智慧城市理念中的远程供热

对于智慧城市概念，至今始终未形成一种明确的定义。目前由于某些脱离实际应用的认知，在使用这个术语时略显草率，从而削弱了其实际意义。
智慧城市常常与已经存在的某些东西相联系：远程供热管网。这些管网按其运行方式已在意大利各城市地区乃至中北欧广泛分布，在与热能分配联系的特定情况下，已被认作城市基础设施的一种“智慧”要素（图1）。当然，这只是构成大型系统的一部分，首先是配电，这方面已经够“智慧”了，因为其能力现在改变得非常灵活。
首先，通过关注城市运行必需的构成要素，就可以评估一座城市，通过推行严谨的规划，以优化资源管理。甚至只要单纯专注于能源主题（需求、供应、分配、储存）及其隐含的二氧化碳排放问题，就会面对能源与以下诸点相互影响的问题，人员流动、水、废弃物和总体生活质量及社会经济评价；同一系统内部整体，城市中心。
但是，应该用什么形式来表征智慧城市的特点？迄今为止根据世界各国实践建议，基本可以采用六个要素：吸引力、智能化、互联化、灵活性（适应性）、效率、效验（图2）。并将它们适用于远程供热管网（TLR），而且这种方式也因较大的能耗比重与房地产行业相关而得到佐证，单在意大利，就有大约1千3百万幢楼宇。因此这是一个吸引决策者和企业注意的领域，换言之，远程供热管网在都市规划中也起着重要的作用。
总之，供热管网在智慧城市的环境中起着重要的作用，前提是如果能够保证载热液体冷却可靠、价格低廉，适应广泛的用户（不同于当下大部分公寓楼采用高温散热片供暖的情况），还可能利用废弃物产生的可再生能源。
为此可以证实与供热管网有关的一些情况：
n        适应调整工作温度：最大程度地利用存在于一种用户向另一种用户过渡期间发生的热量级差，同时提高可再生能源的应用潜力并降低热损失；
n        管理热能生产和需求：即推动对热能生产过程波动（典型可考虑为断续供应可再生能源中的生物质能，而就太阳能的性质来讲，也难以实施按程序控制）的连续适应调整，同时减少负荷尖峰的出现；
n        优化管理与其它能源网络的互联，提高系统的效率和柔性，典型的案例是电动热泵和热电联产的应用，在这两种场合均能实现与电网的联通（前者为热能吸收，后者为热能供给），从而成为系统中关键部件或至少是刚性要素；
n        与城市结构和城市规划过程互联：与城市规划过程保持一致，包括建造小型热能生产管网；
n        降低成本，引入新型经营模式和技术开发模式，譬如由公用事业单位提供的服务达到了结合楼宇等级直接提供各种能源载体，其优势是可使系统更加标准化、更加柔性。
但是，如欲使城市供热管网适合支持，甚至“引导”智慧城市的发展，必须使这些管网服从于适应调整，尤其是在以下几个领域中：
与电网互联
这是热电联产和热泵与电动压缩机结合的案例（图3）。该方案说明了热泵可与远程供热竞争，即使需要开发能够适应温度升高条件的热泵。在热电联产场合，有必要评价电力负荷与热负荷同时存在对热电联产管理工作的影响（图4）。
通过降低远程供热管网的工作温度获得的好处和机遇（图5）是可以度量的：一方面减小了管道的热损失和应力，另一方面改善了安全管理（涉及在热水和非过热水条件下的工作安全性）。另外，就热泵的使用来讲，楼宇的能源需求也在不断减少，这是因为建筑物外墙包覆的持续改进和能源管理越来越精细化，更兼具最先进的控制设备的推广以及现场控制仪表越来越精巧、越来越便宜的结果。无疑，热泵作为集中型制热器（也可作为制冷器）用得越来越多了。
与提高效率的措施相吻合
管网的升级改造必须考虑为满足不同需求而造成的分配损失，譬如同一管网所连接的用户有不同等级的供热温度。然后，对于这类问题，可以通过给予这些区域规定优先级别，籍以实施温度改变（楼宇类型均一的街区可以同时改变供热温度），或者利用温度较低的回热管道（图6）。
能源管理
从用户角度看，用户管理课题在信息通信技术（ICT）方面遇到了困难，即因缺少管网数据而受到了限制，而凭借这些数据可以在服务供应商主体与用户（或代表后者的管理人）之间实施数据的监控和交换。更可以增加若干舒适度的特殊要求和改变供热温度的低调动机（包括经济方面的考量，如要求冻结供热价格及保证高峰用热不受罚等）。但是，即便如此，还是因为与数据传输技术进步（可认为是无线传输的进步）同步的计量技术获得了巨大进步而存在着相关的机遇。为了评估相关的投资，掌握能源量范畴内的所有信息有时非常重要。
技术
上述这些新情况针对能源转换技术即能源生产，提出了新的要求；这些技术要求在制热和制冷时达到更高的效率，而特别是在灵活应用时效率不明显损失。优势是，目前已经或者至多在调整阶段可以利用必需的新技术。
关键问题涉及采用蓄热槽储存热量。迄今为止所获得的经验均与短期蓄热方式有关（图7）。今后所需要的研发工作就是针对季节限制的很长时间内的蓄热。中北欧一些国家能提供的经验涉及大规模地下蓄热。就蓄热而言，所遇到的困难可能就是实施成本和热损失，而较少意识到蓄热的重要性。
远程供热中热电联产的现代化
总的来说，远程供热的重要课题就是对比热电联产设备的平均规模，证明智能化发电理念（结合热电联合生产电力，充分发挥其价值）确实可行。将这种方式应用于远程供热并结合蓄热措施，能够做到实时响应，从而达到能效目标并相对于宽泛的负荷范围而实现柔性运行。其目标是促进向更可持续的能源系统过渡，响应电力市场价格的快速变动，支持间歇生产，而最重要的则是使得意大利的该工业领域及与之相关的服务获得发展。
远程“低温”供热
这种供热方式基本上通过埋地保温管网，将来自供热中心的地下温水分配给住宅群，然后这些热水经上述管网回流到供热中心。于是，该分配管网输送12-14°C 的温水，将热能供给相连接的热泵（图8）。因此，实际上就是传输、储存和泵送来自地下含水层的地热或温水热源给供热中心，使之重新胜任于为现有楼宇提供供暖服务，同时又确立了与在众多旧城、缺乏公共活动空间的区域、受风景、历史或建筑保护限制的环境或受严格噪声保护限制的区域应用可再生能源相关的一些典型准则。与以含水层相对浅表为特征的地理区域相比，就以河流和湖泊构成的重要水网为特征的地理区域来讲，对于确定利用可再生能源向现存的或重建的公用建筑供热的制热设备是否适用，远程低温供热更能代表一种简单、快速、非损伤性和“可再生”的模式。这是对关注改善国家能源供应状况的一些小型城市供热中心的需求的有效响应，由于使用区域的规模有限，对传统的远程供热方式找不到合适的应对策略，无论是采用热电联产还是利用可再生能源供热。当前，通过应用低温、中温或高温热泵来升级现有的供热中心，有可能避免完全改造内部供热系统和设备，并在热泵的服务区内应用特殊的蓄热装置，从而使最终的热能生产合理化。
可再生能源在远程供热中的应用
远程供热和远程供冷在欧洲的低碳能源供应方面起着显著重要的作用。如今，远程供热和远程供冷约占欧洲市场的10%份额（在意大利，约占4%份额)，甚至在某些地区（中东欧）超过50%份额。当前，在欧洲由远程供热和远程供冷管网分配的能源的80%以上的比例是采用可再生能源、废热回收或热电联产达到的。最近欧盟的能效指令确认了“高效热电联产和远程供热代表了取代欧盟内一次能源无效利用的显著概率。”对此，最近由欧盟委员会资助的一项研究确认了通过在32个欧盟成员国内有效扩建远程供热和远程供热系统，有可能每年减少4亿吨二氧化碳（超过京都议定书的整体目标）。为扩大远程供热和远程供冷系统创造条件，有可能为未来更可持续的能源供应作出贡献。5,000多个采用远程供热的欧洲城市（在意大利，有100多个这样的城市）的经验确认了这项技术已经成为了现代化能源政策的一项手段。
结语
城市范围内的热能分配管网将在未来的智慧城市中起着重要作用，如果它们能够确保向各种各样的用户提供可靠方便的供热服务，并可利用可再生能源或各种废弃物的话。为此，应当作相应的改变，而这会涉及投资成本意识，但是，项目规划应当面向各种创新方案而更加开放。