海外智慧城市探索新模式

來源：經(jīng)濟(jì)參考報 時間：2021-06-28 14:03:17 作者：楊海若 邵莉 胡小兵 林晶 于珂

倫敦水晶大廈。資料照片

德國黑森州小城巴特瑙海姆。資料照片

建筑如同城市的細(xì)胞，能源則是城市的血液，傳統(tǒng)建筑物消耗了世界30%的能源，并貢獻(xiàn)了全球40%的碳排放量，而可再生能源較大的波動性則對能源系統(tǒng)的靈活性提出了比傳統(tǒng)能源更高的要求。因此建筑和能源系統(tǒng)是城市實現(xiàn)智慧轉(zhuǎn)型的根本，對實現(xiàn)減排目標(biāo)和人類的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

承接上期對海外智慧城市建設(shè)經(jīng)驗的梳理，《經(jīng)濟(jì)參考報·高端智造》本次報道將深入智慧城市建設(shè)肌理，聚焦建筑、能源系統(tǒng)的智能技術(shù)，以期對中國正在大規(guī)模展開的智慧城市建設(shè)提供參考。

英國：智慧建筑示范節(jié)能未來

水晶大廈坐落于倫敦東部的皇家維多利亞碼頭，是世界上最為智慧和環(huán)保的建筑之一。這座于2012年投入使用的大廈因外觀呈晶體幾何形狀酷似水晶而得名。由于比英國其他辦公樓降低了70%的碳排放，被稱為最具可持續(xù)發(fā)展的建筑。大廈目前用于展覽和辦公，倫敦市政府也將于今年年底搬入?？梢哉f，水晶大廈達(dá)到了景觀性、環(huán)保性和實用性的完美統(tǒng)一，是未來智慧建筑發(fā)展的樣本。

水晶大廈運營所需的能源100%都可以通過電力滿足，不使用任何化石燃料，是世界上第一個獲得建筑行業(yè)最高等級的可持續(xù)性證書（BREEAM杰出獎和LEED白金獎）的建筑。負(fù)責(zé)大廈運營的西門子公司項目經(jīng)理維爾納·克魯克說：“水晶大廈中的一切都經(jīng)過精密的規(guī)劃，這座可持續(xù)發(fā)展建筑的技術(shù)核心就是將尖端的技術(shù)與先進(jìn)的設(shè)計完美結(jié)合在一起，充分利用了每一千瓦可以利用的能源?！?/p>

水晶大廈的智慧性體現(xiàn)在控制整個大廈的能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過收集戶外的天氣信息以及大廈內(nèi)部3500個數(shù)據(jù)點的所有信息，可對大廈的供暖、空調(diào)、通風(fēng)、照明、熱泵、熱水、儲水、火警等所有能源和機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。大廈所有能源和水的消耗數(shù)據(jù)都在大廈內(nèi)部的展覽中實時呈現(xiàn)，每15分鐘更新一次。

具體而言，大廈地下有總長17公里，包括199條管道的地源熱泵系統(tǒng)，滿足了大廈所有的供暖需求和大部分的制冷需求。在夏天需要降低室溫時，系統(tǒng)可以將熱能排入地下，到了冬天，再將熱能從地下抽上來為大廈供暖。這意味著大廈使用了100%的天然熱源而不會產(chǎn)生任何的供暖費用。

照明方面，覆蓋大廈表面的高性能太陽能玻璃經(jīng)過特殊設(shè)計后可以吸納70%的自然光，但只保留30%的太陽能以防止房間內(nèi)過熱。而且建筑中幾乎每個空間都有自然光，這意味著只需要極少的人造光。大廈的控制系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)每盞燈，提供舒適的亮度水平而不浪費電力。大廈樓頂上還有覆蓋了屋頂三分之二的光伏電池組，它們可以收集陽光利用太陽能發(fā)電，以滿足大廈20%的用電需求。

大廈的能源管理系統(tǒng)可以感知室內(nèi)和室外條件，然后為建筑的每個部分控制最合適且節(jié)能的通風(fēng)環(huán)境。溫度適中時，采用自然通風(fēng)，窗戶自動打開。在低溫或高溫下，窗戶會關(guān)閉，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)會取而代之。夜間也可以使用自然通風(fēng)，減少第二天的制冷需求。

水晶大廈還實現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用。雨水可以收集到大廈地下30立方米的儲存罐中，采用過濾和紫外線消毒等高水平處理后，可用于整個地區(qū)的灌溉和廁所沖洗?；厥账Y源已經(jīng)滿足了建筑中所有廁所沖洗用水的需求。此外，建筑中大約80%的熱水是通過屋頂?shù)奶柲芎偷卦礋岜玫慕M合加熱。

西門子基礎(chǔ)設(shè)施和城市部門首席執(zhí)行官羅蘭·布施表示：“全球各大城市都在進(jìn)行投資，以改善其供水、電網(wǎng)、運輸系統(tǒng)和建筑基礎(chǔ)設(shè)施，僅我們可發(fā)現(xiàn)的市場規(guī)模就達(dá)到3000億歐元。在這個不斷增長的市場中，水晶大廈成了我們重要的展示臺?！?/p>

水晶大廈只是倫敦智慧建筑建設(shè)的一個案例。作為全球國際大都市之一，倫敦建設(shè)智慧城市的步伐還在加速。早在2010年，倫敦數(shù)據(jù)商店就用開放的數(shù)據(jù)平臺，為建設(shè)智慧城市奠定了堅實的基礎(chǔ)。倫敦市長薩迪克·汗還在2018年發(fā)布了倫敦智慧城市路線圖，力圖把倫敦建設(shè)成為世界上最智慧的城市。

倫敦政府相信，智慧城市的互聯(lián)未來始于智慧建筑，是城市實現(xiàn)真正轉(zhuǎn)型的根本。傳統(tǒng)建筑物消耗了世界30%的能源，并貢獻(xiàn)了全球40%的碳排放量，智能建筑對實現(xiàn)英國政府制定的減排目標(biāo)和人類的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

調(diào)查機(jī)構(gòu)Technavio最新的報告認(rèn)為，智能建筑領(lǐng)域35%的增長將來自歐洲地區(qū)。歐洲智能建筑市場的增長受到用戶對提高建筑物能源效率、舒適度和運營能力的意識增強所推動。其中，英國和德國是歐洲智能建筑的主要市場。(楊海若)

德國：智慧住宅兼顧安全舒適

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)寬帶發(fā)展和居家數(shù)字技術(shù)新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，德國智慧住宅在追求居家生活更加安全、舒適的同時，將節(jié)能環(huán)保列為重點發(fā)展目標(biāo)。

巴特瑙海姆是德國黑森州一個只有3萬多人口的小城。去年8月底，在這個小城的南部，一座新型的能源中心宣告落成，這是德國規(guī)模最大的利用“地源熱泵”區(qū)域供暖制冷項目的核心設(shè)施。該項目以零排放的方式為400套住宅、約1000名居民提供生活熱水和冷、暖氣。

在專家看來，巴特瑙海姆南部地區(qū)通過地表熱能來創(chuàng)新地供熱和制冷是一個“燈塔”式的項目。它借助土壤-空氣熱交換裝置，從地下1.5米至3米處吸收熱量到達(dá)地表后，通過幾公里長的管網(wǎng)將熱能輸送到每個建筑物，市政公用事業(yè)機(jī)構(gòu)在各建筑物中安裝的高效熱泵就可以將10攝氏度到55攝氏度的生活熱水，以及不超過35攝氏度的地暖供水提供給各家各戶。

在夏季，該系統(tǒng)就會以制冷的方式運行，建筑物可以自然冷卻，從而無需使用空調(diào)。記者在德國曾親身體驗過這樣的“生態(tài)綠屋”：當(dāng)室外溫度高達(dá)37攝氏度時，室內(nèi)沒有任何空調(diào)設(shè)備，僅靠加速空氣循環(huán)的新風(fēng)系統(tǒng)，室溫就可以保持在23攝氏度左右。當(dāng)人走進(jìn)這樣的“生態(tài)綠屋”，馬上就感受到非常舒適的涼爽。

要達(dá)到這樣理想的效果，除了低能耗的冷卻系統(tǒng)外，建筑節(jié)能設(shè)計是必不可少的。現(xiàn)在越來越多的德國城市要求新建的建筑必須達(dá)到被動房的標(biāo)準(zhǔn)，即每平方米年能耗僅為15千瓦/小時。加厚的墻體、密封性極強的門窗已經(jīng)是德國建筑的標(biāo)配。外伸的陽臺、外墻加裝光伏太陽能板和覆蓋綠植等節(jié)能設(shè)計也在引領(lǐng)潮流。

德國已確定到2050年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。在建筑能源供應(yīng)領(lǐng)域，德國以法律形式嚴(yán)格設(shè)定了在新建建筑中強制使用可再生能源供熱技術(shù)的最低要求。目前德國新建建筑中可持續(xù)和可再生能源供熱技術(shù)的普及率達(dá)到了50%。

巴特瑙海姆項目自2020年5月開始啟動，由德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部出資約400萬歐元，超過了項目總資金需求的一半。除巴特瑙海姆市政公用事業(yè)機(jī)構(gòu)外，紐倫堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)等多所高校，以及能源數(shù)字化管理、開發(fā)智能解決方案的企業(yè)也參與了該項目。這充分體現(xiàn)出德國政府資助下的科技創(chuàng)新的特色，即在明確的市場需求下，企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合創(chuàng)新的模式。

因為該項目的能源供應(yīng)100%來自可再生能源，以二氧化碳零排放的方式為居民供暖制冷，這對市政公用事業(yè)部門非常有吸引力。與傳統(tǒng)能源相比，巴特瑙海姆市政公用事業(yè)公司預(yù)計每年可減少多達(dá)750噸二氧化碳的排放量，這相當(dāng)于巴特瑙海姆市森林吸收的二氧化碳量的三分之一。

巴特瑙海姆市長克勞斯·克雷斯稱，這個能源中心的落成是智能住宅的又一個里程碑，它是生活舒適度、環(huán)境保護(hù)和數(shù)字化完美結(jié)合的典范。

以零排放的區(qū)域供暖制冷能源中心為起點，巴特瑙海姆最現(xiàn)代的住宅區(qū)正在這里建造。所有的建筑物均由光纖網(wǎng)絡(luò)連接，使用者可以輕松地實施智慧住宅解決方案。建設(shè)中的智慧住宅，將比以往更高效、綠色，更具社會包容性并且在技術(shù)上更先進(jìn)。

除了建筑公司對智慧住宅進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)外，德國智慧住宅在考慮節(jié)能環(huán)保外還會考慮以下兩個方面：首先是安全性，例如安裝房門電子鎖、樓房可視對講機(jī)，加裝房屋、門窗防盜竊功能、通過網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)連接起來。德國智慧住宅倡議協(xié)會5月26日在柏林舉辦了第10屆智慧住宅產(chǎn)品頒獎儀式，其中一款窗戶上安裝的電子設(shè)備獲獎。這款窗戶上安裝了一個顯示器，通過紅綠燈的指示，便可確定窗戶是否已關(guān)好。類似的居家產(chǎn)品在德國近年來大量涌現(xiàn)。例如電磁爐自動熄火功能、電熨斗自動斷電功能等。政府建議家中火災(zāi)報警器與消防部門聯(lián)網(wǎng)，以防居家老年人因耳聾而延誤消防救災(zāi)。

其次是舒適性。德國居家生活的方便舒適性產(chǎn)品發(fā)展快速。例如開門不用鑰匙，而是用房卡或手機(jī)感應(yīng)。老人出門可用智能拐杖。家里的窗簾可通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，讓它關(guān)上或打開。家中的各種電器可以通過無線網(wǎng)連接起來，通過居家主人的聲音控制一個終端，讓音樂播放音量調(diào)大調(diào)小或電燈開關(guān)等。目前遠(yuǎn)程醫(yī)療已不再是夢想，智慧住宅依靠的是網(wǎng)絡(luò)連接，與醫(yī)生視頻問診對話便可輕松地實現(xiàn)居家看病。

德國政府目前鼓勵智慧住宅發(fā)展，聯(lián)邦家庭部呼吁住宅建造時應(yīng)為居家生活提供上網(wǎng)服務(wù)，預(yù)設(shè)好網(wǎng)線，數(shù)字輔助系統(tǒng)盡可能方便操作。為推動智慧住宅發(fā)展，聯(lián)邦家庭部希望住宅建筑公司在鋪設(shè)好因特網(wǎng)線路后，為購房者做好智慧住宅的咨詢工作，并創(chuàng)造樣板房，讓客戶了解、掌握住宅輔助技術(shù)系統(tǒng)。

在新冠疫情下，智慧住宅讓人們通過視頻同家人朋友網(wǎng)上見面，這對老人和殘障人士非常重要。但同時智慧住宅也面臨一些挑戰(zhàn)，如老年人必須同步學(xué)習(xí)，才能跟上現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步的步伐；智慧住宅與個人數(shù)據(jù)保護(hù)存在一些相關(guān)性，德國也在法律上嚴(yán)防個人數(shù)據(jù)遭到濫用。

隨著不同年代、使用者需求、研究主題或是產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品特性的不同，智慧住宅的定義也各有不同背景與內(nèi)涵。正如上世紀(jì)80年代，當(dāng)人們使用黑白電視機(jī)的時候用手去開關(guān)電視，后來技術(shù)發(fā)展了，人們用上了遙控器來開關(guān)電視。近年來，電子和信息通訊產(chǎn)業(yè)與生活空間整合的智慧化居住空間平臺逐漸受到信息通訊產(chǎn)業(yè)以及建筑產(chǎn)業(yè)的重視，人工智能化更加速了住宅智慧化服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，智慧住宅成為產(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)研究的重點發(fā)展方向。相信隨著科技的進(jìn)步，智慧住宅會讓居家生活更安全舒適環(huán)保。(邵莉 胡小兵)

丹麥：智慧能源趨向全面綠電

未來的能源系統(tǒng)中，風(fēng)電、光伏發(fā)電、潮汐發(fā)電等可再生電力將逐漸成為能源系統(tǒng)的支柱，太陽熱能和地?zé)崮茉诠┡块T中的比例也將大規(guī)模提升。但在目前技術(shù)條件下，可再生能源具有較大的波動性，這對能源系統(tǒng)的靈活性提出了比火電等傳統(tǒng)能源系統(tǒng)更高的要求。

2020年，丹麥電力系統(tǒng)中80%為可再生能源，其中超過50%來自風(fēng)能和太陽能，且從未出現(xiàn)過任何棄風(fēng)限電的情況。丹麥的目標(biāo)是在2030年實現(xiàn)100%綠色電力，預(yù)計這一目標(biāo)在2028年就能夠提早實現(xiàn)。在丹麥的區(qū)域供熱部門，超過60%的能源來源由生物質(zhì)、沼氣、太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉刺峁?/p>

丹麥能源協(xié)會首席顧問漢瑞克·馬滕斯在接受《經(jīng)濟(jì)參考報》記者采訪時表示，未來的能源系統(tǒng)必須在生產(chǎn)端和消費端之間建立起數(shù)字化連接，以保證兼容大量波動性強的可再生能源，保持系統(tǒng)內(nèi)每一秒的動態(tài)平衡。

丹麥能源系統(tǒng)中大規(guī)?？稍偕茉吹慕尤?，得益于一個智能、靈活的能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合天然氣、電力、熱能和交通運輸系統(tǒng)，使用智能的數(shù)字解決方案，確保城市和社會獲得可靠的綠色能源。根據(jù)丹麥工程師協(xié)會發(fā)布的《丹麥2050愿景》，丹麥實施100%的智慧能源戰(zhàn)略，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。

智慧能源系統(tǒng)一般被定義為一個使用智能電力、熱力和天然氣管網(wǎng)，與儲能技術(shù)相結(jié)合，通過能源分部門之間的協(xié)調(diào)，為每個部門和整體能源系統(tǒng)創(chuàng)造最佳解決方案的綜合模式。

智慧能源系統(tǒng)主要圍繞三大電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：智能電網(wǎng)、智能熱網(wǎng)和智能燃?xì)怆娋W(wǎng)，系統(tǒng)由新技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施組成，在能源系統(tǒng)的“轉(zhuǎn)化”階段，創(chuàng)造出新的靈活性，其特性是能夠容納大量間歇性可再生能源和較為稀缺的生物質(zhì)能源。

丹麥的智慧能源發(fā)展經(jīng)驗可以概括為以下幾點：

首先是通過生活實驗室和先進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行大量測試。丹麥的智能能源解決方案通常是在以用戶為中心的、透明的生態(tài)系統(tǒng)中測試和開發(fā)的，這種公私合營的伙伴關(guān)系，讓公共部門、私營部門和居民都能夠為新解決方案的探索和開發(fā)作出貢獻(xiàn)。此類實驗室通常還會作為創(chuàng)新平臺對國內(nèi)外來訪者開放學(xué)習(xí)。

與世界上許多城市一樣， 丹麥?zhǔn)锥几绫竟苍诂F(xiàn)代城市化的進(jìn)程中快速發(fā)展。其中，北港新區(qū)是一個預(yù)計能容納4萬名住戶和提供4萬個工作崗位的地標(biāo)性新區(qū)。坐落在北港新區(qū)的能源實驗室是丹麥最大規(guī)模的智能電網(wǎng)研發(fā)中心，由丹麥技術(shù)大學(xué)主導(dǎo)，哥本哈根市政府、丹麥公用事業(yè)公司、企業(yè)等共為合作伙伴，為能源公司、設(shè)備制造商和研究人員提供了一個靠近消費端和終端市場的解決方案測試平臺。

在能源實驗室測試的解決方案不僅僅包括像熱泵、電池之類的硬件設(shè)備，也包括了基于市場的創(chuàng)新型構(gòu)思和概念。北港能源實驗室的關(guān)鍵工作就是研究和測試如何將電力、供熱、高能效解決方案與交通電氣化集成為一個智能靈活優(yōu)化的能源系統(tǒng)。例如，丹麥公用事業(yè)公司HOFOR為北港新區(qū)的15棟住戶提供低溫區(qū)域供熱，以測試區(qū)域供熱系統(tǒng)的靈活性和減少使用煤燃廠和天然氣廠的可能性。

其次是數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用。通過數(shù)字化建立耦合的能源系統(tǒng)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、人工智能和信息物理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源發(fā)電的高性價比集成，這使得以更低的容量成本實現(xiàn)更大比例的可再生能源成為可能。例如，丹麥輸電系統(tǒng)運營商（TSO）Energinet收集了大量能源數(shù)據(jù)，向社會提供全部或部分信息。

無論是在市場方面，還是供應(yīng)安全方面，數(shù)據(jù)收集都是輸電系統(tǒng)運營商的一個重要部分。其中一個被稱為數(shù)據(jù)中心（Datahub）的獨立IT系統(tǒng)，是一個由Energinet擁有和運營的獨立IT系統(tǒng)，負(fù)責(zé)收集和客戶、價格及消耗量相關(guān)的信息，處理電力市場參與者之間的所有數(shù)據(jù)通信。丹麥電力市場的參與者是Datahub的主要用戶，通過對數(shù)據(jù)的使用，確保滿足客戶所需。這些數(shù)據(jù)信息確保了電力市場參與者之間的正確結(jié)算，有助于保持電力生產(chǎn)和消耗的平衡，而保持平衡是確保供電安全的必要條件。

第三是政治共識。丹麥政府于2019年底制定了到2030年減排70%的目標(biāo)，根據(jù)丹麥技術(shù)大學(xué)的分析，這一減排目標(biāo)只能通過數(shù)字化、能源部門的耦合和大力挖掘各部門的減排潛力來實現(xiàn)。政治支持是能源改革的驅(qū)動力，丹麥的政治目標(biāo)和倡議引導(dǎo)能源電力行業(yè)向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展，為全面能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供堅實支持。

丹麥能源協(xié)會首席顧問馬滕斯說，目前發(fā)展智慧能源系統(tǒng)主要面臨三方面挑戰(zhàn)：一是需要對現(xiàn)有能源系統(tǒng)進(jìn)行大量改造和重建，這當(dāng)然需要來自政策、資金、人才配備等各方面支持；二是數(shù)據(jù)的采集和應(yīng)用，如何采集到準(zhǔn)確“高質(zhì)量”的數(shù)據(jù)信息，以確保智慧能源系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)；三是需要具有前瞻性的法規(guī)和監(jiān)管機(jī)制。智慧能源系統(tǒng)是面向未來的，因此在制定相關(guān)法規(guī)和規(guī)范時必須“向前看”，做好各方面的準(zhǔn)備。(林晶 于珂)

責(zé)任編輯：姚治