1、浅谈生态城市之能源利用 摘要：能源是人类活动赖以生存和发展的重要物质基础 , 城市发展需要能源的支撑 , 城市的规模、布局形态也影响能源的发展。能源结构不合理是造成环境污染的主要原因。因此 ,调整能源结构 ,创建多元化的城市能源体系 ,降低煤炭在能源结构中的比重 ,大力发展城市电力、供热和天然气等优质能源 ,加大能源在转换中的污染治理措施 ,保护环境 ,是建设节能型生态城市 ,保持城市可持续发展的重要举措。 关键词：能源生态城市可持续发展 Abstract: Energy is the survival and development of human activities, Urban de
2、velopment requires the support of the energy ，At the same time ， the citys size, and layout pattern also affects the energy developmergy struct range of urban energy system, reducing coals share in the energy structure, vigorously develop urban electricity, heating and natural gas, high-quality ener
3、gy, increase energy in the conversion of the pollution control measures to protect the environment, is to build energy-efficient eco-city, to keep the city an important measure of sustainable developmevelopment 生态城市 生态城市这一概念是在 70年代由联合国教科文组织提出的，从广义上讲，是建立在人类对人与自然关系更深刻认识基础上的新的文化观，是按照生态学原则建立起来的社会、经济、自然协
4、调发展的新型社会关系，是有效的利用环境资源实现可持续发展的新的生产和生活方式。从狭义的讲，就是按照生态学原理进行城市设计，建立高效、和谐、健康、可持续发展的人类聚居环境。 国内外的生态城市建设可分为三个阶段： 第一个阶段可以叫浅绿 型的生态城市，就是以关注绿化，大力发展城市绿色运用为代表； 第二个阶段叫中绿型的生态城市，随着城市快速城市化进程，加入了城市的能源系统、垃圾系统、污水处理系统，是城市发展中的一个亮点； 第三个阶段是深绿型的生态城市，这是一个系统的工程，从规划设计开始作为龙头，引进不同的生态城市技术支撑体系，加上运营管理的经验，在这个基础上进行综合集成，最终达到深绿型的生态城市。 如
5、图 1 所示，城市生态系统分为两部分，生物系统及非生态系统，本文我们将重点研究非生态系统下属的能源系统。 二 、化石性燃料 自从工业革命以来，由于大量的使用能源，人类的文明程度得到了空前的发展。在所使用的能源中，大部分是化石性燃料（煤炭，石油和天然气）。化石燃料在全世界的能源消耗中占主导地位，它约占全球初级能源消耗的85%。人类不断地燃烧化石燃料是排放温室气体二氧化碳的来源之一，是加快全球变暖的因素之一。 1煤炭 煤炭是化石燃料资源中数量最大的部分。世界上的煤炭大部分储藏在前苏联和美国。但是，煤炭是污染环境最严重的一种能源。而且，煤炭形成的年代越近污染就越严重。煤炭一般这样分类，从地 质上的石
6、炭纪到古生代末，即大约 3.45 亿年前至 2.8 亿年前期间形成的煤，含碳丰富，称为无烟煤或烟煤，第三纪时形成的是褐煤而第四纪时形成的是泥煤。 表 1-1 我国部分地区煤炭储量分布 2石油 石油又称原油，它是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的混合物，与煤一样属于化石燃料。石油主要被用来作为燃油和汽油，燃料油和汽油组成目前世界上最重要的一次能源之一。但是由于石油是一种不可更新原料，现在许多人担心石油用尽会对人类带来灾难性的后果。中国石油资源集中分布在渤海湾、松辽、塔里木、 鄂尔多斯、准噶尔、珠江口、柴达木和东海陆架八大盆地。 3天然气 从广义的定义来说，天然气是指自然界中天然存在的一切
7、气体，包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种自然过程形成的气体。而人们长期以来通用的 “ 天然气 ” 的定义，是从能量角度出发的狭义定义，是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物，主要存在于油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气中。世界上 2/3的储藏量位于前苏联和中东（伊朗等）。我国天然气资源量区域主要分布在我国的中西盆地。 三、可再生资源 人们使用 可再生资源的历史已有几十万年。这种资源具有断续性和稀缺性的特征。自然界有时会将可再生能源富集。例如，利用水流所经过的地形的高低差可以获得巨大的水利势能。目前在我国修建的长江三峡大坝正是利用这个原理修建的水电站。 大多数可再生资源 (
8、水能、太阳能、风能和生物能 )都是源自于太阳辐射，这对于人类史值得庆幸的事情，因为这些能源是取之不尽，用之不竭的，直到太阳和地球的毁灭为止。来源于人类活动的某些垃圾也可以视为一种可再生资源。 1水能 水能是一种可再生能源，水能或称为水力发电，是运用水的 势能和动能转换成电能来发电的方式。以水力发电的工厂称为水力发电厂，简称水电厂，又称水电站。水能主要用于水力发电，其优点是成本低、可连续再生、无污染。缺点是分布受水文、气候、地貌等自然条件的限制大。水容易受到污染，也容易被地形，气候等多方面的因素所影响。 广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源； 狭义的水能资源指河流的水能
9、资源。是常规能源，一次能源。狭义的水能是指河流水能 .人们目前最易开发和利用的比较成熟的水能也是河流能源。 2太阳能 太阳能，一般是指太 阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）、光电转换和光式转换三种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。 2.1 太阳能的优点 (1)普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，
10、都处处皆有，可直接开发和利用，且 无须开采和运输。 (2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。 (3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。 (4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。 2.2 太阳能的缺点 (1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能 流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太
11、阳光方向 1平方米面积上接收到的太阳能平均有 1000W 左右；若按全年日夜平均，则只有 200W 左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有 1 5 左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。 (2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度 既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳
12、辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。 (3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要 受到经济性的制约。 3风能 风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风
13、的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。据估算，全世界的风能总量约 1300 亿千瓦，中国的风能总量约 16 亿千瓦。 3.1 风能的优点 （ 1）风能为洁净的能量来源。风能设施日趋进步，大量生产降 低成本，在适当地点，风力发电成本已低于发电机。 （ 2）风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态。 （ 3）风力发电是可再生能源，很环保。 3.2 风能的缺点 （ 1）风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类，如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后已渐渐消失。目前的解决方案是离岸发电，离岸发电价格较高但效率也高。 （ 2）在一些地区、风力发电的经济性不足：许多地区的风力有间歇性，更糟糕的情况是如台湾
14、等地在电力需求较高的夏季及白日、是风力较少的时间；必须等待压缩空气等储能技术 发展。 （ 3）风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源。 进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音，所以要找一些空旷的地方来兴建。 （ 4）现在的风力发电还未成熟，还有相当发展空间。 4生物能 生物能是以生物为载体将太阳能以化学能形式贮存的一种能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就像当于目前人类消耗矿物能的 20 倍。在各种可再生能源中，生物质是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液 态和气态燃料。 4.1 生物能的优点 (1
15、)提供低硫燃料； (2)于某些条件下可提供廉价能源； (3)将有机物转化成燃料可减少环境公害 (例如，垃圾燃料 )； (4)与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。 4.2 生物能的缺点 (1)植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物； (2)单位土地面的有机物能量偏低； (3)缺乏适合栽种植物的土地； (4)有机物的水分偏多 (50% 95%)。 4.3 沼气 在日常生活中，沼气算是我们最常用到的生物质能。沼气是有机物在厌氧条件下被微生物分解发酵生成的一种可燃性气体。其主要成分是甲烷 ,含量占 60%左右 ,此外 ,二氧化碳占 40%左右 ,以及其他微量成分。我国的沼气最初主要为农村户用沼气
16、池， 20 世纪 70 年代初，为解沼气综合利用解决的秸秆焚烧和燃料供应不足的问题，我国政府在农村推广沼气事业，沼气池产生的沼气用于农村家庭的炊事来逐渐发展到照明和取暖。目前，户用沼气在我国农村仍在广泛使用。 中国农业资源和环境的承载力十分有限，发展农业和农村经济，不能以消耗农业资源 、牺牲农业环境为代价。农村沼气把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来，促进了生产发展和生活文明。发展农村沼气，优化广大农村地区能源消费结构，是中国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义。 四、实例分析 1哈默比湖城 在哈默比湖城的规划和实施阶段，它拥有一套完整的环
17、境质量控制计划，要求在能源、水、垃圾、交通、建筑设计与施工管理等各个方面采用新的理念和技术。由斯德哥尔摩水公司，弗顿能源公司及斯德哥尔摩垃圾处理署共同制定的环境与基础 设施计划，其核心内容可以被总结为一个生态循环模型，即著名的哈默比模型（图 8）。下面我们着重讲一下能源。 在能源处理上，哈默比湖城遵循以下五点内容： 垃圾燃烧产生供本区域使用的热能和电能； 用生态燃料生产供本区域使用的热能和电能； 废水处理产生的热能用于区域的供暖和制冷； 太阳能被用于发电和供应热水； 所有用的电都应该获得 “ 优质环境选择 ” 或相关认证。 哈默比湖城建立的环境友好型能源系统。 首先确保从城市电网输入的是水力、
18、风力、太阳 能等环境友好型电能。其次，哈默比堆肥厂制成的生物燃料以及易燃垃圾在热电厂、热力站作为重要的补充燃料，其生产的热能和电能被返送回来，为哈默比及周边地区提供区级的供热和电能。除提供热和电外，哈默比热力站还设有区级 “ 免费制冷 ” 系统，所谓 “ 免费 ” 是因为仅需要将冷的海水在区域中输送与分配，同样是一种对环境友好的制冷方式。能源在这里被慎重地、从系统整体的角度加以考虑，例如强调区域中不同部门的协作，不要同时加热和冷却。为了使建筑能源需求达到最小化，一些建筑物屋顶还装有太阳能光电板和热水器，它们分别为住户节约 5%的电力，供 应 50%的热水，预计在全部建成后哈默比湖城的能源自给率
19、将达到 50%。 2010年 3月的统计显示，哈默比电力及采暖耗能中已有 50%取自有机堆肥及垃圾燃烧的循环利用。 哈默比湖城有望在 2015 年全面实现 20 年碳排放减半的目标，作为一个基于低碳目标的重建开发案例，哈默比湖城是欧洲众多可持续与低碳城市试验项目中的优秀范例之一，它不仅是瑞典生态城市建设的一个成功样板，同时也为全世界低碳城市的建设发展提供了良好的示范。 五、结语 我们要明白，现在地球上所有的能源并不是我们独占的，而是向我们的子孙后代借取的。在我国经济迅猛发展的势头下，建筑的能耗达到了社会总能耗的 45%，在某种程度上，中国当前的城镇建设对全球的可持续发展进程产生不可忽视的重要影响。在今后的道路上，对于可持续发展道路的探讨还将延展下去。 参考文献 张彤 .绿色北欧可持续发展的城市和建筑 : M.南京 :东南大学出版社 ,2009. 瑞吉斯特著 .王如松译 .生态城市 : M.北京：社会科学文献出版社 ,2010 鞠美庭著 .生态城市建设的理论与实践 : M.北京：化学工业出版社 ,2007 沈欣军主编 .资源与环境保护概论 : M.北京：化学工业出版社 ,2009 注：文章内所有公式及图表请用 PDF 形式查看。
