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未来城市的能源从哪里来，要怎么用｜未来城市大哉问

腾讯研究院&澎湃研究所&清华大学建筑学院龙瀛课题组

2022-12-16 16:31

来源：澎湃新闻

如果能源可以不受限——比如，人类从自然界获取能源的效率大幅提高，远远超过自身生存发展所需，那么，城市的运行方式一定会更奇妙。试想一下，跟随信息流的召唤，能源流可以任意倒腾折换，从发电装置到储能设备再到耗能电器，哪怕每个环节耗损九成以上，都可忽略不计。可用的能源总量无比巨大，人类社会将真正进入新的时代。

人类的能源需求永远在增长。创新和想象力都需要消耗更多能量。众所周知，化石能源形态稳定，燃烧利用最方便。但人们也认识到，这些有机物自远古沉积而来，如果在短短百余年内不加节制地燃烧殆尽，就会有大量二氧化碳排放到空中，加剧大气层中的温室效应，地表的温度随之变化，进而改变大气和水体的流向。倘若如此，人类最终或许也将无法呼吸，和地球上的其他生物一同归于沉寂，成为下个世代的化石。

要让多余的碳回归土地，而不是留在空中。这可视为“双碳”目标的题中之义，也是未来城市处理能源问题的大前提。如何不依赖化石能源，采用基于自然的风能、光能、生物质能等，这确是一项挑战。大自然风起云涌，有无穷的能量不断流转。关键在于，自然界中能量密度低、存在形式不稳定的能源，如何能为城市所采集、传输、存储和利用。

在更远的未来，人类取用能源的瓶颈也许会彻底解决。比如，核聚变技术如果成熟，人类就相当于有了可控的太阳。近期世界首次激光核聚变点火成功，但离投入应用还需几十年。当下我们还不能以此为前提，对未来城市的远景做过分浪漫的畅想，而是需要考虑，在现有技术条件下，如何更好地开源和节流。

设计未来城市，并使其能够生长，就要思考和理解城市。针对有关城市的大问题，我们访谈了许多处在前沿的思考者和实践者，包括建筑与城市规划研究者、人文地理学者、技术史学者、互联网法学者、经济学者、公共管理学者、未来学家、政府决策咨询专家，以及从事城市服务的企业管理者，试图得到一些答案和线索，能够更好地前行。

智慧用能

从能源的视角看，针对一座城市的方方面面，都做出精准预测，不仅没有必要，更重要的是做不到。智慧的技术必然消耗更多能量，在可预见的未来，能源系统无法支持这样的运算。也就是说，在微观层面，要想预测复杂系统的走向，消耗的能量将过于庞大。

具体而言，研究者指出，信息负荷自身能耗展现出动态复杂系统的“蝴蝶效应”，比如，通常移动终端每产生1个单位的信息，端到端能耗则至少增加10倍。在数据驱动方法中采用最恰当数据集（just enough），达到系统状态感知和优化控制，是未来信息能源领域中重要的研究课题。

不过，我们仍可立足当下，设想一座城市未来的生产生活将是怎样的，所匹配的又应当是怎样的能源系统。

一座小城市未必一二三产业齐全，但必然存在相对高密度的集聚。以现有的能源结构而言，北京大学城市与环境学院教授吕斌认为，高密度的城市，无法单靠自身实现碳中和。尽管源头上使用清洁能源，能解决很大一部分问题，但最后还有20%左右的碳，需要通过节能减少。这就要构建城乡协同的社会生态共生系统，也就是说，城市并非独立存在，需要以都市圈或都市区为单元，进行城乡协同，通过乡村的农作物，来提供碳汇。

农作物的生态化种植，秸秆还田，让更多碳排放回到土壤，即可视为碳汇。在城市里，也可以促成这类闭环。尽管物质循环和能源流动，往往被分列不同学科体系之中加以审视，但在城市生产生活的终端，它们往往对应同一件事。比如，食物是人摄取能量的载体，而垃圾是新陈代谢的产物——何为物质，何为能量，无从区分；对应到城市之中，食物和垃圾，分别是家家户户的冰箱和垃圾桶，工业园区的食堂或资源回收处。也就是说，针对这些系统，可以采取一些办法，让物质当中的能量，向可持续造福人类的方向流动。

谷歌的Sidewalk实验室，在此前对多伦多Quayside的计划中，就有这类考虑。在当时的计划中，每栋楼的每一层，都有智能垃圾回收桶，鼓励居民环保地处理垃圾。如果所在楼层每个人都做得很好，一些节省下来的钱就发还给居民。如果整栋楼都做得很好，当月租金就会得到减免。这样的方案对民众有明显的吸引力。因为，当地每个人都知道，有意义地解决气候变化，是一件大事，即便生活成本高一些，只要能够实现社会目标，没有人会对这样的做法提出反对。碳排放的问题是被置于中心的。

另一方面，智能化也可对节能做出贡献。如前所述，相比传统的生产生活方式，智能化意味着，需要调动更多能源去计算。虽然计算工作本身耗能，但对整体流程而言，可以提高效率，节约时间和成本。这对应着减少了单位能耗。而如果面向节能的目标进行计算，也就是在运作过程中，进行能源的计量，就可能在整体上更为节能。

日本工程院院士沈振江对我们说到，日本的智慧城市建设，就是在绿色的基础上强调低碳，然后追求智慧的目标。比如，日本城市规划就是通过大数据，测度人的行为，根据1分钟中内人的行为，评估不同智慧技术条件下建筑节能的效果。更多考虑结合传感器，让能量浪费尽可能减少。一个简单的例子是，研究发现，空调每运行一小时，再关闭半小时，对人的身体感受影响较小。因此，可以通过智能控制空间来减少用电。

创新节流

低碳的线索贯穿在城市之中。让城市的运转与能源的流动更好地呼应。不但需要开发新的技术，还要让这些技术流转起来，在不同的条块网络中，相互激发出新的可能性。

比如，城市需要能够促成各种人群的交流，以及各种要素的流动。无论如何，交通工具必不可少。基于电池技术的发展，我们可以把电动车当作移动的储能设施，而不只是消耗电力的出行工具。有需要的时候，这些电动车能反向向电网输电，辅助调节电网负荷。这也能减少能源在转化中的效率损失。这种分布式的储能模式，可视为在能源系统、交通系统和城市空间之间搭建连接，会更好地适应未来城市的需求。

让能源在用户侧响应，针对实时需求削峰填谷，也是虚拟电厂的意图所在。在未来的城市中，居民也许可以选择不同供电商，电价根据一系列指标波动，以智能的手段去进行识别和选择，谁发电就要谁的电，有需求就给出价格信号，保证高峰期消纳掉电网中的负荷。

规模大小直接决定了运算量是否可行。现在的技术水平，更适合可自封闭型技术系统的模拟、运转和调控。针对当下能源流与智能技术的应用，清华大学建筑学院教授尹稚对我们举出智慧社区中全感知和自动调控的封闭技术系统的例子。他介绍说，浙江智能电网在社区尺度上做了一个实验平台。其中包含传统能源、新能源等多种能量来源，根据与碳相关的指标，可实现每十五分钟更新一次，高碳的部分调控为高电价，针对实时需求，进行反馈与智能调控。这样一来，会改变人们的用电习惯。而这一类的全智能化管控，在很多示范性小区都有所实现。

数据中心也是消耗能源的重要部门，当下很多时候不得不使用化石能源来满足消耗。这方面的节流手段，需要更多地考虑基于自然的方法。这与建筑物里的机房类似。机房需要散热降温，建在冷的地方，增加对流，可以省掉一些冷却用电。当下的一种创新策略，是采用液冷手段降温，让服务器浸入水底。微软把数据中心放到海底，Facebook将数据中心设在靠近北极圈的位置，都是出于这方面的考虑。虽然技术成本相对高，但耗能极低，因为辅助设备用能极少。近年来，中国一些地方和部门也有类似的举措。

人的意识

我们之所以需要关心能源问题，很大一部分是来自对碳排放的担忧。如果不使用化石能源，就可以不必计算排放。碳捕捉技术（CCUS）未来可期，但目前尚不能过分乐观。因为虽已有示范项目，但缺乏足够的经济性，只适用于特殊条件。

也许，要根本上解决这些问题，还是要回归到人的意识上。信息流与能源流，最终还是作用于人。碳账户更大的作用，并非只是少排放这一点点碳，而是让人更多地去看到和意识到自己的行为对城市、对地球的影响。

科幻作家陈楸帆最近写的一本书《零碳中国》，正是写给小朋友的。书中的主人公从当下污染相对严重、面对极大挑战的年代，去到2060年，进而看到，未来人们用怎样的技术和机制，去实现碳中和。

陈楸帆把对未来社会的设想，写入中国承诺当年碳达峰的时点。陈楸帆说到，在那个时候，应该已经有了一种机制，让人们在做每个消费决策时，能直观看到所产生的碳排放，进而可以自主选择更为低碳的方式，比如一个不同的包装材料，又比如骑车、走路或坐公共交通，而不是开私家车，等等。就是这样一些赋能的方式，令城市中的人最终可以理解，要做什么样的努力，维持这样可持续发展的社会。

陈楸帆说到，能源是最后的问题，也是解决包括地缘政治等很多问题的核心。但长期而言，还是需要更多科技上的突破，包括材料科学——如果能够维持低廉的成本，又能以某种方式降低对环境的影响，那就会是革命性的发明。

这也恰如深圳大学建筑与城市规划学院研究员张宇星所说，宏观架构不确定性更大，微观规则策略有更大的灵活性，反而有可能改变未来。因此，改变未来的可能是一些颗粒状的小事情，而非宏大的理想。

或许，我们不妨就从这里开始，让市民在日常的生活中，能够广泛应用普遍的碳积分计算，并与城市系统的其他部分相互作用，进而让人更直接地感受到自身与自然、与环境的联系。未来城市处理能源问题，这应该是第一步，也是最根本的一步。也许，游戏也是一个重要的入口。

（澎湃新闻记者王昀执笔）

WeCityX团队总结：风光发电和储能技术，成本上已与传统化石能源发电方式相当，而中国的大规模生产和应用对此贡献巨大。在全球能源短缺和双碳战略背景下，能源革命进程将继续加速。能源，尤其是分布式可再生能源的应用，可能是未来改变城市形态最重要的因素，数字技术的连接和调控能力，将在这个过程中扮演不可替代的作用。一张新的能源互联网正在展开，同时会改变建筑、交通等系统的形态。在技术进步的同时，每个人的意识和参与更为重要。从主动节能到低碳生活，进而成为能源的生产者和调控者，您准备好了么？