就终端消费而言，城市能源消费可分为民用、交通和工业3个领域，其中民用和交通日益成为城市能源消费的重要领域。同时，民用和交通能耗与城市空间结构密切相关，不同的城市空间布局会导致截然不同的能源消费特性(见图2)。

　　城市空间结构是影响民用能源消费的关键因素。具体而言，其影响主要体现在城市空间密度和土地混合使用2个方面。

　　1) 城市空间密度。高密度城市空间结构有利于降低单位面积能耗和人均能耗、提高用能效率、降低污染物排放。城市对于周边人口具有“磁性”，高密度城市空间可以有效缓解城市吸纳外来人口时的土地压力，避免大量人口向城市外部迁移，降低能源消费的空间分散度。对于城市建筑而言，高密度建筑布局可以有效降低建筑自身冷热负荷，并且能够容纳大量人口，在投资建设过程中可以降低成本、节约能源；相反，低密度建筑的围护结构面积较大、容纳人口较少，造成了较高的冷热需求，提高了单位面积能耗和人均能耗。图3显示了城市空间密度对人均CO2排放量的影响。以某典型区域为例，随着区域建筑密度的增加，人均CO2排放量明显降低，这也意味着高密度地区具有较低的能耗强度。此外，通过城市空间的紧凑化发展所节省出来的空间可以用于发展城市绿化，从而形成城市内部广泛布局的“城市冷岛”，在有效抑制城市热岛效应的同时，降低城市用能需求。

　　2) 土地混合使用。土地混合使用是能源利用视角下城市空间的重要特征之一。土地是城市各类生产、生活的载体，其功能布局及不同性质用地之间的区位及空间关系，决定了居住、工作、购物、休憩等活动的分布以及承载上述功能的建筑空间所对应的能量需求。就民用领域而言，城市建筑按用途不同可分为办公、商场、医院、宾馆、住宅等，不同功能建筑的用能时间分布和能源需求结构均存在着明显差异。正是由于这种时空差异，可以将不同功能建筑的用能负荷进行时空对接，从而缓和能源需求的峰谷波动，降低能源设备装机冗余。图4显示了某建筑夏季典型日逐时冷负荷曲线，可以看出，以某办公建筑和公寓楼夏季典型日冷负荷曲线为例，单一功能建筑的负荷均呈现较大的波动性与峰谷差，负荷标准偏差较大，负荷率均小于0.5。当办公建筑与公寓楼通过土地混合使用形成功能混合型区域时，其逐时冷负荷曲线变得相对平稳，负荷波动较小，标准偏差降低到0.46，负荷率也提升到0.77。在能源需求结构上，通过混合不同类型负荷可以调整系统热电比，实现不同类型能源需求的同步与稳定。为此，可根据各种建筑的用能特性(时空差别、热电比差别等)进行城市空间的混合布局与开发，从而在需求侧实现城市能源负荷的扁平化、均匀化，支撑城市能源系统综合效率的提升。

　　城市空间形态会影响城市居民的交通选择，进而影响城市交通能耗；反之，居民的交通选择和城市交通状况同样会影响城市的空间形态。具体而言，城市空间形态的差异主要体现在城市紧凑度与多样性，而其对城市交通的影响则主要表现为出行方式与出行距离2个方面。较高的城市密度使居民分布较为集中，集中的居民分布则会产生相对密集的交通需求，因此适宜发展公共交通工具，居民也更倾向于选择公共交通工具出行；同时，高密度城市的人均道路面积和停车面积较小，不利于私家车的通行和使用，使人们被动选择公共出行方式。此外，紧凑性和多样性的城市空间结构使得城市功能较为丰富，人们可以在较小的范围内实现工作、购物、生活、娱乐等，减少了人们的出行距离，使人们更愿意选择步行或自行车的出行方式，辅以公共交通，从而减少了私家车使用，降低了城市交通能耗。

　　如前所述，城市空间密度与总用能密度成正比，能量密度越高代表能量需求越集中，需求量越大。然而，传统集中型电站大多设置在远离城市负荷中心的郊区，虽然通过规模效应实现了较高的发电效率，但绝大部分能源仍以余热形式浪费，不能用以满足日益增长的城市热能需求。为了突破上述城市能源供需间的空间失衡，设置于用户侧的分布式能源系统应运而生。分布式能源系统通常设置在城市负荷(特别是冷、热负荷)中心，通过配置小型热电联产设备，实现冷、热、电等多种形式能源的联合，就地直供，可以显著提升系统综合能效。作为一种以按需供能为本质特征的需求侧主导型能源系统，分布式能源系统需要充分考虑区域内多元负荷对系统效率的影响。不同的用能总量、用能类型、用能密度均会对系统效率产生影响，而其与区域空间结构密切相关。

　　在城市和区域层面，根据供需两侧连接形式与供能网络拓扑结构的差异，分布式能源系统具有2类常见应用模式。图5为区域分布式能源系统概念图。图5a所示为区域集散型分布式能源系统，通过集中能源站满足周边分散用户的冷、热、电负荷需求。这是目前区域分布式能源系统的典型应用模式，但受制于大规模能源输送所导致的高比例能量损失，其局限性已日益凸显。为解决上述问题，以“互联网+”理念为导引，突破常规中心主义思维，基于用户间能源融通的区域能源互联网模式引发关注，如图5b所示。在该模式中，任一用户均是能源产消合一者，即既生产能源也消费能源；在优先自产自用的同时，通过区域内微电网、微热网实现区域内能源融通，确立用户间互补、互动体系。同时，该模式亦可有效融合小型分布式冷热电联产系统、各类可再生能源系统以及用户侧高效热源系统，通过协同共享提升区域整体能效。

　　需要指出的是，由于区域能源系统均不可避免涉及能量跨空间传输，因此任一模式下均需考虑能源的传输损失。相对于输电而言，冷、热能源传输损失较大，因此其供能范围和供能效率受到经济性、技术性和舒适性的限制。城市空间密度越大，供能距离越短，能源输送损失越小；相反，过低的城市密度会导致负荷过于分散，增加系统传输过程的损耗，影响系统整体效率。为此，对于区域分布式能源系统而言，需要综合考虑区域内用户的空间位置及其用能行为特性，确定电源点、热源点布局，用户间能源网络拓扑结构，以及系统运行策略。

　　城市内部能源的不断开发和地上、地下空间的拓展，使城市空间结构和能源系统更加丰富多样。作为城市生态化、低碳化发展的重要举措，充分利用城市空间、整合应用可再生能源将是必然趋势。作为最典型的可再生能源技术，太阳能的利用和城市空间结构密切相关；低容积率的城市能够更好地利用太阳能进行发电、制热，而在高容积率的地区太阳能的利用度则会降低。为了提高太阳能的利用率，可以利用地理信息系统，将城市空间进行网格化划分，结合太阳辐射，建筑布局、朝向、屋顶状况等，构建城市太阳能利用模型系统。

　　此外，不同的城市空间结构和气候环境会在城市内形成风通道以及人为设计的通风走廊，在风道内布置小型水平轴风力发电机和在高层建筑顶部设置垂直轴风力发电设备，亦可提高可再生能源利用。同时，城市垃圾的分类管理产生的有机生物垃圾和绿化植被可实现生物质能利用，从而在城市局部空间内实现能源微循环。

　　对城市可再生能源的利用不仅局限于城市内部空间，还可以考虑在城市周边建设太阳能电站、风力发电站、生物质电站，开发城市外部空间，充分吸纳城市周边区域内的可再生能源，形成城乡一体化的可再生能源利用体系。

　　在努力推进城市分布式能源与可再生能源的同时，还必需将目光投向城市空间中广泛存在但尚未得到有效利用的能源资源，即所谓的未利用能源。通常，这些未利用能源在城市空间内广域分散，而且大多以低品位热能形式存在。因此虽然总量可观，但亦存在较大的开发和利用难度。

　　从能源产生的来源角度，可将未利用能源大致分为2类：一类为发电厂、工厂等城市生产设施所产生的废热，称之为排热能；另一类为江河湖海等赋存的热能，称之为温差能。对于远离城市负荷中心的电厂、工厂、垃圾发电厂所产生的高温排热能，可以通过建立连通供需的快捷通道，从而突破时空局限，例如近年来兴起的新型供热模式——移动供热，即利用蓄热元件将高温未利用热能储存起来，再通过交通工具将其运送至热用户进行放热。对于地铁、建筑、变电站等低温排热以及水源形式的温差能，由于分布较为分散，而且能量密度较低，可采用能源总线系统，即利用区域微热网将未利用能源汇集并输送至用户端，再通过热泵技术进行品位提升，被利用后再经回水管网回到源头，形成循环。

　　综合上述2种利用模式，可形成耦合固定管网(pipe line)和移动运输(off line)的城市未利用能源广域利用体系(见图6)。从而充分挖掘城市未利用能源的应用潜力，实现城市能源的跨时空高效及清洁利用。

　　近年来，随着云计算、大数据、物联网等现代IT技术的快速发展，世界各国对“智慧城市”理念已达成广泛共识。在此背景下，“互联网+城市能源”已成为引领未来城市节能的核心战略。寻求最佳的城市空间发展模式，运用互联网技术升级、优化、管理城市能源系统，运用互联网思维开发、利用城市能源资源，在构建基于新型城市发展理念的城市能源系统的同时，确保城市能源安全。

　　总体而言，城市能源系统可分为供给侧、输配侧、需求侧3个部分。随着“互联网+”理念的渗透，城市能源系统每一部分特性均发生了变化。首先，供给侧呈现去中心化和多样化特性。城市内部广泛、分散存在的分布式供能系统能够充分耦合城市空间结构和分布式能源特性，实现能源的梯级利用和低碳减排。同时，通过耦合城市内部广域分散存在的大量可再生能源、未利用能源，形成多能互补型区域能源系统，辅以储能技术，实现城市能源的稳定、高效供应。其次，输配侧呈现一体化、集成化态势。冷、热、电、气作为城市生活的基本能源消费形式，在过去的系统中独立性较强，各种能源形式由不同部门管理，使得各个系统在规划、实施、应用过程中信息闭塞，造成项目投资升高、施工进度缓慢、不同系统间冲突，还会破坏城市空间美观度。城市综合管廊的建设可以使上述各系统在规划期就能实现较好的沟通合作，共同搭建综合管廊平台，使系统从规划、建设、运行、升级、维护全寿命周期内实现一体化管理，更好地提升整个能源系统效益，将城市能源系统和空间结构紧密结合。最后，需求侧呈现平准化与精细化趋势。城市终端能源需求具有随机性和多样性，随机性会对能源系统的稳定性产生影响，多样的冷、热、电需求转变成对单一电力的需求会使电力装机容量过高，造成投资浪费。对城市空间结构进行高密度、功能混合型规划开发，缓和负荷时空差异，稳定热电比，实现多元用户互补。同时，对负荷的“精准”计算可以应用分布式供能，实现基于冷热电联供的能源梯级利用。

　　城市能源系统和空间结构的相互耦合，可以实现空间与能源的流通、空间与系统的协同、空间与负荷的转换。能源互联网的引入，可以将城市空间、能源系统和信息相互融合，使能源系统在时间和空间维度上将能源供应侧、输配侧、需求侧互联互通，实现“源网荷储”的一体化管理。图7为城市能源互联网概念架构图，城市能源互联网由基础能源系统、数据收集与信息传输平台、能源市场服务平台等几部分构成。整个能源系统的物理层面与数字信息技术相结合，使能源系统数字化，将收集的数据信息进行系统整合和优化决策，提升系统效率和优化控制管理。在能源与互联网相结合的同时，应用区块链技术，将能源设备作为能源终端，施行数字化的智能合约和分布式的交易记录算法，搭建交易服务平台，促进碳交易，还原能源的商品属性、资源稀缺性、环境友好性，促进能源系统的高效运行，实现城市低碳可持续发展。

　　弹性城市是指城市系统能够响应特定的多重威胁并从中恢复，将其对公共安全健康和经济的影响降至最低的能力。城市能源系统作为支撑整个城市经济发展的重要动力，以及在多重威胁中快速恢复、保障城市正常运行的能力，对城市的发展极为重要。在城市空间内部利用可再生能源、分布式能源和未利用能源，可提高城市能源的自给率，降低外部能源需求，保障城市供能安全。在常规城市能源供应系统中，能源系统安全主要依赖于技术的提升；然而，大型集中式电站即使配以复杂的保障系统和高科技的数字化运行管理，在自然灾害面前也无能为力。由具有本地性和即用性特性的工厂企业应急电源发展而成的分布式能源系统，分散于城市空间内不同区块，使能源供应、传输、需求集中在较小区域内，在灾害面前具有较强的恢复力，在管理和技术方面均更安全可靠。此外，当灾害发生时，传统电力供应和能源资源传输均可能中断，工厂应急电源也会因为油品供应终止而无法工作，此时，依靠可再生能源(特别是光伏)的区域联网和保证基本能源供应的避难中心，可以实现本地重要负荷的自给自足，从而将灾害对城市经济和社会的影响降至最低。

　　然而，可再生能源的间断性、波动性、不可预测性对能源系统的安全稳定运行提出了巨大挑战，而能源互联网技术和储能技术的应用可有效降低可再生能源对能源系统的冲击，并最大地耦合可再生能源。此外，互联网技术在提升能源系统稳定性的同时，也带来了能源网络安全方面的问题，网络的虚拟化、数字化都在普通人理解意识之外，这就需要先进的网络结构，分布式的区块链能源网络将会是下一个选择。总之，对于每一次新的元素加入城市能源系统，在优化结构、提升效率、升级进化的同时，要牢牢把握好能源安全这道关卡。‍

　　1)在供给侧层面，结合城市空间结构，在高容积率地区推广应用分布式冷热电联供系统，在低容积率地区开发太阳能、风能、生物质能等可再生能源和低品位未利用热能。

　　2)在输配侧层面，利用城市综合管廊对能源输配网络进行全面整合，形成多类型能源的一体化综合管理体系。

　　3)在需求侧层面，通过紧凑型城市建设，推进高密度、混合型街区开发，从而实现民用能源负荷在时间、空间上的平均化、稳定化，同时可以促进公共出行，减少交通能耗。

　　4)借鉴互联网、物联网、区块链、大数据、云计算等新兴技术，构建面向智慧城市的能源系统，可以促进人与人、人与城市、人与自然的和谐共生。