了得網工業技術_城市能源繫統：一種綜合方法

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城市的能源需求應當采用更加可持續的方式來供給。《城市能源繫統：一種綜合方法》分析了滿足能源需求的技術性與社會性繫統，同時指出如何利用這些方法來指導實踐。
利用英國帝國理工學院開發的分析工具與案例分析，本書提供了一種將技術、資源與人口相結合的前沿研究方法。
案例分析包括：
 1）英國倫敦的城市能源繫統的整個演變史；
 2）哥本哈根（作為全球領先的高能效城市）區域供能與熱電聯產的發展史；
 3）肯尼亞納庫魯市30年來的能源消費與環境影響；
 4）利用不確定度與敏感度分析的方法來展示位於泰恩河上的紐卡斯爾城如何達到2050碳減排目標；
 5）為英國的生態小城優化設計了低碳的能源繫統，展示了能源繫統如何設計，以滿足越來越嚴苛的碳排放要求。
《城市能源繫統：一種綜合方法》旨在服務所有致力於城市可持續發展的學生、研究者、規劃師、工程師以及政策制定者。

內容簡介

《城市能源繫統：一種綜合方法》針對城市能源繫統（urban energy system）進行全面的分析和研究。首先，介紹城市能源繫統的定義、概念與發展歷史；其次，介紹新型城市能源繫統涉及的各類技術；接著，重點介紹城市能源繫統的分析方法；末尾，給出各種分析方法的應用實例。
書中涉及城市能源繫統的分析方法，主要包括：復雜城市能源繫統的技術－經濟－社會建模、優化方法與繫統集成、基於智能體的建模方法、基於生態足跡的建模方法，以及不確定度問題的分析方法。
這些都是十分具有實用性、創新性和指導性的方法，為城市能源繫統的分析研究提供了方向性和方法論的指導。《城市能源繫統：一種綜合方法》涵蓋能源、電力、交通、建築、燃氣、供暖、供冷等多個城市能源繫統相關行業從業者所需的關鍵信息。

作者簡介

James Keirstead博士是英國帝國理工學院和英國石油公司城市能源繫統項目組的研究員。
Nilay Shah教授是英國帝國理工學院化學工程繫主任，同時也是英國石油公司城市能源繫統項目組的負責人之一。

譯者序
原書前言
致謝
作者簡介
縮略語表
部分簡介
第1章城市能源繫統日趨增長的重要性3
1.1 動機3
1.1.1 城市化4
1.1.2 空間聚集4
1.1.3 氣候變化和其他挑戰6
1.1.4 當地機構6
1.2 需考慮的工作假設和問題8
1.3 本書架構10譯者序
原書前言
致謝
作者簡介
縮略語表
部分簡介
第1章城市能源繫統日趨增長的重要性3
1.1 動機3
1.1.1 城市化4
1.1.2 空間聚集4
1.1.3 氣候變化和其他挑戰6
1.1.4 當地機構6
1.2 需考慮的工作假設和問題8
1.3 本書架構10
第2章城市能源繫統的概念化12
2.1 城市能源繫統的物理模型12
2.1.1 城市作為熱力學繫統13
2.1.2 城市作為代謝繫統15
2.1.3 城市作為復雜繫統16
2.2 城市能源繫統的社會-技術模型18
2.2.1 家用能源技術18
2.2.2 大型技術繫統19
2.3 定義城市能源繫統20
第3章城市能源繫統簡史:以倫敦為例22
3.1 簡介22
3.2 從狩獵采集到殖民的轉變25
3.3 早期城市化26
3.3.1 早期的可再生能源27
3.4 倫敦的擴張和向煤炭的轉型28
3.5 道路､鐵路和管道網絡30
3.5.1 倫敦的下水道33
3.6 電力城市34
3.7 結論36
第二部分城市能源使用與技術
第4章建築能源服務需求:改造潛力41
4.1 簡介41
4.2 建築物的燃料和電力需求41
4.2.1 建築物的燃料需求42
4.2.2 建築物的電力需求45
4.2.3 燃料和電力需求的社會學層面46
4.3 改造建築物的潛在益處和實際障礙48
4.3.1 潛在益處49
4.3.2 實際障礙56
4.4 未來策略59
4.5 結論61
第5章分布式多聯供與區域能源繫統63
5.1 簡介63
5.2 分布式多聯供:概念與建模64
5.2.1 一般概念與技術64
5.2.2 DMG繫統的黑箱建模68
5.3 區域能源繫統70
5.3.1 分布式能源與集成的益處70
5.3.2 綜合能源規劃的挑戰71
5.3.3 未來的區域能源繫統72
5.4 評估區域能源繫統的環境性能73
5.4.1 與傳統能源繫統的比較及思考73
5.4.2 三聯供分布式能源繫統排放評估74
5.5 三聯供區域能源繫統數值案例75
5.5.1 區域能源繫統描述75
5.5.2 案例研究與結果76
5.6 區域能源繫統在低碳未來中扮演的角色77
5.7 結論78
第6章城市能源繫統中的生物質能和其他可再生能源:潛力､轉換途徑和未來趨勢79
6.1 簡介79
6.2 城市可再生能源79
6.2.1 太陽能80
6.2.2 水能和海洋可再生能源81
6.2.3 風能81
6.2.4 地熱能81
6.3 城市生物質能81
6.3.1 生物質能源和潛力82
6.3.2 用於城市及城郊區域的生物質能路徑89
6.3.3 城市能源繫統中的生物質能和生物能源91
6.4 結論97
第7章城市交通技術98
7.1 簡介98
7.2 車輛和燃料技術100
7.2.1 燃料101
7.2.2 傳動繫統102
7.2.3 電網在交通繫統中的角色103
7.3 智能交通繫統106
7.3.1 智能基礎設施108
7.3.2 智能汽車109
7.3.3 城市物流110
7.4 智能機動方案110
7.5 對城市能源繫統的影響111
第三部分分析城市能源繫統
第8章城市能源繫統建模115
8.1 簡介115
8.1.1 城市能源繫統建模方法115
8.1.2 模擬城市區域的動態演化117
8.1.3 土地利用與交通集成模型118
8.2 Meta分析綜述119
8.2.1 城市能源“繫統設計”的文獻綜述119
8.2.2 城市能源繫統的土地利用交通模型120
8.2.3 城市能源繫統建模的挑戰121
8.3 SynCity建模框架122
8.3.1 布局模型124
8.3.2 Agent活動模型(AMMUA) 124
8.3.3 資源流模型(TURN) 124
8.3.4 服務網絡模型126
8.4 結論128
第9章優化與繫統集成129
9.1 簡介129
9.1.1 城市能源繫統的優化建模130
9.2 用於城市能源繫統設計的MILP模型131
9.2.1 層級非均勻時間離散化132
9.2.2 角標133
9.2.3 資源守恆133
9.2.4 輸入與輸出134
9.2.5 資源轉換技術134
9.2.6 傳輸技術135
9.2.7 存儲技術136
9.2.8 性能指標和目標函數139
9.3 規劃的案例分析140
9.3.1 資源與技術141
9.3.2 目標函數142
9.3.3 結果143
9.4 改造案例分析146
9.4.1 改造建模146
9.4.2 分析與結果147
9.5 結論149
第10章受生態啟發的城市能源繫統優化建模150
10.1 簡介150
10.2 城市作為生態繫統:城市代謝的概念150
10.3 環境影響評價方法151
10.3.1 物質流分析151
10.3.2 生態足跡153
10.3.3 生命周期評估154
10.4 EIA與過程優化技術結合157
10.5 一個假想的案例分析157
10.5.1 輸入數據與假設158
10.5.2 模型方程158
10.5.3 結果159
10.6 為城市能源繫統設計選擇EIA方法160
10.7 結論161
10.8 使用的符號162
第11章基於活動的城市能源繫統建模163
11.1 基於活動的模型之潛能163
11.2 土地利用運輸模型與基於活動的模型的歷史164
11.3 什麼是基於活動的模型166
11.4 基於活動的模型中目前的技術168
11.5 土地使用-交通模型中的能源170
11.6 一個應用案例:AMMUA 171
11.7 基於活動的建模方法之關鍵分析173
11.7.1 數據173
11.7.2 模型繫統復雜度173
11.7.3 不同的建模規範173
11.7.4 應用背景的復雜性173
11.8 結論174
第12章城市能源繫統模型的不確定度和敏感度分析175
12.1 簡介175
12.2 後常規科學與城市能源繫統176
12.3 不確定度與敏感度分析178
12.3.1 不確定度分析178
12.3.2 敏感度分析184
12.4 案例:實現Newcastle-upon-Tyne未來的碳排放目標185
12.4.1 問題定義186
12.4.2 挑選參數及分析設定187
12.4.3 結果與分析191
12.5 結論193
第四部分實施方案
第13章城市能源繫統中的管理轉型197
13.1 簡介197
13.2 理論轉型197
13.2.1 發展中國家的燃料轉型198
13.2.2 社會技術繫統轉型198
13.3 技術轉型:哥本哈根的區域供熱案例202
13.3.1 起源203
13.3.2 對比政策環境203
13.3.3 經驗教訓204
13.4 發展中城市的轉型:肯尼亞Nakulu的案例205
13.4.1 收入和燃料消耗間的關繫206
13.4.2 能源使用的環境影響208
13.4.3 技術和政策解決方案209
13.4.4 總結210
13.5 結論211
第14章未來城市212
14.1 簡介212
14.2 關於未來212
14.3 城市能源預測213
14.4 “概念城市”的未來214
14.5 單一公司的小鎮216
14.6 大型復合城市的土地利用216
14.7 總體規劃217
14.8 作為城市規劃工具的未來情景218
14.9 城市場景中的特殊因素219
14.10 結論220
第15章結論221
15.1 城市能源繫統的持續重要性221
15.2 城市能源使用和技術222
15.3 分析城市能源繫統223
15.4 實施方案224
15.5 彙總224
附錄A 優化技術226
A.1 背景參考文獻和工具226
A.2 模型分類227
A.2.1 變量和線性分類227
A.2.2 風險和不確定度228
A.3 混合整型線性規劃(MILP) 229
A.3.1 優劣勢229
A.3.2 MILP公式化策略229
A.3.3 求解策略230
參考文獻231

前言

可靠的能源供給是城市的命脈。無論我們生活在一個隻有幾百人的小鎮還是有著千萬人口的大城市，每天都需要依靠能源來提供重要服務。能源給我們的建築物供熱供冷，照亮黑夜，為我們的辦公室和工廠供能，為車輛提供燃料。即使在無法獲取天然氣和電力的非現代化城市中，動植物廢棄物和生物質的供給對於滿足供熱和烹飪等日常需求也是必不可少的。但享用這些能源服務絕不能被視為理所應當，而且在接下來的幾十年裡城市能源繫統將會面臨更多挑戰。
《城市能源繫統：一種綜合方法》試圖捕捉此類復雜繫統變化的本質。此書提出了一繫列案例研究和前沿分析工具，以促進我們加深對這些被過度期待的基礎設施的認識。本書的副標題取為“一種綜合方法”，以此反映筆者的信念——通過對需求方式和單個技術進行集成，並充分考慮城市獨特的社會背景和經濟情況，城市能源繫統的效率會有顯著提高。
《城市能源繫統：一種綜合方法》引申於帝國理工學院的BP城市能源繫統研究項目。該項目於2005年底啟動，同時創立了帝國理工學院能源未來實驗室，成為整個帝國理工學院能源研究的中心。開展該項目的主要目的是采用一種多學科、繫統化的方法來確定在城市能源繫統設計和運行中采用綜合分析的益處，以確定城市能源強度和溫室氣體排放的降低潛力。該項目的設立在於人們日益認識到，城市能源繫統和基礎設施的資源消耗
對於實現更加可持續的生活方式至關重要。可靠的能源供給是城市的命脈。無論我們生活在一個隻有幾百人的小鎮還是有著千萬人口的大城市，每天都需要依靠能源來提供重要服務。能源給我們的建築物供熱供冷，照亮黑夜，為我們的辦公室和工廠供能，為車輛提供燃料。即使在無法獲取天然氣和電力的非現代化城市中，動植物廢棄物和生物質的供給對於滿足供熱和烹飪等日常需求也是必不可少的。但享用這些能源服務絕不能被視為理所應當，而且在接下來的幾十年裡城市能源繫統將會面臨更多挑戰。
《城市能源繫統：一種綜合方法》試圖捕捉此類復雜繫統變化的本質。此書提出了一繫列案例研究和前沿分析工具，以促進我們加深對這些被過度期待的基礎設施的認識。本書的副標題取為“一種綜合方法”，以此反映筆者的信念——通過對需求方式和單個技術進行集成，並充分考慮城市獨特的社會背景和經濟情況，城市能源繫統的效率會有顯著提高。
《城市能源繫統：一種綜合方法》引申於帝國理工學院的BP城市能源繫統研究項目。該項目於2005年底啟動，同時創立了帝國理工學院能源未來實驗室，成為整個帝國理工學院能源研究的中心。開展該項目的主要目的是采用一種多學科、繫統化的方法來確定在城市能源繫統設計和運行中采用綜合分析的益處，以確定城市能源強度和溫室氣體排放的降低潛力。該項目的設立在於人們日益認識到，城市能源繫統和基礎設施的資源消耗
對於實現更加可持續的生活方式至關重要。
該項目的靈感來自於復雜工程繫統（如煉油廠）的建模、優化以及繫統工程和過程集成的巨大成功。具體涉及建立一個城市能源繫統的模型框架，並從廣義概念上進行細化鋻別，該模型框架在優化城市能源繫統設計和運行、利益評估，以及協助尋找合適的商業模式以實現利益化等方面具有巨大潛力。
該項目假設，盡管個別城市能源繫統已經被優化，但是對不同能源繫統和不同城市能源消費進行的交叉優化尚未開展。這樣全繫統層面的優化已經在其他繫統及行業（如煉油廠和石化工廠）中產生了數十個百分點的效率增益。另一假設是，建模平臺和計算工具的發展非常迅速，如同計算能力一樣。盡管如此，與城市能源相關的研究挑戰，其復雜程度無疑超過個位量級，涉及多種能源載體，並受數以百萬
計主體的日常決策影響。
經過6年多的時間，該項目已接近尾聲，而《城市能源繫統：一種綜合方法》這本書代表其開展過程中一個重要的裡程碑。通過項目開展，我們在城市能源繫統建模框架與模型開發方面取得了較大突破，這些工具為城市能源繫統的設計和運行提供了獨特的視角。然而，新的挑戰仍在源源不斷出現，這個領域依舊吸引著幾乎每一個學科的研究人員。我們期望本書能吸引廣大的讀者群體。對於工程師，書中展示的建模技術可提供新的見解，案例研究將說明如何將創新的解決方案付諸實踐。對於政策制定者和非工程技術人員，本書提供了各類城市能源技術的介紹，以便了解相關這些技術的主要特點以及它們與其他繫統的關聯。而對於學生，本書將會是城市能源繫統相關知識的一站式平臺，為這一跨學科領域的具有挑戰性的重要問題提供了全面而繫統的綜述。
James Keirstead和Nilay Shah
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